CN103782155B - 具有多个传感器区域的光学生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学传感器设备（100），其包括用于生成对应的传感器区域（111）的原像的多个物镜（152）。然后利用中间光学器件（153）将原像映射到探测器平面（154）上，特别是图像传感器的敏感平面上。

Description

具有多个传感器区域的光学生物传感器

技术领域

本发明涉及光学传感器设备，特别是生物传感器，其包括将被以光探测器来观测的多个传感器区域。

背景技术

根据WO2010/150167A1已知前述种类的生物传感器。在已知生物传感器中，多个小透镜（lenslet）以阵列布置，用于将通过受抑全内反射生成的入射平行光束聚焦到图像传感器的传感器平面上。以此方式能够实现未受到场曲扭曲的均匀图像。然而，探测NA非常低并且获得的图像具有低的分辨率。

发明内容

本发明的目的是提供具有改进的设计的光学传感器设备，特别是容许以高分辨率观测多个传感器区域的设计。最优选地，光学性质应当容许探测单个磁珠。

此目的通过根据权利要求1和权利要求2的光学传感器设备来实现。优选实施例公开于从属权利要求中。

根据本发明的光学传感器设备通常可以用于任何感兴趣的感测目的。特别是，其可以用于样品的光学调查，例如用于探测生物样品中的目标成分。传感器设备包括以下组件：

a）多个（N>1）传感器区域，即将被光学观测或处理的区域。典型地，传感器区域可以是其中能够被提供样品的腔或室。此外，这些腔或室优选地容纳于可交换的盒中。

b）多个（N>1）物镜，所述多个物镜布置成使得每一个物镜生成前述传感器区域之一的图像。为参考目的，这些不同的图像以下将被称作“原像”。今后，术语“物镜”将通常标记生成物的真实光学图像的光学系统。通常，每一个物镜将生成一个并且仅一个感测区域的原像，并且每一个物镜将对其它的物镜以外的另一个传感器区域进行成像。

c）具有光敏探测器平面的光探测器，所述原像被映射到所述光敏探测器平面上。光探测器可以包括能够用以探测给定谱的光的任何合适的单个传感器或多个传感器，例如光电二极管、光敏电阻、光电池、CCD/CMOS芯片、或光电倍增管。

根据本发明的优选实施例，光学传感器设备还可以包括将所述物镜生成的原像映射到所述探测器平面上的光学器件。因为这些光学器件布置在探测器平面与物镜之间的光路中，所以以下将这些光学器件称为“中间光学器件”。在此实施例中，在物镜和中间光学器件之间存在任务的划分，其容许小型化物镜，使得使它们能够彼此靠近并且能够对独立的小传感器区域进行成像。

描述的光学传感器设备具有如下优点：即使传感器区域彼此非常靠近并且在宽的视场上延伸，光学传感器设备也容许生成传感器区域的高分辨率图像。这通过使用用于传感器区域的原成像的专用物镜和通过将这些原像投射（可选地利用中间光学器件）到公共探测器平面上来实现。应当注意，不要求物镜的入射光平行，即例如在暗场照明的情况下，也能够对传感器区域进行成像。

如果至少一个（优选地所有）物镜的数值孔径NA>0.1，优选地NA>0.25，则实现了物镜的高光学分辨率。利用这些NA值，分辨约1μm（或严格地讲，0.6λ/NA）的结构，例如标记生物目标成分的顺磁珠，是可能的。

可以映射至少一个原像，使得其填充整个探测器平面。因而，能够最佳地利用探测器的空间分辨率（例如，由可用像素的数量给出）。优选地，以此方式将所有原像映射到整个探测器平面上。在此实施例中，典型地将要求容许图像之间的区别的一些手段（例如通过颜色或通过照明复用）。

根据另一实施例，将至少两个原像映射到所述探测器平面的无交叠区域上。优选地，将所有原像映射到所述探测器平面的相互无交叠的区域上。因此，能够实现独立的图像的同时观测。

在最简单的情况下，物镜由仅仅一个单个的（聚焦）透镜构成。然而，优选地，至少一个物镜由多个透镜，特别是球面和/非球面透镜，构成。这容许以较高数值孔径生成较高质量的图像。

根据本发明的另一实施例，至少两个（优选地所有）物镜包括以形成的透镜。以此方式，实现具有高精度的其相互布置的小型化物镜是可能的。

中间光学器件可以适于将所有N个原像同时映射到探测器平面（的区别子区）上。在另一实施例中，中间光学器件包括用于选择性地将不同组（n<N）原像映射到所述探测器平面上的复用单元。作为极端情况，能够将一个单个的原像接着另一个原像映射到探测器平面上，优选地使得其完全填充所述平面。以此方式，能够最佳地利用探测器平面的分辨率。能够例如通过照明源的时分复用和/或波分复用来获得不同组原像之间的区分。

