CN101960293B - 用于测量来自分析物的发射光的光学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学传感器(100)。该光学传感器(100)包括平坦的波导120，该波导能够在垂直于传感器波导表面(122)的方向上发射辐射(22)并且能够接受和透射辐射(16)到检测器(140)，优选地平坦的检测器(140)。此外，可选地一个或多个透镜(133)、一个或多个光谱滤波器(131)以及一个或多个偏振滤波器(132)可以设置在波导(120)与检测器(140)之间。光学传感器(100)特别地被设置成利用分析物(10)读出线栅衬底(200)。

Description

用于测量来自分析物的发射光的光学传感器

技术领域

本发明涉及用于测量来自分析物的发射光的光学传感器以及利用光学传感器测量来自分析物的发射光的方法。

背景技术

用于定量和/或定性地测量分析物的存在性的诸如生物传感器之类的光学传感器在本领域中是已知的。

WO2006/136991例如公开了一种定性或定量发光传感器(luminescence sensor)，例如生物传感器或化学传感器，其使用子波长孔径或狭缝结构，即使用在填充孔径或狭缝结构的介质中具有小于激发辐射波长的最小尺寸的孔径或狭缝结构。

WO2006/136991的发光传感器系统包括发光传感器、激发辐射源和检测器。发光传感器包括衬底，其设有至少一个具有最小尺寸的孔径或狭缝并且在所述至少一个孔径中设有至少一个发光基团(luminophore)以便由具有一定波长的激发辐射激发。所述至少一个孔径或狭缝填充有介质。该介质可以是液体或气体，但是也可以是包含至少一个待检测的发光颗粒的真空。在使用时，所述传感器可以浸没在介质中，例如浸没在液体介质中，或者所述至少一个孔径或狭缝可以以任何其他适当的方式，例如在液体介质的情况下借助于微吸管或者例如通过在传感器上喷射气体并且将气体喷进所述至少一个孔径或狭缝中，来填充介质。所述至少一个孔径或狭缝的最小尺寸小于填充所述至少一个孔径的介质中的激发辐射波长。发光传感器具有彼此相对的第一和第二侧面。

WO2006/136991还公开了一种用于检测衬底中至少一个孔径或狭缝内的至少一个发光基团产生的发光辐射的方法，所述至少一个孔径或狭缝具有最小尺寸并且填充有诸如液体或气体之类的介质。WO2006/136991的方法包括：在衬底第一侧面处借助于激发辐射激发所述至少一个发光基团，该激发辐射在填充孔径或狭缝的介质中具有一定波长，该波长大于所述至少一个孔径或狭缝的最小尺寸；以及在衬底第二侧面处检测来自所述至少一个激发的发光基团的发光辐射，第二侧面与第一侧面相对。填充孔径或狭缝的介质中的激发辐射的波长可以是至少2倍于所述至少一个孔径或狭缝的最小尺寸。

可以应用的其他方法可以例如使用将激发光投射到样本上，该投影使用(i)(偏振)分束器，或者使用(ii)暗场照明。这两种方法可能需要3维体积光学器件。

发明内容

现有技术传感器的一个缺点可能在于，这样的传感器是体积相对较大的传感器。现有技术的其他缺点可能是需要使用相对较复杂的光学解决方案以便测量来自分析物的发射。

因此，本发明的一个方面是提供可替换的光学传感器，其优选地进一步消除上述缺陷中的一个或多个。本发明的另一个方面是提供可替换的利用光学传感器测量分析物的发射光的方法，其优选地也进一步消除上述缺陷中的一个或多个。

在一个实施例中，本发明提出了使用波导，尤其是基本上平坦的波导，其中激发光(波长λ)从侧面耦合进来。光在波导的顶面和底面通过全内反射而反射。此外，波导的顶面可以包含衍射光栅，使得第一级沿着(优选地)基本上平行于表面法线，即基本上垂直于顶面的方向向外耦合。通过这种方式，可以获得用于在垂直于平坦物体的方向上向外耦合光的基本上平坦的结构。

此外，在本发明中，可以应用光栅间距和光栅入射角的组合，使得激发光(λ_ex)(第一级)由衍射光栅向外耦合，而具有波长λ_em＝λ_ex+Δλ的发射光由该衍射结构透射：基本上没有衍射级可以存在于红移发光处。因此，发光基本上不耦合回波导中并且可以以最大强度和场(使用例如2D微透镜阵列)成像到邻近波导而定位的2D检测器上。

通过这种方式，包括检测光学器件以及可选地也包括照明光学器件的所有光学部件可以在几何上是基本上平坦的并且可以容易地堆叠到2D传感器上，从而导致用于读取例如线栅衬底上的分析物的紧凑平坦光学成像设备。

这种线栅衬底可以允许将光耦合到包含分析物的介质内部，光仅仅在非常小的距离上穿透介质，该距离小于(典型地大约λ_ex/10)激发光的波长(λ_ex)。激发光的偏振优选地平行于限定线栅的(金属)导线。结果，只有以生化方法结合到表面的分析物可以被探测到，从而提供了一种用于例如在生物测定中检测分析物浓度的方式。典型地，线栅的狭缝的宽度或间距小于大约λ_ex/(2n)，其中λ_ex为激发光的波长并且n为线栅衬底的金属导线之间的介质(例如空气或水)的折射率。

