CN116635707A - 具有功能化波导的芯片实验室系统 - Google Patents

Abstract

一种芯片实验室系统(100)，包括具有至少部分周期性的结构(123，501，502，503，504)的光学检测波导(122)，该光学检测波导被配置为将来自光学检测波导(122)周围环境的光(152)耦合到光学检测波导(122)中。芯片实验室系统(100)此外还包括微流控网络(212)，其中，微流控网络(212)具有多条管线和至少一个反应室(211，211‑1，211‑2，211‑3)。

Description

具有功能化波导的芯片实验室系统

技术领域

本发明的不同示例涉及一种具有光波导的紧凑型芯片实验室系统，该光波导具有至少部分周期性的结构。至少部分周期性的结构可以形成输入耦合区域以便将来自微流控网络的反应室的光耦合到波导中；至少部分周期性的结构还可以形成输出耦合区域以便将光发射到反应室。

背景技术

术语“芯片实验室(或芯片实验室装置)”表示一种微流控网络，其至少具有在衬底上的宏观实验室的部分功能。通常，衬底的尺寸比较小，大致为芯片卡的数量级。

芯片实验室可以用于分析少量(几微微升到微升)液体。通过毛细管力，样本在不同的反应室与分析室之间运输。

通常-为了评估过程-通过光进行光学检测。例如，显微镜可以用于观察芯片实验室的反应室。

使用显微镜照亮和/或检测芯片实验室中的微流控网络既费空间又昂贵。

发明内容

因此需要以特别紧凑的方式实现的芯片实验室系统，并且除了微流控网络之外，还提供集成式光学检测和/或光激发。特别需要集成式光学靶向检测，也就是说具有波长选择性和/或具有高空间分辨率的检测。还需要靶向激发，也就是说在空间域和/或波长谱方面明确定义的激发。

这个目的通过独立专利权利要求的特征来实现。从属专利权利要求的特征限定了实施例。

根据本文描述的技术，可以提供高度紧凑的芯片实验室系统。除了由微流控网络提供的经典微流控功能外，这还可以在紧凑的多功能元件中实现靶向光激发和/或靶向光学检测。

下面给出与这种具有集成式光学检测功能和/或具有集成式光激发功能的多功能、高分辨率、高能效同时光谱实验室芯片系统相关的技术的描述。

芯片实验室系统包括光学检测波导。光学检测波导具有至少部分周期性的结构。这被配置为将来自光波导周围环境的光耦合到光波导中。芯片实验室系统还包括微流控网络。微流控网络具有多条管线和至少一个反应室。芯片实验室系统被配置成使得微流控网络的至少一个反应室能够布置在部分周期性的结构的周围环境中。

毛细管力可以用于在微流控网络的管线中移动液体，例如从来源室移动到至少一个反应室。至少一个反应室可以设计为对应衬底中的空腔。至少一个反应室可以具有由微流控网络的一条或多条管线实现的一条或多条进料管线。至少一个反应室还可以包括由微流控网络的一条或多条管线实现的一条或多条排放管线。化学和/或物理和/或生物过程可以发生在至少一个反应室中。这样的过程然后可以作为光学检测的一部分被监控。替代地或另外，也可以通过光激发为这种过程提供能量。微流控网络由此形成了芯片实验室。

一般来讲，本文所述的光波导可以包括中心区域和包层区域。光传播到中心区域中并在与包层区域的界面处被全反射。这是通过适当选择具有不同折射率的材料来实现的。例如，由此可以使用集成在衬底中的平面或弯曲的波导。如图1至图5中可见，波导中的输入耦合光沿着光导的纵向表面或纵向轴线传播。换句话说，光在波导中的传播方向或传播表面(例如在波导的长度上平均)基本上沿着波导的两个界面延伸。检测波导的传播表面可以基本上至少部分地沿着和/或平行于照明波导的传播表面延伸。检测波导的或照明波导的或两者的传播表面可以基本上至少部分地沿着和/或平行于流体系统和/或反应室的中平面/表面延伸。检测波导中的传播方向可以不沿着照明波导中的传播方向，例如，与照明波导中的传播方向相反。

检测波导的至少部分周期性的结构可以形成输入耦合区域，因为光被耦合到检测波导中。

一般来讲，在本文描述的不同示例中，至少部分周期性的结构可以用于使光波导功能化。上面描述了检测波导的至少部分周期性的结构形成输入耦合区域的示例。然而，还可以想到使用至少部分周期性的结构例如在检测波导中例如与检测器相邻地形成输出耦合区域，或者也在照明波导中形成，例如以便发射光到至少一个反应室，该至少一个反应室的存在是作为检测波导的替代或补充。

本文描述的至少部分周期性的结构可以与滤波器组合。例如，可以执行光谱过滤。滤波器参数可以根据至少部分周期性的结构的位置而不同。这使得可以实现扩展功能化。例如，可以实现成像光学功能的波长依赖性。可以过滤干涉光。

一般来讲，在本文描述的不同示例中，至少部分周期性的结构可以不同地形成。然而，不同变体都可以同等地或组合地用于使波导功能化。下表1总结了至少部分周期性的结构的一些示例。

表1：在本文所述的不同示例中能够形成光波导的输入耦合区域和/或输出耦合区域的部分周期性的结构的不同变体。这种部分周期性的结构使得可以以优化安装空间的方式提供所需的光束整形和所需的成像特性。特别地，可以节省其他光学元件，这产生紧凑的设计同时重量轻。