中间光学器件可以包括实现其功能的不同的光学元件。这些元件可以包括例如镜子的反射元件、例如楔状结构或棱镜的折射元件、和/或如光栅的衍射元件。这些光学元件可以布置成使得合适地将原像组（1≤n≤N）映射（例如，以无交叠方式）到探测器平面上。

光学传感器设备可以进一步包括光源，例如激光器或发光二极管（LED），用于生成被朝向传感器区域引导的入射光束，入射光束在该传感器区域例如发生全内反射和/或散射。

前述光源可以可选地适于选择性地照明分离的传感器区域。其可以例如包括能够选择性地开通和关闭并且将光发射到不同的传感器区域上的多个独立的发光元件。替代地，可以将复用光学器件（例如，移动的镜子）布置在（单个）光源和传感器区域之间。在此实施例中，可以将当前照明的传感器区域映射到整个探测器平面上，而不会受到未照明的传感器区域的图像的干扰。

光探测器优选地包括多个独立的探测器单元，光探测器单元以下通常将称作“像素”。可以特别地通过图像传感器，例如从数字相机已知的CCD或CMOS设备，来实现该像素化光探测器。多个探测器像素容许针对调查区域以空间分辨的方式评估由输出光束包括的信息。

根据另一实施例，光学传感器设备包括图像处理单元，例如具有用于数字图像处理的关联软件的微处理器，所述图像处理单元能够处理由物镜和中间光学器件在探测器平面上生成的图像。

本发明还涉及上述光学传感器设备用于分子诊断、生物样品分析、或化学样品分析、食品分析、和/或法医分析的用途。可以例如借助于直接或间接联接至目标分子的磁珠或荧光颗粒来完成分子诊断。

附图说明

根据以下描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得明显，并且将参照这些实施例对本发明的这些和其它方面进行阐述。

图中：

图1示意性地示出了根据本发明的传感器设备的顶视图；

图2示出了图1的传感器设备的示意性侧视图；

图3是图2的光学路径的简化略图，示出了原像被映射（map）到探测器平面的无交叠区域上；

图4是对应于图3的透视图；

图5示出了根据本发明的物镜中的光线的示范性路径；

图6是传感器设备的光学路径的简化略图，其中，原像被映射到整个探测器平面上。

相似的参考数字在图中指同样或类似的组件。

具体实施方式

WO2010/150167A1（通过引用将其并入本申请中）描述了基于超顺磁纳米颗粒（今后称为珠子）的光学探测的免疫测定生物感测技术。这里，纳米颗粒的磁性质用于（i）对分析物朝向探测表面的扩散过程进行加速；以及（ii）使得能够实现磁清洗步骤，其中，在光学探测器之前从探测器区段取出未结合的纳米颗粒。为探测，可以使用受抑全内反射。此外，可以使用来自基底结合的纳米颗粒的散射光的暗场探测，也称为单珠子探测。

在提到的技术中，使用一次性塑料注入模制盒，包括例如：血液过滤器；微射流技术，用于将血浆朝向探测室输送，所述探测室包含缓冲组分和纳米颗粒；以及光学窗口，用于耦合入全内反射所需的激发光，并耦合出用于FTIR探测的受抑全内反射（FTIR）束或用于暗场探测的结合的纳米颗粒的散射光。

对于单珠子探测平台，多个免疫测定反应室的同时读取是关键的要求。然而，单珠子成像要求适度的（>0.25）至高的（>0.5）数值孔径的物镜透镜，以分辨独立的单珠子（用于生物传感器中的典型的珠子直径为约500nm）。以高的NA成像时的问题是可用的物场受到限制。例如对于标准的NA＝0.25、M＝10×显微镜物镜，可用的场直径典型地为2mm。因为多个反应室的探测要求典型地5mm的量级或更大的物场，所以不能使用标准的物镜透镜。为了能够对大的场区进行成像，人们基本上能够做两件事情：

1.通过添加更多的透镜元件和/或非球面透镜表面来增大显微镜物镜的物场。此方法的缺点是相当笨重和昂贵的物镜透镜，这对于实施手持式、低成本产品不是优选的方案。

2.对显微镜物镜场下的物体进行机械扫描。此方法的总体缺点是对致动机构和主动聚焦控制的附加需求。于是以时分复用方式，一个接一个地读取不同的反应室。然而，优选地应当在整个测定时间期间连续地读取所有室，这意指需要恒定地来回扫描盒，对功耗和系统稳定性具有负效应。