因此，在第一方面中，本发明提供了一种用于测量来自分析物的发射光的光学传感器，该光学传感器包括优选地基本上平坦的波导以及光学检测器，该波导包括：

a.光输入波导表面，其被设置成将来自光源的光耦合到波导中；

b.传感器波导表面，其被设置成将内耦合光源光的至少一部分作为激发分析物的激发光向外耦合，并且被设置成将来自分析物的发射光的至少一部分作为内耦合发射光耦合到波导中；

c.朝向检测器的波导表面，其被设置成基本上与传感器波导表面平行，并且被设置成在光学检测器的方向上将内耦合发射光的至少一部分作为波导外耦合发射光向外耦合；

其中光学检测器被设置成检测波导外耦合发射光的至少一部分。

有利的是，通过这种方式，可以提供例如用于测量例如线栅生物衬底上的诸如唾液、血液等等之类的生物样本的相对平坦的传感器。

在一个实施例中，传感器波导表面包含衍射光栅(也表示为“光栅”或“光栅耦合器”)，其中该衍射光栅被设置成向外耦合基本上垂直于传感器波导表面的第一级衍射的具有预定波长的激发光。通过这种方式，可以允许光的向外耦合并且可以向分析物提供具有预定波长的激发光。此外，在一个实施例中，衍射光栅对于具有预定波长的发射光，更特别地对于垂直于传感器波导表面的这种发射基本上是透射的。由于光栅可以对于预定波长是闪耀的，并且分析物的发射通常相对于激发光而(斯托克斯(Stokes))频移，因而光栅一方面被设置成允许第一级且基本上垂直于传感器波导表面的激发光从波导逃逸，并且另一方面被设置成允许发射光基本上无阻碍地进入波导。

在一个特定实施例中，激发光的预定波长(λ_ex)选自可见光范围，特别地在大约380-780nm的范围内，更特别地在大约550-700nm的范围内。

在这里，措词“选自......的范围”表示这里为激发光的光至少包括具有等于或大于大约550nm并且等于或小于大约700nm的波长的光。这并没有排除其中光可以作为具有最终宽度(FWHM；半高全宽)的波段而提供的实施例，所述波段也可以延伸到所述范围之上和/或之下。特别地，这里为激发光的光的主波长处于所说明的范围内。在这里，术语“波长”通常指的是预定波长。

如上所述，光栅特别地被设置成允许向外耦合第一级的具有预定激发波长的激发光并且特别地基本上垂直于传感器波导表面地向外耦合。在另一实施例中，衍射光栅具有大约400-600nm，例如400-500nm的范围内的光栅间距。术语“光栅间距”在本领域中是已知的并且特别地涉及光栅的周期性结构之间，例如锯齿结构或方波结构之间的规则距离。

此外，如上面表示的，光栅还可以被设置成允许具有预定发射波长的发射光(特别地垂直于传感器波导表面)基本上无阻碍地进入波导。在一个特定实施例中，发射光的预定波长(λ_em)选自可见光和红外(IR)范围，特别地在红色和IR内，更特别地在大约500-1000nm的范围内，进一步更特别地在大约650-900nm的范围内。

为了改善检测的信号或者改善从检测的信号导出信息，可以将一个或多个光学元件设置在朝向检测器的波导表面的下游和检测器的上游。这样的光学元件可以选自包括滤光器、偏振器和微透镜阵列被设置的组。可以应用超过一个这样的光学元件。在一个特定实施例中，这些光学元件被设置成在朝向检测器的波导表面的下游和检测器的上游分别提供第一微透镜阵列、(其下游的)滤光器、(其下游的)偏振器以及(其下游的)第二微透镜阵列。

检测器可以包光电二极管或者CCD或CMOS检测器。这样的检测器在本领域中是已知的；CCD和CMOS检测器分别涉及电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)。这样的检测器也可以表示为2D检测器。此外，也可以例如使用扫描方法，其中只获得小的成像视图。在这样的实施例中，光可以在一定时间内在光电二极管上收集；这样可以获得最佳的信噪比。在一个特定实施例中，检测器被设置成检测具有选自大约650-900nm的范围的波长(即预定发射波长)的光。

所述波导特别地可以是基本上平坦的设备。在这样的平坦波导中，传感器波导表面和朝向检测器的波导表面基本上平行，即特别地设置成在等于或小于5°(即0-5°范围内)的相互角下，特别地在等于或小于1°(即0-1°范围内)的相互角下。此外，当使用像光电二极管、CCD或CMOS那样的检测器时，这些检测器也可以是基本上平坦的，从而提供平坦的设备。因此，在一个特定实施例中，光学传感器是基本上平坦的设备，即波导和检测器的组合被设置成获得基本上平坦的传感器。

所述光源可以是光学传感器的一部分，即集成在光学传感器中，或者可以与光学传感器分离。适当的光源例如是发光二极管(lightemitting diode)、激光二极管或者发射具有例如在可见光(即大约380-780nm，特别地大约550-700nm)内的正确激发波长(即预定激发波长)的光的任何其他种类的激光系统。在一个特定实施例中，光学传感器包括光源。这样的实施例提供了一种包含用于在激发时感测发射光的所有相关元件的光学传感器。

在另一特定实施例中，光源被设置成将光源光耦合到波导中，更特别地，光源和波导被设置成提供内耦合光源光的全内反射。在一个实施例中，光源和波导被设置成提供具有大约70-80°的典型范围内的相对于传感器波导表面法线的角度θ₁的内耦合光源光。特别是在这样的条件下，特别地在大约550-700nm的范围内的激发光可以在第一级相对高效地向外耦合，同时对于特别地在大约650-900nm，特别地大约650-750nm的范围内的分析物的发射光具有相对较高的透射。

