CN1555485A - 确定多个样品化学结构和/或组成的分析设备与容纳样品的载体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建立一个用于连续研究例如基因材料的有效工作的分析设备。优选使用的方法是荧光方法或发光方法。因此必需有较好的信噪比，即检测器避开激发光并且辐射光尽可能集中在检测器上。本发明为此预先规定用于有待研究的样品的载体，其具有一个光学有效层，其中该层对于辐射光是反射的，并且对于激发光是透明的。例如如果样品载体的样品容纳井筒涂有这种层，则辐射光在壁和井筒的底部上反射并集中于检测器。只要激发光没有激发分子，则激发光穿过该层并在载体中被吸收。

Description

确定多个样品化学结构和/或组成的分析设备与容纳样品的载体

本发明涉及确定在一个载体上多个样品的化学结构和/或组成的分析设备，在该载体上以矩阵形式布置有待研究的样品，具有一个用于照射样品的光源，其中由光源发出的激发光适合激发样品材料，从而样品材料发出辐射光，并具有一个用于辐射光的检测器。

这种分析设备特别用在生物学和制药学的范围内，以便实施具有多个单独研究化学物质的连续研究。所述研究涉及基因测试、其中检索确定的基因序列、涉及DNS序列分析、涉及细胞分析、例如在验血时、或涉及蛋白质的研究。因此快速并经济地进行研究，必须将该分析设备设计成，使其以较高的通过量运行。

在这种情况下，所采用的研究方法基于通过光激发化学试剂的荧光和发光。为此有待研究的物质以稀释的形式与相应的试剂、例如特殊的标记物质、一起涂于载体上。使用两种不同形式的载体。其中一种载体是简单的玻璃板，有待研究的样品采用均匀的二维矩阵以较小液滴的形式涂在该玻璃板上。该载体也称作微阵列。对于其它单个样品有较大容积或是液态的研究中使用所谓的微板。所述微板是多个彼此紧密布置的、管状的井筒，其在底面闭合。微板包括通常为黑色、白色或透明的塑料，如果激发光从下面、也就是说通过底部照射，则具有透明的底部。载体容纳样品的数目按应用范围在96和1.563之间。

装有样品的载体送入一个光学分析设备以便研究，在该光学分析设备中安装用于激发发光或者荧光的光源，检测器和滤光器。迄今为止所采用的设备主要用于实验室。可是随着这种研究需求的急剧增加，从而要求必须进一步简化并使该设备小型化。尤其是应当缩短测量时间，采用较少的样品量并且使设备的生产成本低廉。对此的一个主要问题是，改善信噪比。为了达到这个目的，必须考虑，较大部分的辐射光到达检测器并且激发光尽可能远离检测器。

为了解决这个问题本发明具有根据权利要求1前序部分的分析设备并具有以下特征，样品载体具有一个用作波长选择的滤光器的光学有效层，调整该滤光器，使得该层优选反射辐射光波长的光。

代替在光学分析设备中迄今为止通常较高的仪器费用，仅仅载体本身设置一个相应的层，其承担以前分散安装的透镜的任务和在分析设备内部的滤光。相对简单地并且低成本生产这种涂层，从而如果载体仅仅用于唯一的分析，则当然可以实现成本优点，因为该分析设备本身十分简单并且非常小，因此生产和维护成本低。

如下阐述本发明达到的效果：辐射光主要向所有面均匀发射，从而，因为检测器仅仅能够检测很小的立体角较范围，所以仅仅分析了所提供使用光的极小部分。通过一个光学有效层，其对于辐射光用作反射镜，光也从另外的立体角到达检测器，这提高了增益并因此明显提高了信噪比。

补充说明，对于激发光来说该层本身是透明的，并因此该激发光只要不用于激发样品中的分子，就不会到达检测器。

为了实现这个目的，调整该层的光学特性，使得其具有一个具有较高透射率的第一波长范围和一个与第一波长范围不同的具有较低透射率的第二波长范围，其中激发光具有在第一波长范围的波长并且辐射光具有在第二波长范围的波长。该层因此用作带通滤光器或截止滤光片，其使激发光与辐射光分离。

能够特别简单制造具有这种滤光特性的层，其包括多个重叠的、由介电材料组成的层。这种层也称作薄膜干涉涂层。

光学有效层因此例如包括多个单层、这些单层交替包括具有较高折射率的材料和具有较低折射率的材料，其中调整所述层的光学厚度，使得形成薄膜干涉滤光器。这种层按其具体结构用作光学带通滤光器或截止滤光片，其优选地反射或者透射的波长之间具有相对急剧的转变。转变范围为大约25nm并且可以准确调整到1.5％。这特别适合于过渡波长。仅仅调整该层的滤光特性，使得辐射光的透射率几乎为零，这意味着，该层显著反射该光。如果另一方面考虑，激发光的波长处于该层的透射范围，那么可以考虑该光没有到达检测器。