一般来讲，周期性结构可以是严格周期性的。然而，一个或多个设计参数也可以随着位置的变化而变化。例如，滤波器层的滤波器参数可以变化。折射率变化也可以用在HOE的示例中，或者光栅单元的单元格变化可以用在DOE的示例中。例如，这种变化可以使得可以以靶向方式实现光的波长选择性输入耦合或输出耦合或成像光学功能。从而可以实现更高程度的功能化。

另外一般来讲，用于使光波导功能化的这种至少部分周期性的结构可以被设计为部分透明的。由于至少部分周期性的结构，在正常观察期间可以在大的角度和波长范围内保持透明度。在这种情况下，透明度可能取决于耦合效率。随着耦合效率的提高，透明度也可能降低。就最大可能的透明度而言，例如通过至少部分周期性的结构，辐射的输入耦合或辐射的输出耦合进出波导可以如此高效，以至于足够数量的光子被耦合到波导中或耦合出光波导中。至少部分周期性的结构-特别是当设计为衍射结构时，见表1，实施例I、II、III、IV-可以展现出依赖于入射角的波长选择性，使得这些结构针对大角度和波长范围具有高透明度。换句话说，这意味着，根据入射角，不同波长的光可以有效地耦合进或耦合出对应的光波导。

在不同示例中，可以想到检测波导也具有输出耦合区域。这可以与检测器相邻布置。输出耦合区域可以具有镜面、棱镜和/或反射或透射菲涅耳结构。可以提供这些变体作为部分周期性的结构的替代或者补充输出耦合区域的部分周期性的结构。

输出耦合区域可以被配置为将从输入耦合区域的部分周期性的结构耦合到检测波导中的光沿检测器方向耦合出检测波导。

检测器例如可以是多像素检测器。检测器可以实现数字图像传感器，例如CCD传感器或CMOS传感器或SPAD阵列或硅光电倍增管。可以想到单光子检测。多像素检测器从而可以被启动以提供图像数据。

在这种情况下，实现输入耦合区域和输出耦合区域的至少部分周期性的结构可以被配置为在检测器的敏感表面上生成至少一个反应室的图像。

这因此意味着至少部分周期性的结构被配置为这里与输出耦合区域结合传输具有成像光学功能的光。

由该成像光学功能定义的不同像素在这种情况下于是可以与光的不同波长相关联。实现这一点可以在于：不同的像素距光轴的距离不同，因此由相应像素发射的光以对应的角度照射在至少部分周期性的结构上；与上述耦合效率的波长选择性一起，这使得可以实现不同像素与不同波长相关联的情况。用于生成波长选择性的其他变体将会使用不同的吸收滤波器，吸收滤波器例如附接到菲涅耳结构的不同菲涅耳元件，其中不同的菲涅耳元件然后继而分配给不同的像素。

在检测器与输出耦合区域之间可以不布置其他光学成像元件。这能够实现了特别紧凑的设计。这里，可以通过输入耦合区域的成像光学功能结合输出耦合区域来实现聚焦在敏感表面上。然而，在其他变体中，也可以布置至少一个光学成像元件。至少一个光学成像元件特别用于引导被输出耦合区域偏转的那部分光，并且例如可以被设计为透镜元件。至少一个光学成像元件例如可以设计为透镜、折射透镜或折射相机透镜。

实现输入耦合区域和输出耦合区域的至少部分周期性的结构可以实现无限-无限成像或有限-无限成像或无限-有限成像或有限-有限成像。

至少一个反应室可以相对于光学检测波导的部分周期性结构的成像光学功能布置在部分周期性结构的近场中。例如，输入耦合区域与反应室之间的其他透镜元件或其他光学有效元件不是必需的。

一般来讲，由功能化检测波导提供的光学成像功能的空间分辨率可以用于在不同反应室之间进行选择，或者也可选地在特定反应室内的不同位置之间进行选择。下文更详细地解释这点。

至少一个反应室可以包括多个反应室。然后至少部分周期性的结构和输出耦合区域可以被配置为将图像的与多个反应室中的不同反应室的物点相对应的像素成像到多像素检测器的不同像素上。这意味着可以通过将不同的反应室分配给不同的像素来实现分辨率。从而可以通过多像素检测器的不同通道固有地分离与不同反应室中的不同反应或过程相关联的数据。这使得可以快速轻松地监控不同反应室中的多个反应或过程。

在本上下文中，例如可以想到利用成像光学功能的波长相依赖性以便以靶向方式检查与不同反应室中的反应或过程相关的特定光谱范围。换句话说，这意味着可以根据结合相应反应室测量的波长，以靶向方式选择将过程到反应室的分配。在作为部分周期性的结构的DOE或HOE的示例中，这种波长选择性可以由该结构固有地提供-无需提供超出一个或多个衍射结构的光谱滤波器。例如，当使用例如下面更详细地解释的可调光源时，也可以相应地设置激发的波长-也就是说能够被启动以发射具有不同波长的光的光源。

作为对如上所述的不同反应室的成像的这种分离的替代或补充，还可想到以空间分辨的方式检测反应室内的不同位置，也就是说以空间分辨的方式捕捉反应室的图像。因此，至少部分周期性的结构和输出耦合区域可以被配置为将图像的与至少一个反应室内的不同位置处的物点相对应的像素成像到多像素检测器的不同像素上。

