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HINTERGRUND ZUR VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Multiplex-Anordnung und insbesondere eine Abbildungsvorrichtung zum Analysieren von mehreren Reagenzkügelchen, die in einer Probenplatte gehalten werden. Die bevorzugte Ausführungsform bezieht sich auf ein Linsensystem für eine Multiplexplattform, das die gesamte optische Weglänge verringert, das Nebensprechen minimiert, eine relativ flache Reaktion über die Probenplatte herstellt und die Empfindlichkeit optimiert.
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Immonoassay- bzw. Immuntestprozeduren sind eine bevorzugte Weise zum Testen von biologischen Produkten. Diese Prozeduren nutzen die Fähigkeit von Antikörpern, die durch den Körper erzeugt werden, spezifische Antigene zu erkennen und mit diesen zu kombinieren, die beispielsweise Fremdkörpern wie z. B. Bakterien oder Viren oder anderen Körperprodukten wie z. B. Hormonen zugeordnet sein können. Sobald eine spezifische Antigen-Antikörper-Kombination aufgetreten ist, kann sie unter Verwendung von chromogenen, Fluoreszenz- oder Chemilumineszenzmaterialien oder weniger bevorzugt unter Verwendung von radioaktiven Substanzen detektiert werden. Radioaktive Substanzen sind aufgrund der Umwelt- und Sicherheitsbelange hinsichtlich ihrer Handhabung, Lagerung und Entsorgung weniger bevorzugt. Dieselben Prinzipien können verwendet werden, um irgendwelche Materialien zu detektieren oder zu bestimmen, die spezifische Bindungspaare bilden können, beispielsweise unter Verwendung von Lectinen, des Rheumatoidfaktors, des Proteins A oder von Nukleinsäuren als einer der Bindungspartner.
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Der enzymgekoppelte Immunodsorptionsassay ("ELISA") ist eine besonders bevorzugte Form einer Immunoassayprozedur, wobei ein Mitglied des Bindungspaars an eine Oberfläche eines unlöslichen Trägers ("die feste Phase") wie z. B. ein Probengefäß gebunden wird und nach der Reaktion das gebundene Paar unter Verwendung eines weiteren spezifischen Bindungsmittels, das mit einem Enzym konjugiert ist (das "Konjugat"), detektiert wird. Die Prozeduren für ELISA sind auf dem Fachgebiet gut bekannt und waren sowohl für die Forschung als auch für kommerzielle Zwecke für viele Jahre in Gebrauch. Zahlreiche Bücher und Übersichtsartikel beschreiben die Theorie und Praxis von Immunoassays. Beispielsweise werden Ratschläge für die Eigenschaften und die Wahl von festen Phasen für Capture- bzw. Einfangassays, für Verfahren und Reagenzien zum Beschichten von festen Phasen mit Capturekomponenten, für die Art und Wahl von Markern und für Verfahren für die Markierung von Komponenten gegeben. Ein Beispiel eines Standardlehrbuchs ist
"ELISA and Other Solid Phase Immunoassays, Theoretical and Practical Aspects", Herausgeber D.M. Kemeny & S.J. Challacombe, veröffentlicht von John Wiley, 1988. Derartiger Rat kann auch auf Assays für andere spezifische Bindungspaare angewendet werden.
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Beim üblichsten Typ von ELISA wird die feste Phase mit einem Mitglied des Bindungspaars beschichtet. Eine aliquote Menge bzw. Aliquot der zu untersuchenden Probe wird mit der festen beschichteten festen Phase inkubiert und irgendein Analyt, der vorhanden sein kann, wird an der festen Phase eingefangen. Nach Waschen, um restliche Probe und irgendwelche störenden Materialien, die sie enthalten kann, wird ein zweites Bindungsmittel, das für den Analyten spezifisch ist und mit einem Enzym konjugiert ist, zur festen Phase zugegeben. Während einer zweiten Inkubation kombiniert irgendein an der festen Phase eingefangener Analyt mit dem Konjugat. Nach einem zweiten Waschen, um irgendein ungebundenes Konjugat zu entfernen, wird ein chromogenes Substrat für das Enzym zur festen Phase zugegeben. Irgendein vorhandenes Enzym beginnt, das Substrat in ein chromophores Produkt umzuwandeln. Nach einer festgelegten Zeit kann die Menge an gebildetem Produkt unter Verwendung eines Spektrophotometers entweder direkt oder nach Stoppen der Reaktion gemessen werden.