在上述的平的样品载体(微阵列)上该层或者涂于样品处于其上的上表面、或涂于下表面。由于光学原因涂于上表面是特别有益的。这特别适合于这种情况，即激发光在一个正面入射布置中射入样品，也就是说在这个有检测器的面上射入样品中。当然必须考虑，样品和特别是一些已知的试剂与该层反应，这样会损坏该层或者可能歪曲测量。如果样品和层不能化学兼容，则该层主要涂在载体的下表面。

在具有多个样品容纳井筒的样品载体中最好在其内侧设有光学有效层。特别在一个正面入射布置中井筒壁镜面化并仅仅底部具备波长选择层。这导致，入射的激发光从井筒壁反射进入样品并因此提高激发比率。在井筒底部的光学有效层和镜面化的内壁反射辐射光并因此特别好地集中到检测器的方向上。

此外本发明还涉及一个具有光学有效层的载体：

光学有效层包括多个单层、这些单层交替包括具有较高折射率的材料和具有较低折射率的材料，其中调整层的光学厚度，使得形成薄膜干涉滤光器。这种层用作光学带通滤光器或截止滤光片，其在优选反射或者优选透射的波长之间具有相对急剧的转变。仅仅如此调整该层的滤光特性，使得辐射光的透射率几乎为零，这意味着，该层显著反射该光。如果从另一方面考虑，激发光的波长处于该层的透射范围，那么可以考虑该光没有到达检测器。这种层也称作薄膜干涉涂层，其包括多个绝缘的单层。

最好在高真空中通过标注单层分子涂上光学有效层。在此提供不同的方法使用。如果载体包含低成本生产的塑料，则当然对此不可能加热载体。因此本发明预先规定，为了生产该层使用等离子支持的或离子支持的电子束蒸发。以该方法可以涂上较高密度的、非常均匀的层，其中在涂覆期间通过直接的光学控制可以实现涂层的光谱特性。因此产生特别高品质的滤光器，也就是说在从滤光器通过的波长和滤光器反射的波长之间的转变非常离散。

典型用于涂层的材料是氧化硅(较小折射率)以及氧化钛、五氧化二钽(TA₂O₅)和二氧化铌(较高折射率)。这些材料有这样的优点，其化学上是非常惰性的并且不会歪曲有待探测的物质的反应。

此外通过这个利用涂层方法获得高密度有效阻止分子从塑料载体扩散进入样品。此外由此实现分层特性，即光谱滤光器特性对温度波动以及与液体接触的影响不敏感。

借助于计算机程序确定各个层的厚度，这种滤光器的光谱特性匹配于各自的使用目的。特别是通过这种方式预先确定过渡波长并进行调整，使其与期望的辐射波长协调。

在涂这些层时不断检查层的厚度，这种可以精确地保持所计算的层厚。这样得出在频谱中的预先确定位置上具有急剧转变范围的滤光器。

下面根据二个实施例详细阐述本发明。图示：

图1平的样品载体(微阵列)的横截面；

图2微板的单个井筒的横截面，和

图3根据本发明的光学有效层的典型传输特性曲线。

根据图1，载体1包括一个平的玻璃板或塑料板2，在其上面点状涂上多个样品3。

板2的下面具有进一步详细描述的光学有效层4，其用作滤光器。

激发光在一个正面入射布置(通过直线箭头表明)中从激发光源6、例如激光器、从上面到达载体1，并且在那里射中各个样品3。由此激发样品中的分子，也就是说分子中的电子到达较高的能级并经过一段时间之后落回其原始位置，其中以光子的形式表示(通过波浪箭头7表明)辐射能量差。由在玻璃板上面布置的检测器8检测光子，由此推断出分子化合物的特性。详细的分析不是本发明的主题并因此不应当详细描述。一部分光子直接向上射入检测器8中，另外一部分向下辐射，在那里射到光学有效层4，这部分光子由该层反射到检测器8的方向上。

没有导致样品中分子激发的部分激发光穿过板2并穿过光学有效层4并因此没有到达检测器8。

从根据图3的传输特性曲线10得出该光学有效层的特性，其中在X轴11上标注了在350和700nm之间的波长范围并在Y轴上标注了在0和100％之间的透射率。清楚看到，在大约500nm的范围内相对突然从几乎100％下降到百分之几。如果考虑，激发光的波长λ_A在大约500nm以下，对于该光来说透射是相对较大的，从而可以自由地穿过该层4。辐射光的情况与激发光不同。其波长λ_B在500nm之上，不可能穿过该层4，而是被该层反射。