反应室的这种空间分辨图像还能够实现更复杂的应用。例如，可想到芯片实验室系统的计算单元被配置为对这种图像中的预定义类型的物体进行计数。例如，白细胞可以被计数，作为血液分析的一部分。另一个示例关于对每个血容量的疟疾寄生虫进行计数。因此，这使得能够在集成式芯片实验室系统中实现需要反应室的空间分辨图像的应用，而无需使用外部显微镜装置进行成像。

在不同示例中，可想到将光学检测波导和微流控网络布置在共用衬底上。从而可以实现特别高的集成度。芯片实验室系统可以设置为具有特别小的外部尺寸。

然而，也可想到将光学检测波导和微流控网络布置在不同的衬底上。然后可想到的是，在执行测量时将两个衬底彼此相邻定位。例如，芯片实验室系统可能已经包括对应的导向元件，该导向元件被配置为实现不同衬底相对于彼此的相对运动。例如，导向元件可以由导轨实现。这种具有两个单独衬底的实施例可以具有这样的优点，即具有光学元件(光子芯片)的衬底可以与包括对应的微流控网络(实验室芯片)的多个衬底一起用于激发和/或测量。

如上所述，可想到芯片实验室系统具有光学照明波导(作为检测波导的替代或补充)。芯片实验室系统还可以具有光耦合到照明波导的光源，以便发射然后耦合到检测波导的光和/或附加光(例如用于激发荧光)。例如，光源可以集成在对应的衬底上。从而可以提供因此特别高度集成的芯片上照明。

特别地，可以使用可调光源，也就是说被配置为发射波长可设置的光和/或附加光的光源。通过选择特定波长，可以以靶向方式影响反应室中的特定过程。计算单元可以相应地被配置为启动光源以便将光和/或附加光给送到照明波导中。计算单元还可以被配置为基于该其他部分周期性的结构的和/或该部分周期性的结构的光学成像功能的波长依赖性来选择该光的和/或该附加光的可设置波长。从而，如果例如光学成像功能的不同像素被分配给不同的反应室，则例如可以以靶向方式选择多个反应室中的一个用于激发和/或检测。

根据其他方面的芯片实验室系统包括光学照明波导。这具有至少部分周期性的结构。该结构被配置成将来自光学照明波导的光耦合到光学照明波导的周围环境中。芯片实验室系统此外还包括微流控网络。该微流控网络具有多条管线和至少一个反应室。芯片实验室系统被配置成使得微流控网络的至少一个反应室能够布置在光学照明波导的周围环境中。

如上文结合光学检测波导所述，至少部分周期性的结构可以被配置为透射具有成像光学功能的光，其中由成像光学功能定义的不同像素可选地与光的不同波长相关联。这实现波长分辨照明，也就是说可以在位置和可选地时间方面在不同波长之间进行选择。由此可以以靶向方式激发特定的反应。

如上所述的这种芯片实验室系统可以用于各种应用。例如，可想到使用这种芯片实验室系统进行显微血液分析或荧光测量。即使是这样的复杂应用，例如需要空间分辨检测，也可以通过使用功能化光波导以高度集成地进行激发和/或检测而成为可能。

可想到集成式光激发和/或检测与外部光激发和/或检测相组合。为此，芯片实验室系统可以例如与显微镜装置组合使用。根据本文所述的不同示例，功能化光波导-特别是部分周期性的结构-可以具体设计为对于特定波长范围的光是至少部分透明的。外部光学装置，例如显微镜装置，于是可以以与集成式光激发和/或检测空间叠加的方式向至少一个反应室发射附加光和/或检测来自该至少一个反应室的所述光。波长复用因此成为可能。这提高了使用灵活性。

在不脱离本发明的保护范围的情况下，上面阐述的特征和下面描述的特征不仅可以用于明确阐述的对应组合，还用于另外的组合或单独使用。

附图说明

结合以下对示例性实施例的描述，上文描述的本发明的特性、特征和优点以及实现其的方式将变得更清楚且更清晰明白，这些示例性实施例结合附图进行更详细地解释。

图1是根据不同示例的芯片实验室系统的示意图。

图2示出了根据不同示例的芯片实验室系统的一个示例性实现方式的俯视图。

图3是图2的芯片实验室系统的示例性实现方式的侧视图。

图4是图2的芯片实验室系统的示例性实现方式的变体的侧视图。

图5用根据图3的侧视图示出了图2的芯片实验室系统的示例性实现方式使用显微镜装置。

图6是一种示例性方法的流程图。

图7示出了根据不同示例的衍射光栅形式的至少部分周期性的结构的一个示例性实现方式。

图8图示了根据不同示例的体积全息图形式的至少部分周期性的结构的一个示例性实现方式。

图9图示了根据不同示例的折射光栅形式的至少部分周期性的结构的一个示例性实现方式。

图10图示了根据不同示例的以反射光栅结构与衍射光栅的组合为形式的至少部分周期性的结构的一个示例性实现方式。

图11图示了用于光的输入耦合或输出耦合的反射结构的参考实现方式。

图12示意性地图示了多个实验室芯片相对于光子芯片的装配线定位。

具体实施方式

下面基于优选的实施例，参考附图更详细地解释本发明。在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的要素。附图是本发明的各种实施例的示意性表示。图中图示的要素不一定按真实比例图示。替代地，附图中图示的各种要素以使得它们的功能和一般用途对于本领域技术人员来说易懂的方式呈现。图中所示的功能单元和要素之间的连接和耦合还可以被实现为间接连接或耦合。可以以有线或无线的方式来实现连接或耦合。功能单元可以被实现为硬件、软件、或硬件与软件的组合。