在一个特定实施例中，衍射光栅被设置成以对于特别地大约550-700nm范围内的第一级且基本上垂直于传感器波导表面的预定激发波长的，大约2-30％范围内的，特别地大约2-20％范围内的，更特别地大约2-15％范围内的衍射效率，向外耦合基本上垂直于传感器波导表面的第一级衍射的具有预定波长的激发光，同时在垂直照射下以大约50-100％，特别地在大约80-100％范围内的透射效率，对于特别地在大约650-900nm的范围内的预定波长的发射光透明。此外，在一个实施例中，光源、波导和衍射光栅被设置成提供偏振的激发光。

因此，在另一方面中，本发明也提供了一种用于利用例如如上所述的光学传感器测量分析物的发射光的方法，所述光学传感器包括优选地基本上平坦的波导和光学检测器，该方法包括：

a.将来自光源的光耦合到波导中；

b.利用从波导向外耦合的激发光照射分析物，并且允许发射光作为内耦合发射光耦合到波导中；

c.在光学检测器的方向上将内耦合发射光的至少一部分作为波导外耦合发射光向外耦合，并且由光学检测器检测波导外耦合发射光的至少一部分。

在一个特定实施例中，分析物包含在线栅衬底上的液体介质中。线栅衬底可以包括透明衬底和附接到透明衬底的线栅模式。因此，在一个实施例中，线栅衬底包括具有一定表面的透明衬底，该表面包含具有线栅间距的栅格模式。线栅衬底特别地可以含有具有线栅间距的线栅模式，该间距特别地等于或小于大约λ_ex/2n，其中n为液体介质的折射率(其通常处于大约1.3-1.6的范围内，例如水)。特别地，线栅的狭缝的线栅间距小于激发光的波长，并且特别地低于(填充线栅的狭缝的)介质的衍射极限。因此，在一个实施例中，线栅的狭缝的间距小于激发光(具有预定激发波长)的波长的大约50％，优选地小于激发光的波长的大约40％。具有预定偏振的偏振光可以通过使用偏振光和/或通过使用偏振滤波器来获得。在另一实施例中，线栅间距选自大约30-350nm的范围，特别地处于大约55-70nm的范围内。因此，这样的线栅衬底允许从下面激发并且也允许从(线栅衬底)下面检测发射。

在一个实施例中，分析物可以包含在诸如血液、唾液、组织等等之类的生物样本中。分析物可选地可以利用发光标记或标签标记。分析物可以具有来自其自身的发光特性，但是一些分析物在利用发光标记或标签标记之后，可能仅仅表现或者只表现具有预定波长的发光。这样的标记或标签在本领域中是已知的。在这里，术语发光和发射是等效的。

利用激发光照射分析物特别地可以包括利用倏逝光场照射分析物。

术语“倏逝光场”在本领域中是已知的。在光学中，当光波以大于临界角从而发生全内反射的角度从界面(内部地)反射时，形成倏逝波。对于它们的存在的物理解释是，电场和磁场不可能在边界处间断，如果不存在倏逝场，情况则是如此。

此外，在线栅衬底的栅格中，可以创建倏逝场。在一个实施例中，这种倏逝场通过利用具有预定波长的激发光从下面照射线栅衬底，从而激发线栅衬底上的液体介质中的分析物来创建。特别地，这种场可以用来探测或感测可能结合到线栅衬底的衬底表面的分析物。

因此，在一个实施例中，本发明的光学传感器被设置成在特别地含有具有线栅间距的线栅模式的预定线栅衬底的线栅中(实际上在线栅的导线之间的槽(well)中)提供具有预定激发波长的倏逝光场，所述线栅间距特别地等于或小于大约λ_ex/2n。特别地，激发光具有与线栅的导线平行的偏振。因此，本发明方法的一个实施例也包括提供具有预定波长和平行于线栅导线的偏振的激发光。

因此，本发明也提供了一套部件，其包含如本文所描述的光学传感器和一个或多个如本文所限定的线栅衬底，尤其是多个这样的线栅衬底，以及可选地一个或多个包含如本文所限定的介质液体介质的容器，所述液体介质例如(脱矿质的)水或商业上可获得的溶液，其包含可以用于标记分析物的标签。

此外，在一个特定实施例中，所述光学传感器还包括线栅衬底，其中该线栅衬底被设置成邻近传感器波导表面(可选地包含衍射光栅)，并且其中线栅衬底被设置成基本上平行于传感器波导表面。因此，在一个特定实施例中，依照本发明的光学传感器被设置成测量来自线栅衬底包含的分析物的发射光，并且该光学传感器被设置成测量由被设置成邻近传感器波导表面(可选地包含衍射光栅)的线栅衬底包含的分析物的这种发射光，并且其中线栅衬底被设置成基本上平行于传感器波导表面。特别地，线栅衬底和光学传感器被设置成让传感器波导表面在上面并且线栅衬底邻近传感器波导表面(可选地包含衍射光栅)或者更特别地在该传感器波导表面上。

在另外的特定实施例中，波导为基本上平坦的结构，传感器波导表面和朝向检测器的波导表面基本上平行，其中光输入波导表面是波导的基本上垂直于传感器波导表面和朝向检测器的波导表面的表面(或侧面)，其中光学传感器包括光源，其中光源被设置成向光输入波导表面提供光，其中光学传感器被设置成测量来自线栅衬底包含的分析物的发射光，并且该光学传感器被设置成测量由被设置成邻近传感器波导表面(可选地包含衍射光栅)的线栅衬底包含的分析物的这种发射光，并且其中线栅衬底被设置成基本上平行于传感器波导表面。特别地，线栅衬底和光学传感器被设置成让传感器波导表面在上面并且线栅衬底邻近传感器波导表面(可选地包含衍射光栅)或者更特别地在该传感器波导表面上。检测器可以设置在波导下面并且因而可以从下面进行测量，即从线栅下面激发线栅中的分析物并且从线栅下面测量发光。