这里提出的替代途径以分立组传感器区域或室工作（最好）。根据此途径，独立地对此组传感器区域或室进行成像，每一个具有其自己的对应的小型物镜。因为待由每一个物镜成像的区在此情况下限制于典型地为500至1000μm的单个传感器区域（反应室）的尺寸，所以要求的物场也限制于此值。

图1至4示意性地示出了根据本发明的光学生物传感器设备100。生物传感器100包括两个主组件，即可去除且一次性的盒110和分析器或读取器150。盒110典型地由玻璃或塑料通过注入模制而制成并且包括能够填充有如血液或唾液的样品流体的微射流系统。在图中，仅示范性地示出了此微射流系统的四个传感器区域或反应室111。未详细示出用于传送样品、用于排出等的附加通道。

读取器150包括以对应于传感器区域111的布置的布置彼此相邻地设置（在横切它们的光轴的平面中）的多个物镜152。因此，每一个物镜152能够生成关联的传感器区域111的“原像”。然后以公共的中间光学器件153将这些原像映射或投射到探测器平面154上。这可以特别是图像传感器的像素平面，图像传感器例如是CMOS或CCD设备。将此探测器平面154中生成的图像传送至评估单元155用于进一步的处理和评估。评估单元155可以例如由具有关联的软件的微处理器来实现。

如从图3和4的光路的示意图能够清楚地看到的，将独立的传感器区域111的原像映射到探测器平面154的无交叠区域上。因此，能够同时记录和评估它们。

读取器150可以进一步包括光源156，用于以光束L照明传感器区域111。于是可以由物镜152收集由传感器区域中的目标组件散射的光。此外，读取设备150可以包括设置在盒110以下，使得能够在传感器区域111中生成磁场的磁轭151。

归因于用于均匀磁致动的扫描斑的受限制的尺寸，独立的传感器区域或反应室111之间的间隔优选地保持小。为了能够对分立组密集的（closelyspaced）反应室111进行成像，而不受到成像光学器件的阻挡，每一个物镜152的直径应当小于反应室间隔。这要求小型透镜。高的至适度的NA要求物镜具有一个以上的透镜元件。由technology of Anteryon（Eindhoven，NL）提供了对于批量制造非常有成本效益的一流方案。此晶片级制造工艺使得能够在单个玻璃晶片上实现大量的光学元件的生产。这些微光学元件能够是折射的，诸如球、柱、或自由形式的透镜或衍射光学元件。

使用这些小型级别的光学组件具有两个附加优点：

-光学像差总体上随降低的孔径尺寸变得较小。使用小孔径的晶片光学器件使得能够以仅两个，可能地三个，透镜元件（即叠置于彼此顶上的两个或三个晶片）来实现NA＝0.25的物镜透镜。此外，Anteryon的技术（使用玻璃聚合物光电复制）容许应用非球面表面，校正这些高NA处的球像差和慧差。

-因为能够将独立的物镜透镜的直径保持低，所以能够容易地将它们正好安装在单珠子生物传感器装备的马蹄型磁体下，或甚至在马蹄型磁体的两个极尖端之间（如图1和2中示出的）。

总之，本发明提出了将数毫米大的物空间划分成子空间，如图2至4中指示的。每一个子空间涵盖单个免疫测定反应室111并且由对应的小型物镜152成像。能够以两个晶片的叠层示出使用小型光学器件制作NA＝0.25的物镜透镜的可行性，该两个晶片具有四个折射表面，该四个折射表面中的三个或四个表面配备有非球面层。需要被成像的物场具有例如0.5mm的直径。最大场坐标为0.25mm并且物优选地被成像于无限远处。

图5示出了具有0.8mm的物场的示范性3元件小型物镜透镜设计（满（full）视场；无限远共轭；NA＝0.25）。要求的用于此设计的通光孔径为1.8mm，由此装配在2×2mm的正方形光学组件中。

当使用分立组物镜透镜来对物组进行成像时，将形成分立组子图像。优选地需要将这些子图像成像到单个探测器上。为此，要求一些专用探测器成像光学器件（“中间光学器件”）。此光学器件的确切的光学功能取决于：

（i）是否需要同时将独立的子图像（“原像”）成像到相同探测器上，或使用一些复用方案将每一个子图像成像到满传感器区上，复用方案例如是时分复用，其中，照明每一个探测室并顺序地读取对应的图像。

（ii）盒内的反应室的布局，例如，室是沿线（典型地8×1mm的满物场）还是在正方形（典型地3×3mm的满场）中定位。当使用具有相当修长且窄的空气间隙的马蹄型磁体时，反应室的布置将优选地沿着线。