下面描述了与芯片实验室系统相关的技术。本文所述的芯片实验室系统使用一个或多个功能化光波导来提供集成式光激发和/或检测。特别地，根据本文描述的不同示例，功能化光波导可以具有实现成像光学功能的输入耦合区域和/或输出耦合区域。由此也可以执行空间分辨测量。成像光学功能可以具有波长选择性。也可以以波长分辨的方式选择性地寻址不同的反应室。

与常规芯片实验室相比，可以实现不同作用。下面列出了一些作用。例如，可以实现特别高的集成度，也就是说特别高水平的小型化/紧凑度。局部靶向光激发是可能的；在例如使用经典的自由传播光学照明-例如使用单独的显微镜装置(与参考实现方式一致)时，这是不可能的。也可以进行局部靶向检测；这在使用与参考实现方式一致的经典相机功能或显微镜功能时是不可能的。还可以消除由激发引起的衬底的潜在荧光，目前由于激发/照明无法区分而不可能。为此，可以设计部分周期性的结构，使得部分周期性的结构不向前发送或成像衬底荧光的波长范围，而是相反地反射或透射该波长范围，例如，同时来自反应室的荧光被向前发送或成像。“检测限”(LOD)可以增大。

不同示例涉及通过微流控网络和至少一个反应室实现芯片实验室。结合芯片实验室，特别应该提到节省空间作为一个优势，因为复杂的过程必须在最小的空间内进行。由于小型化实验室的尺寸，小型化实验室也很容易运输，这样使得尤其在GP手术和医院之外的医疗急救方面令人感兴趣。

一般来说，芯片实验室因此包括微流控网络和一个或多个反应室。液体可以例如通过毛细管力移动穿过微流控网络。根据本文所述的示例，广泛的生物、化学和/或物理过程可以在LOC上进行-特别是在一个或多个反应室中进行。可以通过集成到微流控网络中的诸如微型阀、泵和/或传感器的有源部件来增加微流控网络的功能。

芯片实验室的应用广泛。例如，可以应用于以下领域：医学生物学研究、化学分析或制药、生物技术和现代化学的在线过程控制。芯片实验室可以根据不同物理特性来表征。这些物理特性特别地包括：微流控类型；激发方法；检测技术。

可以通过这样的过程实现的芯片实验室的示例性应用包括：微阵列分析和下一代测序(NGS)。一些应用包括利用荧光生物分子的光学检测和分析来分析液体或生物样本。其他应用包括血液分析、疟疾检测、荧光测量、细胞分离等。在本文描述的不同示例中，所有这样的应用或其他应用可由芯片实验室实现。芯片实验室的具体实现方式或由芯片实验室提供的一个或多个特定应用对于本文描述的技术而言不是必需的。换言之，本文描述的技术可以与芯片实验室的各种各样实现方式相结合。

根据不同示例，给出了超紧凑、多功能芯片实验室系统的描述。芯片实验室系统包括具有一个或多个反应室的微流控网络。芯片实验室系统还包括一个或多个多功能波导，用于在一个或多个反应室中对样本进行集成光激发和/或集成光学检测。

例如，可以发生横向输入耦合到一个或多个多功能波导中的至少一个中。

根据不同示例，可以使透明检测功能成为可能，也就是说来自反应室的光可以被至少一个波导接收并且被引导至检测器。这可以在微流控功能没有显著退化的情况下发生。

如图1至图5中可见，来自一个或多个反应室的光，换言之，从一个或多个反应室发出的光，通过至少部分周期性的结构至少部分地耦合到检测波导中。输入耦合引起光在传播方向上转向，使得光在波导中沿着传播方向朝检测器的方向传播。至少部分周期性的结构可以布置在波导的垂直于传播方向的端面上，或者布置在波导的沿传播方向延伸的界面上，例如布置在检测波导的面向反应室和/或与反应室相反的界面上。检测器可以沿光的传播方向设置在端面上，或者不沿传播方向设置，例如与传播方向成角度，例如垂直于传播方向。

从图1至图5中还可以看出，光通过至少部分周期性的结构从照明波导耦合输出到布置有微流控网络的照明波导的周围环境中，使得至少部分输出耦合光照射在至少一个反应室上。

根据本文所述的不同示例，因此可以设置集成式光激发和/或集成式光学检测。这意味着，根据不同示例，不必使用外部设备-例如带有照明模块的显微镜-来进行光学检测和分析。

然而，在一些示例中，在这种情况下，除了集成式光激发和/或光学检测之外，还可以附加地执行外部光激发和/或检测。这意味着如本文所述的芯片实验室系统可以用于集成式光学检测，例如使用集成式多像素检测器，以获得至少一个反应室的对应测量图像；以及同时可以使用外部显微镜装置来捕捉相同的至少一个反应室的其他测量图像。

