CN104254918B - 平面样本的均匀的落射照明 - Google Patents

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Abstract

一种平面样本，特别是，在生物实验室中用来检测并且有时分析蛋白质、核酸、或者其它生物物质的二维阵列的类型的平面样本，被使用光学滤波线灯的落射照明被照射，该光学滤波线灯沿着样本阵列所在的矩形的相对的平行边而布置，在该矩形的每一边有两个同轴的线灯，并且在任何给定一边的两个线灯通过间隙而隔开，该间隙的最佳宽度取决于滤光片所透射的波带。令人惊讶的是，该间隙消除了在样本区域中心处的强度的峰值以及采用单独的连续的滤波的线灯所产生的从中心向外的降低，从而替代地产生了沿着平行于线灯的方向的大致均匀的强度。

Description

平面样本的均匀的落射照明
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2012年2月29日递交的美国临时专利申请No.61/604,946的优先权，在此全文引用作为参考。
背景技术
在生物实验室中，DNA和蛋白质的研究经常涉及中到大面积的平面样本的荧光成像，诸如范围从5cm×5cm到26cm×26cm。这些样本的常见例子是电泳凝胶和印迹膜。根据样本矩阵和矩阵内的期望被检测的物种，成像通常是通过包括不同波长的激发光源的基于照相机的仪器来实施。例如，凝胶对于紫外线(UV)、可见光和近红外(NIR)光来说基本上是透明的，并且可以在“反式”模式下，即通过透照器，使用来自下面的光从上面检测到。透照法通常使用UV-B光结合阻隔可见范围波长并透射UV波长的滤光器来执行、或者使用磷光转换板、塑料光转换板、或者二者同时结合来执行，以将UV光转换成可见光。这些板的示例为Bio-Rad实验室股份有限公司(美国加州Hercules市)的XCITABLUETM转换屏幕，以及UVP有限责任公司(美国加州，Upland市)的紫外/白光转换屏幕。在“落射照明(epi-illumination)”模式中，凝胶也可以从上面照明，即，与执行检测相同的一侧。通常使用经滤光的光源来执行落射照明，该光源可以是灯泡或者LED。污点样本例如是在UV、可见和近红外范围中光学不透明的，并且必须采用落射照明。
落射照明成像系统由Bio-Rad实验室股份有限公司、富士制造美国股份有限公司(美国南拉罗莱纳州格林伍德)、GE Healthcare Bio-Sciences股份有限公司(美国新泽西州皮斯卡塔韦)、Syngene公司(美国马里兰州弗雷德里克)和美国ProteinSimple公司(美国加州圣克拉拉)售卖。虽然发光二极管(LED)和灯泡都可以使用，但是LED受到高度青睐，因为其提供高频谱纯度和强度。然而，LED照明器产生的照明是高度非均匀照明，从样本的中心到边缘，通常强度径向的减少达到90％或者更多。这就提出了一个挑战，因为非均匀的样本照明导致相应的非均匀的样本信号，所以必须采用校准样本和软件，通过平场扫描使其均匀。平场扫描技术还用于移除透镜滚降和滤光片滚降的影响，均利用角度。单独的技术，诸如平场扫描技术，不能很好地配置以解决所有三个影响——照明的非均匀性、透镜滚降，以及滤光片滚降。因此，我们需要的是一种实现高度均匀照明、在平场扫描技术中消除透镜滚降和滤光片滚降的问题的装置，其可更有效地解决这些问题。
发明内容
本发明至少部分地起源于一发现：当LED线灯与光学带通滤光片结合使用作为通常的光源时，并且当其首尾相连地布置以延伸照明区域的长度时，LED线灯沿着其结合的长度不产生均匀的光强。相反，在两个线灯之间的接合区域中产生的强度明显高于在邻近区域中产生的光强。因此人们发现，通过在两个线灯之间布置间隙，间隙中没有光源，这种非均匀性可以大大地减小或者消除。结果是两个相邻并且同轴的线灯由间隙隔开，当布置在一个平面样本上面足够的距离，以照明整个样本时，尽管有间隙，沿着其结合的长度产生的照明基本上是均匀的。通过在相同的高度和距离，布置一对线灯在样本的上面和一边，布置另外一对线灯在样本的上面和另外一边，就获得了横向上也就是垂直于线光的线的方向上的强度的均匀性。虽然每一边单独地产生从样本区域的靠近光源的一边至另外一边减少的强度，来自于两边的结合的照明通过相对方向的叠加梯度相互补充，从而获得至少基本上均匀的总和。
本发明的更多的特性、方面、目的和实施例将从下文的描述中得到体现。