附图说明

现在将仅通过实例参照示意性附图描述本发明的实施例，在附图中，相应的附图标记表示相应的部分，并且其中：

图1示意性地绘出了依照本发明的光学传感器的实施例，并且也示意性地绘出了传感器可以如何操作；以及

图2a-c示意性地绘出了本发明的实施例并且也示意性地绘出了传感器可以如何操作，其中图2b示出了线栅衬底的部分的细节。

具体实施方式

光学传感器概述

图1示意性地绘出了用于测量来自分析物10的发射光16的光学传感器100。在该示意性实施例中，用附图标记20表示的光源不包含在光学传感器100中，但是在其他实施例中，情况可能就是这样。光源20被设置成产生具有预定波长(包括预定波长范围)的光21。在该实施例中，光学传感器100包括基本上平坦的波导120以及光学检测器140。术语“光学传感器”在这里与术语“发射传感器”或“发光传感器”基本上相同。

耦合到波导120中的来自光源20的光21进一步表示为光22。术语“耦合到......中”、“内耦合”、“向外耦合”、“外耦合”以及类似术语表示光至少部分地从一种介质进入另一种介质，例如从外界环境(通常为空气)进入波导120，从波导120进入外界环境(或者直接进入分析物)，从波导120进入光学元件(参见下文)等等。这些术语在本领域中是已知的。

光学传感器100的尺寸可以例如是大约5-50mm范围内的长度l2，例如典型地大约10mm，以及大约1-10mm范围内的高度h2，例如典型地大约2mm。未绘出但是垂直于附图面的宽度可以在大约5-50mm范围内，例如典型地大约10mm。典型地，光学传感器100的尺寸可以是大约10x10mm。应当指出的是，这些尺寸涉及波导120、检测器140和可选的中间光学器件130。本领域技术人员已知的诸如夹持器、电压源、显示器等等之类的另外的装置或部件可以不包含在这些尺寸内。

分析物

出于理解的原因，绘出了分析物10。本领域技术人员应当清楚的是，分析物10不是光学传感器100的一部分。

分析物10可以是任何分析物，但是在一个特定实施例中，分析物10包括生物材料。术语“分析物”涉及要分析的材料，尤其是固体或液体材料。分析物10可以包括分子，例如但不限于例如诸如血液、血清、血浆、唾液等等之类的流体中的蛋白质、病毒、细菌、细胞成分、细胞膜、孢子、DNA、RNA等等。光学传感器100可以特别地被设置成分析、感测或检测流体或流体样本中的分析物10的发射。这些样本可以在液体介质中稀释。在图2a-2c中，液体介质用附图标记202表示。在这些示意性地绘出的实施例中，液体介质202包含分析物10，并且因而在一个实施例中可以在液体介质中包含混合的血液、血清、血浆或唾液样本等等。可能希望利用依照本发明实施例的光学传感器100和用于测量发射光16的方法检测诸如生物分子之类的分析物10本身，或者可能希望利用所述光学传感器和方法研究这样的分析物10的量。分析物10通常将包含在衬底上(在液体介质202中)，参见下文。

分析物10可能从其自身发光，或者可能由于标签或标记的存在而发光。应当指出的是，特定分析物10的发光的不存在并没有限制光学传感器100，也没有限制本发明的方法。光学传感器100被设置成检测或感测发射，但是发射的不存在也可以是本发明方法的结果。

波导

波导120在本领域中是已知的，并且通常可以包括至少对于预定(激发和发射)波长透明的透明材料，所述波长例如选自大约250-1000nm范围或者尤其是至少在可见光和红外内，更特别地在大约550-900nm范围内的波长。适当的透明材料可以例如选自包括PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PC(聚碳酸酯)、P(M)MA(聚(甲基)丙烯酸甲酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene napthalate))和PDMS(聚二甲基硅氧烷)的组，但是也可以选自包括玻璃、(熔融)石英、陶瓷和硅树脂的组。

波导120包括被设置成将来自光源20的光21耦合到波导120中的光输入波导表面121。波导120通常会具有前面、背面和边(包括多个边)。边的部分可以用作光输入波导表面121。不用来将光耦合到波导120中，即不用作光输入波导表面121的边的部分，可以包括被设置成促进具有预定波长的光反射回到波导中的反射涂层(未绘出)。不用作光输入波导表面121并且不是前面或背面的波导表面，即不用来将光21耦合到波导中的边的部分，用附图标记124表示。为了理解传感器100，前面和背面在这里分别表示为传感器波导表面122和朝向检测器的波导表面123。

传感器波导表面122被设置成将内耦合光源光22的至少一部分作为激发分析物10的激发光23向外耦合。通过这种方式，波导120用作利用已经作为内耦合光源光22而耦合到波导120中的光源光21的至少一部分激发分析物10的激发源。波导120还可以被设置成允许内耦合激发光的全内反射。

此外，波导120还被设置成透射分析物10的发射16的至少一部分，尤其是垂直于传感器波导表面122的发射光16。因此，传感器波导表面122也被设置成将来自分析物10的发射光16的至少一部分作为内耦合发射光12耦合到波导120中。

作为内耦合发射光12而内耦合到波导120中的发射光16必须由检测器130检测或感测。因此，波导120还包括朝向检测器的波导表面123，其特别地被设置成与传感器波导表面122基本上平行，并且其还被设置成在光学检测器140的方向上将内耦合发射光12的至少一部分作为波导外耦合发射光143向外耦合。然后，该外耦合发射光143可以由检测器140检测。因此，光学检测器140被设置成检测波导外耦合发射光143的至少一部分。光学传感器100可以被设置成定性地和/或定量地分析分析物10。