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Es zu erkennen, dass das Obige eine Umrissbeschreibung einer allgemeinen Prozedur für einen Biotest ist und dass viele Varianten auf dem Fachgebiet bekannt sind, einschließlich fluorogener und luminogener Substrate für ELISA, direkte Markierung des zweiten Mitglieds des Bindungspaars mit einem fluoreszierenden oder lumineszierenden Molekül (in welchem Fall die Prozedur nicht ELISA genannt wird, aber die Prozessschritte sehr ähnlich sind) und Nukleinsäuren oder andere spezifische Paarungsmittel anstelle von Antikörpern als Bindungsmittel. Alle Tests erfordern jedoch, dass Fluidproben, z. B. Blut, Serum, Urin usw., von einem Probenröhrchen abgesaugt werden und dann in eine feste Phase ausgegeben werden. Proben können verdünnt werden, bevor sie in die feste Phase ausgegeben werden, oder sie können in Mikroplatten mit tiefen Vertiefungen ausgegeben werden, in situ verdünnt werden und dann kann der verdünnte Analyt zur funktionalen festen Phase überführt werden.
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Der üblichste Typ von fester Phase ist ein Standardprobengefäß, das als Mikroplatte bekannt ist, die leicht gelagert werden kann und die mit einer Vielzahl von biologischen Proben verwendet werden kann. Mikroplatten sind seit den 1960-er Jahren kommerziell erhältlich und bestehen z. B. aus Polystyrol, PVC, Plexiglas oder Acrylglas und messen ungefähr 5 Zoll (12,7 cm) in der Länge, 3,3 Zoll (8,5 cm) in der Breite und 0,55 Zoll (1,4 cm) in der Tiefe. Mikroplatten, die aus Polystyrol bestehen, sind wegen der verbesserten optischen Klarheit von Polystyrol besonders bevorzugt, die die visuelle Interpretation der Ergebnisse irgendeiner Reaktion unterstützt. Polystyrol-Mikroplatten sind auch kompakt, leichtgewichtig und leicht waschbar. Mikroplatten, die von den Anmeldern hergestellt werden, werden unter dem Namen "MICROTITRE" (RTM) verkauft. Bekannte Mikroplatten weisen 96 Vertiefungen (auch üblicherweise als "Mikrovertiefungen" bekannt) auf, die symmetrisch in einer 8×12-Matrix angeordnet sind. Mikrovertiefungen weisen typischerweise eine maximale Volumenkapazität von ungefähr 350 µl auf. Normalerweise werden jedoch nur 10–200 µl Fluid in eine Mikrovertiefung ausgegeben. In einigen Anordnungen der Mikroplatte können die Mikrovertiefungen in Streifen von 8 oder 12 Vertiefungen angeordnet sein, die in einem Träger bewegt und kombiniert werden können, um eine vollständige Platte mit herkömmlichen Abmessungen zu ergeben.
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Positive und negative Kontrollen werden im Allgemeinen mit kommerziellen Ausrüstungen bzw. Kits geliefert und werden für die Qualitätskontrolle und zum Vorsehen einer relativen Grenze verwendet. Nach dem Lesen der verarbeiteten Mikroplatte werden die Ergebnisse der Kontrollen gegen die bestätigten Werte des Herstellers geprüft, um sicherzustellen, dass die Analyse korrekt funktioniert hat, und dann wird der Wert verwendet, um positive von negativen Proben zu unterscheiden, und ein Grenzwert wird berechnet. Standards sind gewöhnlich für quantitative Tests vorgesehen und werden verwendet, um eine Standardkurve aufzubauen, aus der die Konzentration des Analyten in einer Probe interpoliert werden kann.