附图说明
图1是根据本发明的落射照明器(epi-illuminator)的示例的透视图。
图2是图1的落射照明器的顶视图。
图3是图1的落射照明器的垂直剖面图。
图4是图1的落射照明器的线灯的多个位置的视图。
具体实施方式
高强度LED线灯可从多个供应商获得。示例是美国新泽西州巴林顿的埃德蒙光学公司、美国新罕布什尔州萨勒姆的ProPhotonix有限公司和美国福蒙特州罗切斯特的先进照明有限公司。典型的LED线灯是单个LED的线性阵列，阵列中每一对相邻的灯以大约0.5mm的间隔等间距布置。然而，在本发明的某些实施例中，单个LED之间不均匀的间距是有益的，例如在成对的线灯的外端，强度发生显著的降低时(强度“衰减”)。在外端方向上减少的间距可补偿这种降低，以确保沿着两个线灯的全部结合长度，强度持续保持一致，除了两个线灯之间的间隙区域之外。间距的变化可通过常规实验很容易地确定。
每个单独的线灯的长度可以不同，而且对本发明来说不是关键，也不影响共轴的线灯之间间隙的最佳宽度。影响长度选择的因素通常为需要照明的样本的尺寸和商用线灯的长度。对于大多数电泳凝胶和印迹膜，线灯的长度从大约50mm至大约500mm就足够了，或者可选地，从大约75mm至大约150mm。一个示例为线灯的长度为100mm。
虽然由于可用的线灯的长度以及平面样本的典型的尺寸，在样本的每一边上的单独一对线灯就足够了，但是本发明并不限于每一边单独一对，而是在每一边用两对或者更多，在每一对相邻的线灯之间具有上文所述的间隙。
相邻并且同轴的线灯之间的间隙将是这样的宽度，其将使得间隙的任一边上的线灯产生对样本区域的照明，该照明沿着与线灯平行的方向基本上强度一致。该宽度可根据线灯和样本之间的距离变化，并且该宽度还可根据光谱中滤光器通带的位置变化。在波段集中在较短波长的情况下，较小的间隙提供最好的结果，并且在波段的吸收曲线相对较窄的情况下，为此可能同样需要较小的间隙。因此，绿色的滤光器比红色的滤光器需要较小的间隙，蓝色的滤光器需要比红色和绿色滤光器都要小的间隙。对于产生集中在625nm的波段的红色的滤光器，例如在大多数情况下，宽度在大约70mm至大约110mm，可获得最好的结果，在许多情况下，可从大约80mm至大约85mm。
在某些情况下，可包含遮光的挡板以进一步提高光强的均匀性，特别是在间隙区域，通过遮蔽来自线灯的光的一部分进入样本区域的中心区域。挡板例如可放置在线灯的内端，也就是紧靠间隙，朝向样本区域的中心线凸出。对于宽度在大约70mm至大约110mm的间隙来说，每个挡板可向前延伸在大约2cm至大约5cm的范围内的距离。在相距更紧密的间隙情况下，更加需要挡板。
对于落射照明，线灯将在样本区域的上方和侧方，为同样布置在样本区域的上方的成像部件留出通向样本区域的入口。线灯的光将因此以锐角照射到样本区域，从而需要如上文所述的对称布置在样本两边的线灯，也就是，在每一边的同轴的线灯对，每个同轴对的两个构件之间具有间隙。在两边的所有线灯都是平行的，并且对于矩形的、有两个相对的平行侧边的样本区域来说，所有的线灯都与样本区域的侧边平行。每个线灯与样本区域之间的距离可依据样本区域的中心线来表示，也就是位于样本区域内的与样本区域的两个平行的侧边平行，并且为位于中间的直线。虽然每个线灯和该中心线之间的距离可以变化，对于所有的线灯来说它通常是相同的，并且在大多数情况下，当该距离为大约10cm至大约25cm时可以获得最好的结果。为了在横穿线灯的轴的方向获得均匀的强度，线灯相对于样本区域对称地布置。一旦线灯被布置为沿着横向方向获得其强度的互补的效果，则每个线灯和中心线之间的距离，以及每个线灯相对于样本区域平面的角度可以变化，而仍然保持均匀性。这可以通过保持对称布置并且通过限定沿着双曲线位置的变化来获得。因此，在垂直于灯的轴的方向，与线灯和样本区域相交的平面将在三个点与这些轴和样本区域的中心线相交，并且由这三个点定义的双曲线描绘出了线灯可布置的位置。
根据样本中的荧光团、类型和在光学检测和用户选择之前在样本上执行的试验的要求，可以使用任何不同的光学带通滤光片，。用于滤光片的透射波长的范围的示例为大约460nm至大约480nm，大约520nm至大约540nm，大约615nm至大约635nm，大约670nm至大约690nm，以及大约760nm至大约780nm。在这些波长范围的适于线灯的细长的滤光片是商业可得到的，例如多色滤光片，例如安装在旋转的转台上，允许用户根据单独的应用做出选择。不同颜色的滤光片可被安装在上文提到的抛物线的不同高度。可通过在光密度滤光片和样本区域之间增加渐变中密度滤光片，以进一步使由滤光片透射的光精细化，包括强度的均匀性的进一步增强。