在一个实施例中，波导120可以具有大约0.1-1mm的高度h1和大约5-50mm的长度l2。波导120可以是正方形、矩形或者具有其他形状。通常，长度l2和宽度(未绘出，但是垂直于附图面)二者将处于大约5-50mm的量级。特别地，波导120是正方形或矩形。并且，如上所述，优选地波导120是平坦的，以便能够获得基本上平坦的光学传感器100。

波导衍射光栅

在一个特定实施例中，传感器波导表面122可以包括衍射光栅110，其可以特别地被设置成向外耦合基本上垂直于传感器波导表面122的第一级衍射的具有预定波长的激发光23。此外，衍射光栅110可以特别地被设置成促进在垂直于传感器波导表面122的方向上向外耦合第一级衍射的光。

在示意性的图1中，激发光23被示意性地描绘为基本上垂直于传感器波导表面122。特别地，衍射光栅110还对于具有预定波长(也表示为λ_em)的发射光16，尤其是垂直于传感器波导表面122的发射光16基本上是透射的。因此，激发光23可以特别地基本上垂直于传感器波导表面122地向外耦合，具有预定波长，并且发射光16可以基本上进入波导120中，而基本上不被衍射光栅110衍射到更高级次(级次＞0)。因此，衍射光栅110也可以表示为二向色光栅或二向色光栅耦合器。光栅的间距用附图标记112表示。诸如锯齿或方波结构之类的光栅结构在这里用附图标记111表示。在下文中，更详细地阐述二向色光栅耦合器。

为了光栅耦合器或衍射光栅110工作并且表现出二向色行为，可以限定光栅间距112的范围，使得一个波长(也表示为λ_ex)被该光栅结构向外耦合，而红移波长λ+Δλ(也表示为λ_em)被该光栅结构透射。在这里，n1和n2是波导120(例如玻璃)和包围衬底的介质(例如空气)的折射率；θ₁ ^λ为具有波长λ(即λ_ex)的光线相对于波导结构内部用附图标记127表示的表面法线的角度；θ₂为光栅结构正上方的空气中的发射16光线的方向；p为光栅间距112；ε表示要由光学传感器100收集的发光光线的发散度。

对于激发波长λ，可以写下方程：

n₁sin(θ₁ ^λ)＝n₂sin(θ₂)±λ/p；n₂＝1；θ₂＝0

n₁sin(θ₁ ^λ)＝±λ/p

对于发射波长λ+Δλ，可以写下方程：

n₁sin(θ₁ ^λ+Δλ)＝n₂sin(θ₂)±(λ+Δλ)/p

n₁sin(θ₁ ^λ+Δλ)＝ε±(λ+Δλ)/p；ε＝n₂sin(θ₂)

其中ε为说明发光的发散度的小的数量(ε＞0)。对于激发波长，第一级存在(用于光的内耦合)。对于发光波长，只有0级存在：结果，所有发光被波导透射。

因此：

λ/(p.n₁)＜1

并且

$|\mathrm{\ϵ}/n_1\±(\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\λ})/(p.n_1)|>1\⇒(\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\λ})/(p.n_1)-\mathrm{\ϵ}/n_1>1$

因此：p＞λ/n₁

并且

p＜(λ+Δλ)/(n₁+ε)

因此，光栅间距必须处于范围Δp内：

Δp＝(λ+Δλ)/(n₁+ε)-λ/n₁；Δp＞0

对于ε＝0：Δp＝Δλ/n₁

这对于ε施加了最大值：ε＜n₁·Δλ/λ

因此，存在最大接受角θ₂，使得对于低于该最大值的角度，不出现较高级次的衍射，并且所有光在0级衍射级透射：

θ₂＜θ_2，max＝arcsin[(n₁/n₂)·Δλ/λ]

举例而言，当λ＝650nm，Δλ＝65nm，n₁＝1.5，n₂＝1并且ε＝0时，那么θ_2，max＝8.6°；对于更大的角度，光也耦合到更高的衍射级。Δp＝43.3nm；p因而可以处于大约433-477nm的范围内。对于p＝450nm的光栅间距，用于激发光(波长λ)的入射角为

在波导顶侧(光栅处于其中)反射的次数为N_refl

N_refl＝2.w/(2h.tan(θ))＝(w/h)/tan(θ)

对于每次反射，光栅透射入射强度的小部分T。

耦合到第一级的总光量为I^1st：

$I^{1\mathrm{st}}=I_{0}T+I_0(1-T)T+I_0{(1-T)}^{2}T+I_0{(1-T)}^{3}T+...+I_0{(1-T)}^{\mathrm{Nrefl}}T=$

$=I_{0}T\·[1+(1-T)+{(1-T)}^2+...+{(1-T)}^{\mathrm{Nrefl}}]=I_{0}T\underset{n=0}{\overset{\mathrm{Nrefl}}{\mathrm{\Σ}}}{(1-T)}^n=I_{0}T\frac{1-{(1-T)}^{\mathrm{Nrefl}+1}}{T}=I_0[1-{(1-T)}^{\mathrm{Nrefl}+1}]$

w＝20mm，h＝1mm，θ＝74°，T＝10％：N_refl＝5.7x；总外耦合效率I_1st/I₀＝50.6％。

w＝20mm，h＝1mm，θ＝74°，T＝5％：N_refl＝5.7x；总外耦合效率I_1st/I₀＝29.9％。

因此，在一个实施例中，光栅110特别地被设计成使得第一衍射级在垂直于传感器波导表面122的方向上向外耦合。光栅110还可以被设计成透射由激发的分析物10产生的发射光16，使得可以使用传感器100的朝向检测器的波导表面123处的检测器140对该光16成像。