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Es ist zu erkennen, dass die ELISA-Prozedur, wie vorstehend umrissen, mehrere Schritte beinhaltet, einschließlich Pipettieren, Inkubation, Waschen, Überführen von Mikroplatten zwischen Aktivitäten, Lesen und Datenanalyse. In den letzten Jahren wurden Systeme entwickelt, die die Schritte (oder "Phasen"), die an den ELISA-Prozeduren beteiligt sind, automatisieren, wie z. B. Probenverteilung, -verdünnung, -inkubation bei spezifischen Temperaturen, Waschen, Enzymkonjugatzugabe, Reagenzzugabe, Reaktionsstoppen und die Analyse von Ergebnissen. Der Pipettenmechanismus, der verwendet wird, um Fluidproben abzusaugen und auszugeben, verwendet wegwerfbare Spitzen, die abgeworfen werden, nachdem sie verwendet wurden, um eine Querverunreinigung von Proben von Patienten zu verhindern. Mehrere Instrumentenkontrollen sind vorhanden, um sicherzustellen, dass geeignete Volumina, Zeiten, Wellenlängen und Temperaturen verwendet werden, die Datenübertragung und -analyse wird vollständig überprüft und überwacht. Eine automatisierte Immuntestvorrichtung zur Ausführung von ELISA-Prozeduren wird nun in Labors von z. B. pharmazeutischen Firmen, Veterinär- und botanischen Labors, Krankenhäusern und Universitäten für In-vitro-Diagnoseanwendungen wie z. B. Prüfen auf Krankheiten und Infektion und zum Unterstützen der Herstellung von neuen Impfstoffen und Arzneimitteln umfangreich verwendet.
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ELISA-Ausrüstungen sind kommerziell erhältlich, die aus Mikroplatten mit Mikrovertiefungen bestehen, die vom Hersteller mit einem spezifischen Antikörper (oder Antigen) beschichtet wurden. Im Fall einer Hepatitis-B-Antigen-Diagnoseausrüstung gibt der Ausrüstungshersteller Anti-Hepatitis-B-Antikörper, die in einer Flüssigkeit suspendiert wurden, in die Mikrovertiefungen einer Mikroplatte aus. Die Mikroplatte wird dann für eine Zeitdauer inkubiert, während welcher Zeit die Antikörper an den Wänden der Mikrovertiefungen bis zum Flüssigkeitsfüllstand (typischerweise etwa die Hälfte der maximalen Fluidkapazität der Mikrovertiefung) haften. Die Mikrovertiefungen werden dann gewaschen, wobei eine Mikroplatte mit Mikrovertiefungen zurückbleibt, deren Wände gleichmäßig mit Anti-Hepatitis-B-Antikörpern bis zum Flüssigkeitsfüllstand bedeckt sind.
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Ein Testlabor empfängt eine Anzahl von Probenröhrchen, die beispielsweise Körperflüssigkeit von einer Anzahl von Patienten enthalten. Eine festgelegte Menge an Flüssigkeit wird dann aus dem Probenröhrchen unter Verwendung eines Pipettenmechanismus abgesaugt und wird dann in eine oder mehrere Mikrovertiefungen einer Mikroplatte ausgegeben, die vorher vom Hersteller vorbereitet wurde, wie vorstehend erörtert. Wenn es erwünscht ist, einen Patienten auf eine Anzahl von verschiedenen Krankheiten zu testen, dann muss Flüssigkeit vom Patienten in eine Anzahl von separaten Mikroplatten ausgegeben werden, die jeweils von ihrem Hersteller mit einem anderen Bindungsmittel beschichtet wurden. Jede Mikroplatte kann dann separat verarbeitet werden, um die Anwesenheit einer anderen Krankheit zu detektieren. Es ist zu sehen, dass die Analyse von mehreren verschiedenen Analyten eine Vielzahl von Mikroplatten und die Überführung von aliquoten Mengen derselben Probe zu den verschiedenen Mikroplatten erfordert. Dies führt zu großen Zahlen von Verarbeitungsschritten und Inkubatoren und Waschstationen, die mit den vielen Mikroplatten theoretisch gleichzeitig zurechtkommen können. In automatisierten Systemen erfordert dies, dass Instrumente mehrere Inkubatoren aufweisen, und eine komplexe Programmierung ist erforderlich, um Konflikte zwischen Mikroplatten mit verschiedenen Anforderungen zu vermeiden. Für eine manuelle Operation sind entweder mehrere Techniker erforderlich oder der Durchsatz der Proben ist langsam. Es ist möglich, Streifen von unterschiedlich beschichteten Mikrovertiefungen in einen einzelnen Träger zu kombinieren, aliquote Mengen einer einzelnen Probe zu den verschiedenen Typen von Vertiefung zuzugeben und dann den ELISA in dieser kombinierten Mikroplatte durchzuführen. Einschränkungen für die Testentwicklung machen jedoch diese Kombination schwierig zu erreichen und es ist auf dem Fachgebiet bekannt, dass, wenn Benutzer Streifen in dieser Weise kombinieren, dies zu Fehlern der Zuweisung des Ergebnisses führen kann, während die Herstellung von Mikroplatten mit mehreren verschiedenen Beschichtungen in verschiedenen Mikrovertiefungen Schwierigkeiten für die Qualitätskontrolle darstellt.