这可以通过至少一个波导的透明设计来实现-例如在预定的波长范围内，例如在可见波长范围内-使得可以使用显微镜和芯片上检测器进行波长复用测量。

基于光波导的集成式激发/照明功能能够在空间和时间上对一个或多个反应室进行光谱选择性照明。集成式透明检测功能能够实现原位检测。

使用本文描述的技术，因此可以使用集成式多功能照明波导实施待分析的液体或生物样本的光谱选择性照明或激发。

替代地或附加地，也可以通过使用对应的光学检测波导来实现透明检测功能。这可以集成到例如微流控网络的覆盖件中。

使用这样的技术，可以在近场中的一个检测步骤中捕捉一个或多个反应室的图像。

本文所述的芯片实验室也特别适用于检测低光子通量，如来自有限量生物样本的荧光的典型情况。到检测波导中的输入耦合尤其可以变得特别有效。

芯片实验室系统可以集成在一个或多个衬底上。这样的衬底可以由以下材料制成：硅、塑料和/或玻璃。

例如，可以想到将一个或多个光波导(用于光激发和/或检测)和微流控网络都集成在一个共用衬底上。

在一种变体中，光学部分-也就是说一个或多个光波导-可以与微流控片-也就是说与微流控网络分开实现。芯片实验室系统有效地成为插入照明片与成像片之间的插入卡。由于紧凑的照明和成像设计，整个系统可以实现在读卡器的尺寸中。

图1是芯片实验室系统100的示意图。在所图示的示例中，芯片实验室系统具有两个衬底101、201，其中光学元件设置在衬底101(以下简称光子芯片101)上，用于照明和检测，并且在衬底201上(下文中称为实验室芯片201)形成具有一个或多个反应室211的微流控网络212。在一些示例中，光子芯片101和实验室芯片201也可以集成在单个衬底上。

一般说来，光子芯片101和实验室芯片201可以以入射光几何学(参见图12)或透射光几何学(参见图2至图5)布置(图1的示意图不旨在在这方面有所限制)。在入射光几何学中，可以进行非接触式测量，这可以实现相继对多个实验室芯片快速测量。在入射光几何学中，还可以将实验室芯片201的背面设计为吸收性的；例如，这可能使得以灵活的方式将芯片实验室的元件放在那里。在透射光几何学中，光子芯片101可以相对于实验室芯片201精确定位。为此例如可以设置机械导向元件299

在图1的示例中，还设置了机械导向元件299。这个机械导向元件被配置为使得两个衬底101、201能够相对于彼此相对移动。从而可以例如结合多个实验室芯片201重复使用光子芯片101。一般来讲，机械导向元件299可以用于入射光几何学和透射光几何学两者中。

停止位置可以由导向元件299限定，在停止位置，实验室芯片201和光子芯片101被定位为允许反应室中的液体的光激发和/或光学检测。

接下来，将结合光子芯片101描述细节。在图1的示例中，这包括检测波导122和照明波导112。一般来讲，可以想到光子芯片101包括检测波导122或照明波导112。

检测波导120具有至少部分周期性的结构123，该结构例如由检测波导120的表面上的多个体积全息图或浮雕光栅实现。部分周期性的结构123也可以通过薄膜粘合。至少部分周期性的结构123可以具有折射和/或反射光束整形部件；例如，在这种情况下，至少部分周期性的结构123可以实现菲涅耳透镜。上文结合表1讨论了关于部分周期性的结构123的实现方式的不同示例。

在这种情况下，至少部分周期性的结构123被配置为将来自检测波导122周围的光152耦合到检测波导122中。例如，至少部分周期性的结构可以被配置为透射具有成像光学功能的光152。在这种情况下，该成像光学功能的不同像素可以与光152的不同波长相关联。取决于入射角，对于特定波长，耦合效率可能选择性地高(波长选择性)。这意味着，例如，可以以波长分辨的方式在不同的反应室中检测不同的过程。

如图1所示，在实验室芯片201相对于光子芯片101的相对定位中，一个或多个反应室211位于这些周围环境中。这意味着来自一个或多个反应室的光152耦合到检测波导122中。该光152然后穿过检测波导122并且经由输出耦合结构124被引导至检测器121-例如多像素检测器。检测器可以由计算单元180启动以便捕捉图像。

至少部分周期性的结构123因此形成输入耦合区域。至少部分周期性的结构123和输出耦合区域124被配置为在检测器121的敏感表面上生成一个或多个反应室211的图像。

照明波导112布置在也可以由计算单元180启动以发射光151的光源111与一个或多个反应室211之间。照明波导112包括至少部分周期性的结构113-不同选项参见表1。至少部分周期性的结构113被配置为将光151从照明波导112耦合出，进入照明波导112的周围环境中，其中一个或多个反应室211位于该周围环境中。

至少部分周期性的结构113原则上可以设计为与至少部分周期性的结构123相同或对应。

照明波导112还可以包括靠近光源111的输入耦合结构，以便将光151耦合到照明波导112中(图1中未示出)。输入耦合结构继而可以设计为至少部分周期性的结构-参见表1。

至少部分周期性的结构113-例如结合照明波导112的输入耦合结构-可以被配置为透射具有成像光学功能的光151。成像光学功能的不同像素在这种情况下可以位于特定反应室211的不同位置；或者也在不同的反应室中。成像光学功能的不同像素可以与光151的不同波长相关联，也就是说可以提供波长选择性。这意味着，例如，可以以波长分辨的方式在不同的反应室中激发不同的过程。