未经滤光的线灯将产生横跨整个180度角度的光输出，但是光学带通滤光片通常将该角度减小到40度，相当于光学20度(也就是在光束的轴两侧各20度)。在很多情况下，来自滤光片的光的功能角度为30度，或者光学15度。本发明人发现，当使用长度至少为50mm的线灯时，该功能角度的减小导致强度在相对于线灯端部的中心显著变大，以及中心和端部之间强度的梯度，该差异和梯度比观察到的未使用滤光器的线灯相比，明显地增大。
线灯将被布置为以使与矩形的样本区域形成楔形的角度，并且为了获得最佳的效果，该楔形角度将等于或者小于从自滤光片射出的光的功能角度。该射出的光将因此照射功能角度内的整个样本区域。该楔形角度自身是可根据滤光片的选择以及样本区域的尺寸可变的。在大多数情况下，该楔形角度在从大约15度至大约30度范围内，将获得最好的结果。
通过在每个线灯和样本区域之间，或者在滤光片和样本区域之间，布置发散透镜，可获得进一步的变化。双凹面的或者平凹的透镜可调整或者优化光强曲线。对本领域技术人员来说，进一步的变化是显而易见的。
图1是示出了本发明的一个说明性的实施例的落射照明器11的顶部透视图。照明器具有平面平台12，指定的样本区域13位于该平面平台的区域内，样本区间具有两个相对的平行边14、15。样本区域的两侧具有两个向上升高的支架或者支撑件16、17，上面安装有线灯21、22、23和24。照明器的平面图示出在图2中。线灯21、22、23和24的每一个都被布置为平行于样本区域相对的两边14、15，每一边具有一对线灯，在每一对中的两个是同轴的，并且如上文所述的一样由间隙25、26隔开。
图3是照明器的垂直截面图，示出了四个线灯中的两个21、23，与每个线灯相关联的光学带通滤光片35、36，以及从滤光片穿过的光的楔形角37、38。如图所示，由于光必须穿过更远的距离，从每个单个的线灯照射到样本区域的光的强度从样本区域的近侧至远侧是减小的，并且由于来自位于相对侧的线灯的强度在相对的方向减小，两个强度梯度互相抵消掉，提供了样本区域沿着从左到右方向整个宽度的均匀的强度。图4示出了通过在不同的高度44、45、46布置线灯获得的多个不同的楔形角41、42、43。每个楔形的顶点表示从滤光片射出的光。如上文所述，如果过滤的线灯以这样的方向指向，以使楔形角包含样本区域的整个宽度，在沿着抛物线47保持的过滤的线灯的位置将获得导致沿着样本区域的的均匀的强度的互补。
在本文的权利要求中，术语“一个”或者“一个”意欲表示“一个或者多个”。术语“包括”以及其变体例如“包括”或者“由……组成”，当在步骤或者元件的列举之前时，意欲表示更多的步骤或者元件的添加是可选的，不被排除的。所有的专利、专利申请以及其它本文中引用的印刷的的参考资料都在本文全文引用作为参考。任何这里引用的参考资料或者任何通常的现有技术与本说明书明确教导之间的差异期望得利于本说明书的教导而得到解决。

Claims (29)

1.一种用于平面样本的落射照明器，所述落射照明器包括：
平面平台，其上具有用于容纳所述平面样本的指定的样本区域；
LED线灯，当所述平面平台是水平时所述LED线灯被安装在所述平面平台上方，沿着且平行于所述样本区域的两个相对的平行的边中的每一个边放置至少两个所述线灯，并且每一个所述线灯和所述样本区域之间有一带通滤光片，每一个所述线灯边布置为通过所述带通滤光片产生一楔形光束，所述楔形光束与所述样本区域以锐角相交并且在所述线灯的横切的方向上横跨所述样本区域，在所述样本区域的相对的边上的线灯互相补充以产生所述样本区域的组合照明，沿着所述横切的方向所述组合照明的强度是基本上均匀的，其中每一个线灯包括非均匀间隔的复数个LED，从而避免均匀间隔的线灯的外端的光强的减弱，以及其中所述非均匀间隔向着所述线灯的所述外端减小；以及
沿着所述样本区域的所述平行的边中的每一个边将所述两个线灯分开的间隙，所述间隙的宽度足够产生来自所述线灯的所述样本区域的组合照明，沿着与所述线灯平行的方向该组合照明的强度是基本上均匀。
2.根据权利要求1所述的落射照明器，其中所述间隙为从70mm至110mm。
3.根据权利要求1所述的落射照明器，其中所述间隙为从80mm至85mm。