（iii）小型物镜透镜的实际设计，以及由每一个小型物镜透镜形成的子图像的对应位置。在无限远共轭物镜透镜设计的情况下，所有（例如，四个）子图像将定位于无限远处，并且由单个探测器透镜153（“中间光学器件”）形成的最终图像将交叠于探测器平面处。

在例如时分复用的情况下，可以使用单个探测器透镜153来一个接一个地将子图像成像到探测器上。图6示出了此途径的替代实施例，其中，未使用中间光学器件。将由物镜透镜阵列152生成的原像直接映射到探测器平面154上，其中，每一个原像填充整个平面。为了在独立的图像之间进行区分，能够例如使用照明复用。

当需要同时将所有的子图像成像到探测器上时，需要将一些附加光学器件并入到物镜透镜152与探测器平面154之间的中间光学器件中，将每一个子图像重引导（即，倾斜）和放大到探测器平面上其合适的位置。对于倾斜/重引导部件，可以使用反射（镜子）以及折射（楔状结构）或衍射（例如，光栅）光学器件。在后两种情况下，可以将这些楔状结构或光栅并入到探测器透镜153中。如果同时将更多的子图像成像到探测器上，则对于恒定尺寸的探测器，最后的分辨率从而将下降，除非像素的数量也增大。

虽然已经在图样和前述描述中详细示例并描述了本发明，但是该示例和描述视为示例性或示范性的，而不是限制性的；本发明不限制于公开的实施例。本领域技术人员在实践声称的发明时，根据对图样、说明书、以及所附的权利要求的研究，能够理解并实施对公开的实施例的其它改变。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。某措施记载在相互不同的从属权利要求中的纯粹事实不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考符号不应视为限制范围。

Claims (13)

1.一种光学传感器设备(100)，包括：

a)多个传感器区域(111)；

b)多个物镜(152)，所述多个物镜(152)布置成使得每一个物镜生成所述传感器区域(111)之一的原像，

其中，所述物镜(152)中的至少一个物镜具有大于0.1的数值孔径并包括数个透镜；

c)具有作为探测器平面(154)的探测器像素的阵列的光探测器；

d)中间光学器件(153)，所述中间光学器件(153)将所述物镜(152)的原像映射到所述探测器平面(154)上，其中，将至少一个原像映射到整个所述探测器平面上；

e)光源(156)，用于生成被朝向所述传感器区域(111)引导的输入光束(L)。

2.根据权利要求1所述的光学传感器设备(100)，

其特征在于，所述物镜(152)中的至少一个物镜的数值孔径大于0.25。

3.一种光学传感器设备(100)，包括：

a)多个传感器区域(111)；

b)多个物镜(152)，所述多个物镜(152)布置成使得每一个物镜生成所述传感器区域(111)之一的原像；

c)具有作为探测器平面(154)的探测器像素的阵列的光探测器，所述原像被映射到所述探测器平面(154)上，其中，将至少一个原像映射到整个所述探测器平面上。

4.根据权利要求3所述的光学传感器设备(100)，

其特征在于，所述光学传感器设备(100)包括将所述物镜(152)的原像映射到所述探测器平面(154)上的中间光学器件(153)。

5.根据权利要求3所述的光学传感器设备(100)，

其特征在于，所述物镜(152)中的至少一个物镜的数值孔径大于0.1。

6.根据权利要求5所述的光学传感器设备(100)，

其特征在于，所述物镜(152)中的至少一个物镜的数值孔径大于0.25。

7.根据权利要求3所述的光学传感器设备(100)，

其特征在于，所述物镜(152)中的至少一个物镜包括数个透镜。

8.根据权利要求4所述的光学传感器设备(100)，

其特征在于，所述中间光学器件(153)包括用于选择性地将不同组原像映射到所述探测器平面(154)上的复用单元。

9.根据权利要求4所述的光学传感器设备(100)，

其特征在于，所述中间光学器件(153)包括反射、折射、和/或衍射元件。

10.根据权利要求1或3所述的光学传感器设备(100)，

其特征在于，所述光学传感器设备(100)包括用于生成输入光束(L)的光源(156)，所述输入光束(L)在所述传感器区域(111)处发生全内反射和/或散射。

11.根据权利要求10所述的光学传感器设备(100)，

其特征在于，所述光源(156)适于选择性地照明分离的传感器区域(111)。

12.根据权利要求1或3所述的光学传感器设备(100)，

其特征在于，所述光学传感器设备(100)包括用于处理在所述探测器平面(154)上生成的图像的图像处理单元(155)。

13.根据权利要求1或3所述的光学传感器设备(100)用于分子诊断、生物样品分析、化学样品分析、食品分析、和/或法医分析的用途。