在一个特定实施例中，激发光23的预定波长选自大约550-700nm的范围。在另一特定实施例中，衍射光栅110具有大约400-600nm，尤其是大约400-500nm的范围内的光栅间距112。

此外，在一个特定实施例中，衍射光栅110可以特别地被设计成使得西塔(theta)θ_2，max尽可能大，例如至少5°，更特别地在5-25°的范围内，尤其是在5-15°的范围内。

检测器和另外的光学元件

波导120还被设置成在检测器140的方向上经由朝向检测器的波导表面123(作为外耦合发射143)向外耦合内耦合发射光12的至少一部分。

检测器140可以例如包括CCD或CDMOS检测器或者光电二极管。在一个特定实施例中，检测器140被设置成检测具有选自大约650-900nm范围的波长的光。

发射16，更特别地外耦合发射143的检测进一步可以通过在朝向检测器的波导表面123与检测器140之间，即在朝向检测器的波导表面123的下游和检测器140的上游设置一个或多个光学元件而变容易和/或被优化。

光学元件(其可以包括多个光学元件)在图1中用附图标记130表示。所述一个或多个光学元件130可以选自包括滤光器131、偏振器132和微透镜阵列133的组。

操作

依照本发明的光学传感器100可以用来检测分析物10。因此，依照另一方面，本发明也提供了用于利用光学传感器100的实施例测量分析物10的发射光16的方法。该方法包括将来自光源20的光21耦合到波导120中以及利用从波导120向外耦合的激发光23照射分析物10。为了理解起见，这进一步示意性地示于图2a。测量了发射或发光后，可以执行该发射或发光的进一步分析。

所述方法还包括允许发射光16(来自分析物10)作为内耦合发射光12耦合到波导120中，并且还包括允许该内耦合发射光12的至少一部分在光学检测器140的方向上作为波导外耦合发射光143向外耦合。该方法还包括然后由光学检测器140检测波导外耦合发射光143的至少一部分。为了理解起见，图2c中进一步示意性地示出了该方法或过程。

如技术人员所已知的，根据分析物发光的衰减时间，激发和发射可以基本上同时地发生。应当指出的是，在图2a和图2c中，光学元件130分别包括朝向检测器的波导表面122下游的第一微透镜阵列133(1)、其下游的滤光器131、其下游的偏振器132以及其下游的第二微透镜阵列133(2)。这些微透镜阵列可以用来将外耦合发射光143聚焦到检测器140上；滤光器131可以用来滤除不希望的光，例如可能到达检测器140的激发光21的部分；并且偏振器可以用来滤掉线栅衬底(同样参见下文)上方的体积中产生的潜在发光。

滤光器131的目的尤其是阻挡不希望的激发辐射。波长滤波器或滤光器131优选地应当对于激发光表现出优选地优于两个数量级的强抑制，但是优选地应当对于发射光基本上不表现出抑制。发光的透射优选地可以优于10％并且更优选地可以优于50％。

如上所述，分析物10可以包含在生物样本中，其可选地利用发光标记或标签标记。可以通过使用依照本发明的光学传感器100并且通过利用倏逝光场照射分析物10就发光特性研究(即分析)这样的分析物10。

线栅衬底和套件

特别有利的是使用结合依照本发明的光学传感器100的线栅或线栅衬底。图2a-2c中示意性地绘出了这种线栅衬底并且用附图标记200表示。图2b中示意性地绘出了线栅200的细节。在这里，线栅200也表示为线栅衬底200。

线栅衬底200可以包括透明衬底201，该透明衬底可以由上面(针对波导120)说明的透明材料中的一种(或多种)(例如玻璃或珀思配克斯有机玻璃(Perspex))组成。

线栅衬底200具有表面222，该表面222包括光栅结构或线栅220。基本上由平行(金属)导线或结构221组成的该线栅220具有这些平行导线或结构221之间的间距212。典型地，平行导线或结构221(也表示为狭缝)之间的宽度或间距212小于大约λ_ex/(2n)，其中λ_ex是激发光23的波长并且n是线栅衬底200的平行导线或结构221之间的介质(例如水)的折射率。因此，n在这里特别地处于大约1.3-1.6的范围内。在另一实施例中，线栅间距212选自大约30-350nm的范围，特别是在大约55-70nm的范围内。在导线221之间存在槽。倏逝光场可以在这些槽之间产生。线栅在本领域中是已知的。本领域技术人员还可以根据“Wire-grid diffraction gratings used as polarizing beam splitter forvisible light and applied in liquid crystal on silicon”，M.Xu，H.Urbach，D.de Boer，and H.Comelissen；Optics Express，Vol.13，Issue 7，pp.2303-2320和WO2006/136991得到有关线栅衬底的信息。

特别地，线栅衬底200在栅格模式220的平行结构或导线221之间设有捕获探针210，即其设置在透明衬底201的表面222上且附接到该表面222。这些捕获探针210被设置成捕获预定的分析物10。通过这种方式，平行导线221之间创建的倏逝场基本上只激发由捕获探针210附接到表面222的分析物10。

因此，在一个实施例中，线栅衬底200还包括附接到线栅衬底200的表面222的捕获探针210。捕获探针210特别地为将分析物10固定到线栅衬底200的表面222的装置。捕获探针210在本领域中是已知的。

未在线栅220的导线之间的倏逝场中产生，因而在线栅220上方的(液体介质202的)体积中产生的不希望的发光由于倏逝场的原因而可能具有垂直于激发23产生的发射光16的偏振。因此，通过使用偏振器132(参见上文)，可以滤掉不希望的体积发射。此外，激发光23优选地平行于线栅220的导线221而偏振。这种偏振可以通过使用偏振的激发光和/或在线栅衬底200的透明衬底201的上游提供一个或多个诸如偏振滤波器之类的偏振器来获得。偏振在本领域中是已知的，并且未在示意性附图中绘出。