图1的示例图示了光151由光源111发射，并且光152由检测波导122检测。例如，光152可以由反应室211中的一个中的材料的荧光产生，荧光被光151激发。在其他示例中，还可以想到将光源111发射的光151从检测波导122直接引导至检测器121。相应的选择继而可以基于部分周期性的结构113、123的成像光学功能的波长依赖性做出。例如，计算单元180可以被配置为以时间相关的方式启动光源111，以便将光151给送到光学照明波导112中，其中根据部分周期性的结构113和可选地部分周期性的结构123的光学成像功能的波长依赖性而选择可设置波长。可以以时间相关的方式读出多像素检测器121的分配给相同波长的对应像素。这因此意味着计算单元180能够考虑部分周期性的结构113、123的波长选择性。

图1还图示了计算单元180能够控制微流控网络212，这通常是可选的。例如，可以控制特定的微型阀等。这可以以与光源111和/或检测器121的启动协调的方式发生。

图1图示了附加光153穿过至少部分周期性的结构123并穿过一个或多个反应室211。该附加光153可以例如由显微镜装置的照明模块发射并且可以进入显微镜装置的透镜。从而可以使用检测器121进行测量并且同时可以使用显微镜装置捕捉图像。这是可能的，因为至少部分周期性的结构123对于对应波长范围内的光、例如对于可见光是至少部分透明的。

基于芯片实验室系统100的示意图，下面结合图2和图3讨论一种可能的结构实现方式。在这种情况下，图2示出了芯片实验室系统100的俯视图，而图3示出了侧视图。在这种情况下，图示的结构实现方式-这里为透射光几何学，也就是说微流控网络212布置在波导112、122之间-仅是示例。其也可以在入射光几何学中测量。

在图示的示例中，微流控网络212包括通往多个反应室211-1-211-3的多条进料管线221、222(来源未在图2中图示)。

从图3中可以看出，借助于部分周期性的结构113和部分周期性的结构123的成像光学功能-例如结合对应的波长依赖性(该波长依赖性将意味着图3中的不同光束指示具有不同波长的光的传播)-不同的反应室211-1-211-3能够被选择性地照亮(例如通过启动光源111以便发射对应的光)并且由不同反应室发射的光152能够成像到检测器121的敏感表面的(在图3中指示的)不同像素上。

在图4中图示了另一种情况。图4原则上对应于图3，其中图4所示的芯片实验室系统100包括单个反应室211。至少部分周期性的结构123和输出耦合区域124被配置为将对应于反应室211内不同位置处的物点的图像的图像像素成像到多像素检测器121的不同像素上。

图5原则上对应于图3，图示了由于光波导112、122的部分透明设计，如何可以与来自显微镜装置的附加光153并行地执行测量。

图6是一种示例性方法的流程图。

首先，在可选框3005中，可以相对于光子芯片101布置实验室芯片201。例如，导向元件299可以用于此目的，例如将实验室芯片201插入两个波导112、122之间。由此形成芯片实验室系统100。可以进行自动化布置，例如布置在装配线应用中(参见图12)。

如果微流控网络212和一个或多个波导112、122集成在单个衬底上，则可以省略框3005。

可选地，然后可以在框3010中将芯片实验室系统100固定在显微镜装置的样本架上，参见图5。

然后可以执行测量，如框3015中所示。为此，计算单元180可以启动光源111和检测器121两者。

这可以同步发生。例如，根据光源111所使用的波长，可以寻址不同的反应室，这对应于读出多像素检测器121的对应像素。在这种情况下，考虑输出耦合区域和输入耦合区域的成像光学功能的波长依赖性。这可以通过适当形成体积全息图来实现。另一个变体是使用菲涅耳透镜，也就是说除了衍射部件之外还具有折射部件。

与框3015同时，还可以使用可选框3020中的显微镜装置进行图像捕捉。

在可选框3025中，可以进行评估。例如，例如通过计算单元180，可以对如从框3015获得的多像素检测器的图像中的预定义类型的物体进行计数。例如，由此可以实现诸如血液分析或疟疾检测的应用。

接下来，将结合以下附图解释根据本文描述的不同示例的用于实现至少部分周期性的结构的不同变体。在这种情况下，结合检测波导122解释了不同变体，使得这实现了输入耦合区域。然而，对应的变体也可以结合另一个光波导使用，例如照明波导112。对应的变体也可以实现输出耦合区域。

图7图示了与以衍射光栅结构的形式实现的部分周期性的结构501相关的方面(参见表1：示例I、示例IV)。在这种情况下，衍射光栅结构501-DOE-集成在检测波导122的顶侧122-1上，也就是说是表面浮雕的形式(例如通过激光划线，热诱导材料去除产生，或通过冲压方法产生)。使用图7的示例中的衍射光栅结构601，光能够经由底侧122-2输入耦合。作为替代或另外，衍射光栅结构501也可以布置在底侧122-2上-也就是说面向反应室。

例如，衍射光栅结构501背向检测波导122的一侧可以涂覆有反射材料或吸收材料。从而可以修改衍射光栅结构501的固有波长选择性。

与检测波导122的厚度相比，衍射光栅结构501的厚度较小。从而可以实现高度集成。

图8图示了与这里以衍射体积全息图的形式实现(参见表1，示例II)的部分周期性的结构502相关的方面。可以通过调制折射率来实现衍射光束整形作用。体积全息图502嵌入检测波导122中。多个体积全息图也可以相邻使用(复用)。

图9图示了与这里以衍射菲涅耳结构的形式实现(参见表1，示例V)的部分周期性的结构503相关的方面。比较图7和图9可知，折射周期性结构503具有更大的周期性，而且该结构垂直于检测波导122宽度的厚度大于光栅结构501的对应参数。特别地，与检测波导122的厚度相比，折射光栅结构503的厚度不小。