正如已经阐述的，光学有效层包括多个具有显著不同折射率的单层，这些单层共同形成一个薄膜干涉层。

这种情况类似于根据图2的载体板中，该载体板包括多个层15。在此不仅可以每个井筒15的壁16而且每个井筒15的底部17也可以具有光学有效层4。可是出于产品技术的原因通常仅仅底部具有根据本发明的光学有效层，壁被镜面化，这种壁不仅反射激发光而且也反射辐射光。在此激发光(箭头5)射中各个分子并且激发分子发光或者产生荧光。所发射的光(箭头7)向所有面发射，并且在光学有效层4上或者镜面化的井筒壁上反射，并且因此集束射向井筒敞开的面，在该面上方布置一个检测器8。

只要激发光没有射到分子上，该光可能穿过层4。如果载体本身由深色材料制造，则吸收该光，这种在相邻井筒中不发生激发，这将歪曲测量结果。

对于这种情况，激发光从下面通过底部17射入样品，则对于上述结构的一种选择底部17也可以不具有层4，载体至少在底部范围是透明的。

光学有效层的厚度为大约1.4μm并且由多个单层(例如16或32)构成，这些单层交替包括氧化硅并包括二氧化钛、五氧化二钽和二氧化铌。氧化硅具有较低折射率，其它材料具有较高折射率。在交界层上一部分光反射并且一部分衍射。对此按光的波长发生有益干涉和破坏性干涉。因此单层的厚度决定具有一定波长的哪条光线会被整个层反射，而哪条光线穿过该层。因此该层有这样的特性，频谱鉴别该光。这在本应用中能够从辐射光中分离激发光。

                      参考符号表

1载体

2板

3样品

4层

5箭头

6激发光源

7箭头

8检测器

10传输特性曲线

11X轴

12Y轴

15井筒

16壁

17底部

Claims (16)

1.用于确定在载体(1)上多个样品的化学结构和/或组成的分析设备，有待研究的样品以矩阵的形式布置在该载体(1)上，所述分析设备具有一个用于照射样品的光源(6)，其中由光源(6)发出的激发光适合于激发样品材料，从而从样品材料发出辐射光，并且所述分析设备具有一个适合于辐射光的检测器(8)，其特征在于，样品载体(1)具有一个用作波长选择的滤光器的光学有效层(4)，调整该滤光器，使得该层优选反射辐射光波长的光。

2.按照权利要求1的分析设备，其特征在于，激发光具有一个波长，对于激发光来说光学有效层(4)具有较高的透射率。

3.按照权利要求1或2的分析设备，其特征在于，调整该层的光学特性，使该层具有一个具有较高透射率的第一波长范围和一个与第一波长范围不同的具有较低透射率的第二波长范围，其中激发光具有在第一波长范围的波长，辐射光具有在第二波长范围的波长。

4.按照权利要求3的分析设备，其特征在于，光学有效层(4)包括多个重叠的、由介电材料组成的层。

5.按照上述权利要求之一的分析设备，其特征在于，样品载体是由透明材料组成的平板(2)，在该平板(2)的一个面上以矩阵的形式涂有样品(3)，并且其另一个面具有光学有效层(4)。

6.按照上述权利要求1至4之一的分析设备，其特征在于，样品载体是具有多个样品容纳井筒(15)的载体，其内侧具有光学有效层(4)。

7.按照权利要求6的分析设备，其特征在于，所述井筒具有底部(17)和与底部垂直的壁(16)，其中底部是透明的并且该壁具备光学有效层。

8.按照权利要求4至7之一的分析设备，其特征在于，光学有效层包括多个单层，这些单层交替由具有较高折射率的材料和具有较低折射率的材料制成，其中调整这些层的光学厚度，使得形成薄膜干涉滤光器。

9.按照权利要求8的分析设备，其特征在于，具有较低折射率的层包括氧化硅，具有较高折射率的层包括二氧化钛或五氧化二钽或二氧化铌。

10.按照权利要求6的分析设备，其特征在于，借助于等离子支持的或离子支持的电子束蒸发方法制造该层。

11.用于容纳多个单件样品的样品载体，通过分析由样品基于激发而发出的辐射光研究样品的化学结构和/或组成，其特征在于，样品载体(1)具有一个用作波长选择的滤光器的光学有效层(4)，调整该滤光器使得层(4)优选反射辐射光波长的光。

12.按照权利要求11的样品载体，其特征在于，样品载体是由透明材料组成的平板(2)，在该平板(2)的一个面上以矩阵的形式涂有样品(3)，并且其另一面具有光学有效层(4)。

13.按照权利要求11的样品载体，其特征在于，样品载体(1)是一个具有多个样品容纳井筒(15)的载体，其内侧具有光学有效层。

14.按照权利要求11至14之一的样品载体，其特征在于，光学有效层包括多个单层，这些单层交替包括具有高折射率的材料和具有较低折射率的材料。

15.按照权利要求14的样品载体，其特征在于，具有较低折射率的层包括氧化硅，具有较该折射率的层包括二氧化钛或五氧化二钽或二氧化铌。

16.按照权利要求11至15的样品载体，其特征在于，借助于等离子支持的或离子支持的电子束蒸发方法涂覆所述层。