4.根据权利要求1所述的落射照明器，其中每个所述线灯的长度为从75mm至150mm。
5.根据权利要求1所述的落射照明器，其中所述样本区域具有中心线，所述中心线平行于每个所述平行的边并且位于二者的中间，并且所述线灯中的每一个离所述样本区域的中心线的距离为10cm至25cm。
6.根据权利要求1所述的落射照明器，其中每个所述的楔形光束与所述平行的边相交以形成从15度至30度的楔形角。
7.根据权利要求1所述的落射照明器，其中所述带通滤光片使波长范围在460nm至480nm的光通过。
8.根据权利要求1所述的落射照明器，其中所述带通滤光片使波长范围在520nm至540nm的光通过。
9.根据权利要求1所述的落射照明器，其中所述带通滤光片使波长范围在615nm至635nm的光通过。
10.根据权利要求1所述的落射照明器，其中所述带通滤光片使波长范围在670nm至690nm的光通过。
11.根据权利要求1所述的落射照明器，其中所述带通滤光片使波长范围在760nm至780nm的光通过。
12.根据权利要求1所述的落射照明器，其中每一个所述带通滤光片包括安装在旋转的转台上的不同波长带的复数个滤光器。
13.根据权利要求1所述的落射照明器，其中渐变中密度滤光片被布置在所述带通滤光片和所述样本区域之间。
14.根据权利要求1所述的落射照明器，进一步包括遮光的挡板，附于所述间隙附近的每个所述线灯的内端并且朝向所述样本区域延伸。
15.根据权利要求1所述的落射照明器，进一步包括位于每个所述线灯和所述样本区域之间的发散透镜。
16.根据权利要求5所述的落射照明器，其中所述线灯相对于所述中心线对称地布置。
17.根据权利要求5所述的落射照明器，其中对于所有的线灯而言每一个线灯与所述中心线之间的距离是相同的。
18.根据权利要求1所述的落射照明器，其中沿着所述样本区域的每一个边放置的至少两个线灯是同轴的。
19.一种照明平面样本的方法，所述方法包括：
(a)将所述样本布置在平台的样本区域内的平面平台上；以及
(b)使用位于所述样本区域上方的LED线灯来照明所述样本，至少两个所述线灯沿着且平行于所述样本区域的两个平行的边中的每一个边而布置，同时使用带通滤光片来过滤所述线灯，每个所述线灯被布置成通过所述带通滤光片产生一楔形光束，所述楔形光束与所述样本区域以锐角相交并且在横切所述线灯的方向上横跨所述样本区域，所述样本区域的相对的边上的线灯互相补充以产生所述样本区域的组合照明，沿着横切的方向所述组合照明的强度是基本上均匀的，其中每一个线灯包括非均匀间隔的复数个LED，从而避免均匀间隔的线灯的外端的光强的减弱，以及其中所述非均匀间隔向着所述线灯的所述外端减小，并且沿着所述样本区域的所述平行的边中的每一个边的所述两个所述线灯被一间隙隔开，所述间隙的宽度足以产生来自所述线灯的所述样本区域的组合照明，沿着与所述线灯平行的方向所述组合照明的强度是基本上均匀的。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述间隙为从70mm至110mm。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述间隙为从80mm至85mm。
22.根据权利要求19所述的方法，其中每个所述线灯的长度为75mm至150mm。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述样本区域具有平行于每个所述平行的边并且位于这些边的中间的中心线，并且所述线灯中的每一个离所述样本区域的中心线的距离为10cm至25cm。
24.根据权利要求19所述的方法，其中每个所述的楔形光束与所述平行的边相交以形成从15度至30度的楔形角。
25.根据权利要求19所述的方法，其中所述带通滤光片使波长范围在460nm至480nm的光通过。
26.根据权利要求19所述的方法，其中所述带通滤光片使波长范围在520nm至540nm的光通过。
27.根据权利要求19所述的方法，其中所述带通滤光片使波长范围在615nm至635nm的光通过。
28.根据权利要求19所述的方法，其中所述带通滤光片使波长范围在670nm至690nm的光通过。
29.根据权利要求19所述的方法，其中所述带通滤光片使波长范围在760nm至780nm的光通过。
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