例如，图7中的DOE 501的典型厚度在0.5μm到10μm的范围内；并且图9的折射结构503的典型厚度在80μm或更大的范围内。

菲涅耳结构的不同菲涅耳单元可以各自具有曲面(图9中未示出)以产生折射成像作用。

反射周期性结构503的周期性可以对应于成像光学功能的空间分辨率。这意味着每个菲涅耳单元可以获得对应的像素。因此，这意味着菲涅耳结构的不同菲涅耳单元可以分配给例如要由不同像素成像的不同反应室(参见图3)。与此相反，图7的衍射光栅结构501的许多光栅单元的单元格可以以相位相干的方式相互作用(通过相长干涉或相消干涉)以便限定相应成像光学功能的位置点。

可以将一个或多个滤波器层应用于菲涅耳结构503。例如，菲涅耳结构503的不同“棱镜”单元可以涂覆有不同的滤波器，也就是说例如吸收不同波长的滤波器。从而可以实现光输入耦合的波长依赖性，特别是例如成像功能的不同位置点的不同波长依赖性。

图10图示了与这里以衍射反射组合式结构的形式实现(参见表1，示例III)的部分周期性的结构504相关的方面。在图10的示例中，光栅结构设置在检测波导122的底侧122-2上并且菲涅耳结构设置在顶侧122-1上。光栅结构和菲涅耳结构也可以一起集成在同一侧。例如，菲涅耳结构中的像差可以通过衍射结构来减少或补偿。

图11图示了与非周期性结构相关的方面，以供参考。与图7至图10中的至少部分周期性的结构的变体相比，非周期性结构比较厚，从而阻止了输入耦合区域的高水平集成。

图12图示了与芯片实验室系统100的一种可能实现方式有关的方面。在图12的示例中，实验室芯片201和光子芯片101没有布置成根据图2至图5的示例的“三明治结构”，而是彼此横向布置。这对应于“反射光几何学”，与根据图2至图5的“透射光几何学”形成对比。这意味着可以在反射中进行测量；这意味着从照明波导发射的光反射到一个或多个反应室211中，然后通过检测波导反射收集。

这种反射光几何学具有某些优势。例如，可能不需要在实验室芯片201与光子芯片101之间通过导向元件299建立机械干预。可以省略导向元件。可以在串行自动化处理中将多个实验室芯片201、201-1、201-2放置在相对于光子芯片101的测量位置(在图12中由水平箭头指示)，例如使用传送带或“取放”机器放置。光学耦合仅通过接口发生，这使得相对定位更容易。可以实现不同测量的高吞吐量。

总之，上面已经给出了能够实现芯片实验室系统的特别高水平集成的技术的描述。特别地，光学检测和/或光学照明或激发可以高度集成。这可以通过使用一个或多个至少部分周期性的光学结构而成为可能，这些光学结构能够实现照明波导和/或检测波导的功能化。由此可以省去通常会占据比较大量空间的经典的单独透镜元件或单独棱镜。同时，可以通过至少部分周期性的光学结构的合适设计来实现光进入和/或离开相应波导的高效输入耦合和/或输出耦合。这种有效的输入耦合和/或输出耦合可以被补充其他功能化，诸如适应于要检查的微流控实验室的定制波长依赖性。另外，来自反应室内不同位置点的图像也可以用于实现复杂的计数应用。可以过滤干涉光-例如由衬底的荧光引起的干涉光。上面还给出了适用于不同应用案例(例如单独测试或质量测试)的芯片实验室系统的不同结构实现方式的描述，其中光学和微流控的解耦在这里能够通过适当的机械配置(导向元件、入射光几何学与透射光几何学)适应于对应的应用案例。

不言而喻，上述本发明的实施例和方面的特征可以彼此组合。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，这些特征不仅可以以所描述的组合方式使用，而且还可以以其他组合方式使用或独自使用。

例如，上面已经给出了具有检测波导的芯片实验室系统的不同实现方式的描述，该检测波导具有用于光的输入耦合的部分周期性的结构。也可以使用仅具有照明波导的芯片实验室系统，该照明波导具有适当配置的部分周期性的结构。例如，如果照明和检测在不同时间执行，则同一光波也可以既用于照明又用于检测，也就是说用于同一个至少部分周期性的结构一次用于光的输出耦合，一次用于光的输入耦合。然后可以使用分束器将检测到的光引导到检测器和接收要从光源发射的光。

Claims (19)

1.一种芯片实验室系统(100)，包括：

-具有至少部分周期性的结构(123，501，502，503，504)的光学检测波导(122)，该光学检测波导被配置为将来自该光学检测波导(122)周围环境的光(152)耦合到该光学检测波导(122)中，以及

-微流控网络(212)，其中，该微流控网络(212)具有多条管线和至少一个反应室(211，211-1，211-2，211-3)，

其中，该芯片实验室系统(100)被配置成使得该微流控网络(212)的至少一个反应室(211，211-1，211-2，211-3)能够布置在该光学检测波导(122)的周围环境中。

2.如权利要求1所述的芯片实验室系统(100)，还包括：

-具有敏感表面的多像素检测器(121)，

其中，该光学检测波导(122)具有输出耦合区域(124)，该输出耦合区域与该多像素检测器(121)相邻布置并且被配置为将该光(152)沿该多像素检测器(121)的方向耦合出该光学检测波导(122)，