在示意性附图2a-2c中，包含分析物10的液体介质202在线栅衬底200上。例如，这可以是薄膜。在图2c中，绘出了体积中的分析物10以及由捕获探针210捕获的分析物10。液体介质表面用虚线表示。

因此，在一个特定实施例中，光学传感器100被设置成通过线栅衬底200的透明衬底201从下面激发分析物10，尤其是由捕获探针210捕获到透明衬底201的表面222的分析物10，并且被设置成由传感器140感测这些分析物10的发射16。

因此，在一个实施例中，本发明也提供了进一步包括线栅衬底200的光学传感器100，其中分析物10包含在线栅衬底200上的液体介质202中，其中线栅衬底200含有具有线栅间距212(也参见上文)的栅格模式220，其中线栅衬底200和光学传感器100进一步被设置成让传感器波导表面122在上面并且线栅衬底200邻近传感器波导表面122，其中线栅衬底200被设置成邻近传感器波导表面122，并且其中线栅衬底200被设置成基本上平行于传感器波导表面122。措辞“其中分析物10包含在线栅衬底200上的液体介质202中”表示在使用光学传感器100期间，分析物10可以包含在这样的液体介质202中。然而，光学传感器100以及光学传感器100和线栅衬底200以及可选地还有光源20的组合并不限于其中可以存在分析物10的使用期间的配置。

在另外的实施例中，波导120为基本上平坦的结构，传感器波导表面122和朝向检测器的波导表面123基本上平行，其中光输入波导表面121是波导的基本上垂直于传感器波导表面122和朝向检测器的波导表面123的表面，其中光学传感器100包括光源20，其中光源20被设置成向光输入波导表面121提供光21，其中光学传感器100被设置成测量来自分析物10的发射光16，并且其中从下面向线栅衬底200提供激发光23。检测器140也可以设置在波导120下面并且因而可以从下面进行测量。本领域技术人员应当清楚的是，线栅衬底200和分析物10特别地将在设备100的操作期间以上面描述且在这里绘出的方式设置。

因此，在一个实施例中，提供了一种平坦的波导120，其能够在垂直于传感器波导表面122的方向上发射辐射22并且能够利用可选地设置在波导120与检测器140之间的一个或多个透镜133、一个或多个光谱滤波器131以及一个或多个偏振滤波器132接受和透射辐射16到检测器140，优选地平坦的检测器140。这种检测器140特别地设置在传感器波导表面122的对面(即平坦的检测器基本上与传感器波导表面122平行)，并且尤其使得波导120设置在分析物10与检测器140之间。

光学传感器100特别地被设置成利用分析物10读出线栅衬底200。

因此，在一个特定实施例中，具有包含衍射光栅110的传感器波导表面122的波导120被设置成允许内耦合光22的全内反射，并且进一步被设置成允许光22的一部分(尤其是在第一级)作为具有预定激发波长的激发光23经由传感器波导表面122基本上垂直于该传感器波导表面122地向外耦合，并且进一步被设置成允许具有预定发射波长的发射光16作为内耦合发射光12经由传感器波导表面122耦合到波导120中。

更特别地，光源20和具有包含衍射光栅110的传感器波导表面122的波导120被设置成被设置成允许来自光源20的内耦合光22的全内反射，并且进一步被设置成允许光22的一部分(尤其是在第一级)作为具有预定激发波长的激发光23经由传感器波导表面122基本上垂直于该传感器波导表面122地向外耦合，并且进一步被设置成允许具有预定发射波长的发射光16作为内耦合发射光16经由传感器波导表面122耦合到波导120中。

甚至更特别地，光源20和具有包含衍射光栅110的传感器波导表面122的波导120被设置成被设置成允许来自光源20的内耦合光22的全内反射，并且进一步被设置成允许光22的一部分(尤其是在第一级)作为具有预定激发波长的激发光23经由传感器波导表面122基本上垂直于该传感器波导表面122地向外耦合——其中激发光23是线性偏振的，并且进一步被设置成允许具有预定发射波长的发射光16作为内耦合发射光16经由传感器波导表面122耦合到波导120中。

因此，光学传感器100可以特别地被设置成测量分析物10的发射，并且可以甚至更加被设置成测量设置在专用线栅200上的这种分析物10。因此，线栅10和光学传感器100的组合也是本发明的部分。

因此，在本发明中，激发源，在这里为与光源20相结合的波导120以及检测器140位于要检测或感测的分析物10的相同侧，特别是线栅衬底200的相同侧。

因此，本发明也提供了一套部件，其包含如本文所描述的光学传感器100和一个或多个如本文所限定的线栅衬底200，尤其是多个这样的线栅衬底200(例如10-1000个)以及可选地一个或多个包含如本文所限定的介质液体介质202的容器，所述液体介质例如(脱矿质的)水或商业上可获得的溶液，其包含可以用于标记分析物10的标签。

依照本发明实施例的光学传感器100特别地可以用来测量生物分析物的发光。因此，光学传感器100也可以表示为光学生物传感器100。

实例

对于若干配置，确定特定光学传感器100的光学特性。为了理解起见，给出一个实例。

使用严格耦合波计算，已经设计了向外耦合激发波长为650nm的光并且透射发射波长为715nm(10％的红移)的光的光栅。使用了450nm的光栅间距，周期性结构具有总高度为420nm的锯齿(闪耀)形状。看起来对于所说明的激发波长，大约9％的光在第一级向外耦合，而对于所述发射波长而言，对于大多数入射角可以获得100％的透射。对于大的入射角(大于例如10度)，由于更高级次衍射级的出现，0级衍射效率开始降低。

本领域技术人员应当理解本文中例如“基本上所有发射”中或者“基本上包括”中的措词“基本上”。措词“基本上”也可以包括带有“整个”、“完全”、“所有”等等的实施例。因此，在实施例中，也可以移除形容词基本上。在适用的情况下，措词“基本上”也可以涉及90％或更高，例如95％或更高，特别地99％或更高，甚至更特别地99.5％或更高，包括100％。措词“包括”也包含其中措词“包括”表示“由......组成”的实施例。

此外，说明书和权利要求书中的措词第一、第二、第三等等用于区分相似的元件并且不一定用于描述连续的或者按时间先后的顺序。应当理解的是，这样使用的措词在适当的情况下可以互换并且本文描述的本发明实施例能够以不同于本文描述或示出的其他顺序操作。

本文的设备尤其是在操作期间，例如在激发分析物期间加以描述的。本领域技术人员应当清楚的是，本发明并不限于操作方法或操作中的设备。

应当指出的是，上述实施例说明了而不是限制了本发明，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求书的范围的情况下应当能够设计出许多可替换的实施例。

特别地，即使上面描述的本发明涉及测量从分析物辐射的发射光(例如荧光、化学发光等等)，它也适用于本领域中已知的其他种类的光，比如来自分析物的反射光或散射光。

举例而言，本发明的设备可以有利地用在基于FTIR(受抑全内反射)的生物传感器中，其中检测在很大程度上基于测量从生物传感器表面(即其中出现分析物)反射的光。

在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记都不应当被视为限制了权利要求。动词“包括”及其变体的使用并没有排除存在权利要求中未陈述的元件或步骤。元件之前的冠词“一”并没有排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件以及借助于经过适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的一些可以由同一硬件项实施。在相互不同的从属权利要求中陈述了特定的技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。

Claims (10)

1.一种由光学传感器(100)和线栅衬底(200)组成的组件，用于测量在光激发时从分析物(10)辐射的光(16)，该光学传感器(100)包括具有前面和背面的平坦的波导(120)以及光学检测器(140)，其中该波导(120)包括：

a.光输入波导表面(121)，其被设置成将来自光源(20)的光(21)耦合到波导(120)中；

b.传感器波导表面(122)，其设置在所述前面处以便将内耦合光源光(22)的至少一部分作为激发分析物(10)的激发光(23)向外耦合，并且被设置成将从分析物(10)辐射的光(16)的至少一部分作为内耦合发射光(12)耦合到波导(120)中；

c.朝向检测器的波导表面(123)，其设置在所述背面处，基本上与传感器波导表面(122)平行，并且被设置成在光学检测器(140)的方向上将内耦合发射光(12)的至少一部分作为波导外耦合发射光(143)向外耦合；

其中光学检测器(140)被设置成检测波导外耦合发射光(143)的至少一部分，

其中传感器波导表面(122)包含衍射光栅(110)，该衍射光栅(110)被设置成向外耦合基本上垂直于传感器波导表面(122)的第一级衍射的具有预定波长的激发光(23)，并且

其中线栅衬底(200)在所述前面一侧基本上平行于且邻近衍射光栅(110)延伸，使得从所述衍射光栅向外耦合的光可以经由该线栅衬底激发分析物(10)。

2.依照权利要求1的组件，其中激发光(23)的预定波长选自550-700nm的范围。

3.依照权利要求1-2中任何一项的组件，其中衍射光栅(110)具有400-500nm范围内的光栅间距(112)。

4.依照权利要求1-2中任何一项的组件，其中在朝向检测器的波导表面(123)的下游和检测器(140)的上游，光学传感器(100)还包括一个或多个选自包括滤光器(131)、偏振器(132)和微透镜阵列(133)的组的光学元件(130)。

5.依照权利要求1的组件，其中光输入波导表面(121)基本上垂直于传感器波导表面(122)和垂直于朝向检测器的波导表面(123)。

6.依照权利要求5的组件，还包括光源(20)，其中光源(20)定位在光输入波导表面(121)一侧。

7.依照权利要求1的组件，还包括包含在线栅衬底(200)上的液体介质(202)中的分析物(10)，线栅衬底(200)包括具有一定表面的透明衬底(201)，该表面包括具有线栅间距(212)的栅格模式(220)，其中激发光(23)具有预定波长(λ_ex)，并且其中栅格模式(210)的线栅间距(212)等于或小于λ_ex/2n，其中n为介质(202)的折射率。

8.一种用于利用依照前面的权利要求中任何一项的组件测量在光激发时从分析物(10)辐射的光(16)的方法，该方法包括：

a.提供所述组件；

b.提供所述分析物；

c.将来自光源(20)的光(21)耦合到波导(120)中；

d.利用从波导(120)和所述衍射光栅向外耦合的激发光(23)照射分析物(10)，并且允许从分析物辐射的光(16)作为内耦合光(12)经由该衍射光栅耦合到波导(120)中；

e.在光学检测器(140)的方向上将内耦合光(12)的至少一部分作为波导外耦合光(143)向外耦合，并且由光学检测器(140)检测波导外耦合光(143)的至少一部分。

9.依照权利要求8的方法，其中分析物(10)是生物样本，并且其中该生物样本可选地利用发光标记或标签标记。

10.依照权利要求8-9中任何一项的方法，其中利用激发光经由线栅衬底照射分析物(10)并且从而激发该分析物包括：利用倏逝光场照射分析物(10)。

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