其中，该至少部分周期性的结构(123，501，502，503，504)和该输出耦合区域(124)被配置为在该敏感表面上生成该至少一个反应室(211，211-1，211-2，211-3)的图像。

3.如权利要求2所述的芯片实验室系统(100)，

其中，该至少一个反应室(211，211-1，211-2，211-3)包括多个反应室(211，211-1，211-2，211-3)，

其中，该至少部分周期性的结构(123，501，502，503，504)和该输出耦合区域(124)被配置为将该图像的与该多个反应室(211，211-1，211-2，211-3)中的不同反应室(211，211-1，211-2，211-3)中的物点相对应的像素成像到该多像素检测器(121)的不同像素上。

4.如权利要求2或3所述的芯片实验室系统(100)，

其中，该至少部分周期性的结构(123，501，502，503，504)和该输出耦合区域(124)被配置为将该图像的与该至少一个反应室(211，211-1，211-2，211-3)中的一个中的不同位置处的物点相对应的像素成像到该多像素检测器(121)的不同像素上。

5.如权利要求4所述的芯片实验室系统(100)，还包括：

-计算单元(180)，该计算单元被配置为对该多像素检测器(121)的图像中的预定义类型的物体进行计数。

6.如前述权利要求之一所述的芯片实验室系统(100)，

其中，该光学检测波导(122)和该微流控网络(212)设置在共用衬底上。

7.如权利要求1至5之一所述的芯片实验室系统(100)，

其中，该光学检测波导(122)和该微流控网络(212)设置在不同的衬底(101，201)上，

其中，该芯片实验室系统(100)可选地还包括：

-导向元件(299)，该导向元件被配置成能够实现这些不同衬底(101，201)相对于彼此进行相对运动。

8.如前述权利要求之一所述的芯片实验室系统(100)，

其中，该至少部分周期性的结构(123，501，502，503，504)被配置为透射具有成像光学功能的光(152)，

其中，由该成像光学功能定义的不同像素与该光(152)的不同波长相关联。

9.如前述权利要求之一所述的芯片实验室系统(100)，还包括：

-光学照明波导(112)，该光学照明波导包括被配置为将该光(152)或附加光(151)发射到该反应室(211，211-1，211-2，211-3)中的其他至少部分周期性的结构(113，501，502，503，504)。

10.如权利要求9所述的芯片实验室系统(100)，还包括：

-光源(111)，该光源光耦合到该光学照明波导(112)并且被配置为发射波长可设置的光(151)和/或附加光(152)，以及

-计算单元(180)，该计算单元被配置为启动该光源以便将该光(151)和/或该附加光(152)给送到该光学照明波导(112)中，

其中，该计算单元(180)还被配置为基于该至少部分周期性的结构的和/或该其他至少部分周期性的结构的光学成像功能的波长依赖性来选择该光(151)的和/或该附加光(152)的可设置波长。

11.如权利要求1至10之一所述的芯片实验室系统(100)，

其中，该至少部分周期性的结构(123，502)由全息光学元件HOE实现，该全息光学元件可选地包括集成到该检测波导(122)中的一个或多个体积全息图或应用于该检测波导(122)的全息图。

12.如权利要求1至10之一所述的芯片实验室系统(100)，

其中，该至少部分周期性的结构(123，503，504)通过折射和/或反射对该光(152)进行整形。

13.如权利要求1至10之一所述的芯片实验室系统(100)，

其中，该至少部分周期性的结构(123，503，504)作为衍射光学元件DOE通过衍射对该光(152)进行整形。

14.如前述权利要求之一所述的芯片实验室系统(100)，

其中，该至少部分周期性的结构(123，501，502，503，504)对可见光(153)是至少部分透明的。

15.如前述权利要求之一所述的芯片实验室系统(100)，

其中，该至少部分周期性的结构(123，501，502，503，504)被配置为将该光(152)耦合到具有波长依赖性的该光学检测波导(122)中，

其中，该至少一个反应室集成在衬底上，

其中，该波长依赖性不允许将由该衬底的荧光产生的附加光耦合到该光学检测波导(122)中，或仅在有抑制的情况下允许这种耦合。

16.一种方法，包括：

-使用如前述权利要求之一所述的芯片实验室系统(100)来获得基于耦合到该光学检测波导(122)中的光的测量图像，以及

-在捕捉该测量图像的同时，使用显微镜装置获得该至少一个反应室(211，211-1，211-2，211-3)的其他测量图像。

17.一种芯片实验室系统(100)，包括：

-具有至少部分周期性的结构(113，501，502，503，504)的光学照明波导(112)，该光学照明波导被配置为将光从该光学照明波导(112)耦合到该光学照明波导(112)的周围环境中，以及

-微流控网络(212)，其中，该微流控网络(212)具有多条管线和至少一个反应室(211，211-1，211-2，211-3)，

其中，该芯片实验室系统(100)被配置成使得该微流控网络(212)的至少一个反应室(211，211-1，211-2，211-3)能够布置在该光学照明波导(112)的周围环境中。

18.如权利要求17所述的芯片实验室系统(100)，其中，该至少部分周期性的结构被配置为将至少部分该输出耦合光发射到该至少一个反应室。

19.如权利要求1至15或17或18所述的芯片实验室系统(100)用于显微血液分析或荧光测量的用途。