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Herkömmliche ELISA-Techniken haben sich auf die Durchführung desselben einzelnen Tests an mehreren Patientenproben pro Mikroplatte oder das Detektieren der Anwesenheit von einem oder mehreren einer Mehrzahl von Analyten bei diesen Patienten ohne Unterscheidung, welcher der möglichen Analyten tatsächlich vorhanden ist, konzentriert. Es ist beispielsweise üblich, in einer einzelnen Mikrovertiefung zu bestimmen, ob ein Patient Antikörper gegen HIV-1 oder HIV-2 oder HIV-1- oder -2-Antigene besitzt, ohne zu bestimmen, welcher Analyt vorhanden ist, und ebenso für HCV-Antikörper und -Antigene.
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Eine neue Generation von Assays wird jedoch entwickelt, die ermöglichen, dass Multiplexen durchgeführt wird. Das Multiplexen ermöglicht, dass mehrere verschiedene Prüfungen gleichzeitig an derselben Patientenprobe durchgeführt werden.
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Eine neuere Vorgehensweise für das Multiplexen besteht darin, eine Mikroplatte mit 96 Probenvertiefungen zu schaffen, wobei eine Anordnung von verschiedenen Einfangantikörpern in jeder Probenvertiefung angeordnet wird. Die Anordnung weist eine Anordnung von Flecken mit 20 nl mit jeweils einem Durchmesser von 350 µm auf. Die Flecken sind mit einem Teilungsabstand von 650 µm angeordnet. Jeder Fleck entspricht einem anderen Einfangantikörper.
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Das Multiplexen ermöglicht, dass eine größere Anzahl von Datenpunkten und mehr Informationen pro Assay im Vergleich zu herkömmlichen ELISA-Techniken erhalten werden, wobei jede Probenplatte auf einen einzelnen interessierenden Analyten prüft. Die Fähigkeit, mehrere separate Prüfungen in den gleichen Test zu kombinieren, kann zu beträchtlichen Zeit- und Kosteneinsparungen führen. Das Multiplexen ermöglicht auch, dass die gesamte Grundfläche der automatisierten Vorrichtung verkleinert wird.
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Zusätzlich zu ELISA-Prozeduren ist es auch bekannt, eine Hybridisierungssonde zu verwenden, um auf die Anwesenheit von DNA- oder RNA-Sequenzen zu prüfen. Eine Hybridisierungssonde weist typischerweise ein Fragment von DNA oder RNA auf, das verwendet wird, um die Anwesenheit von Nukleotidsequenzen zu detektieren, die zur DNA- oder RNA-Sequenz an der Sonde komplementär sind. Die Hybridisierungssonde hybridisiert mit einsträngiger Nukleinsäure (z. B. DNA oder RNA), deren Basissequenz eine Paarung aufgrund der Komplementarität zwischen der Hybridisierungssonde und der analysierten Probe ermöglicht. Die Hybridisierungssonde kann mit einem Molekülmarker wie z. B. einem radioaktiven oder bevorzugter einem Fluoreszenzmolekül gekennzeichnet oder markiert sein. Die Sonden sind bis zur Hybridisierung inaktiv, an welchem Punkt eine Konformationsänderung besteht und der Molekülkomplex aktiv wird und dann fluoresziert (was unter UV-Licht detektiert werden kann). DNA-Sequenzen oder RNA-Transkripte, die eine mäßige bis hohe Sequenzähnlichkeit zur Sonde aufweisen, werden dann durch Visualisieren der Sonde unter UV-Licht detektiert.
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GB-2472882 offenbart eine Probenplatte mit mehreren Probenvertiefungen. Jede Probenvertiefung weist mehrere Fächer auf, in die Reagenzkügelchen oder Makrokugeln durch einen Reagenzkügelchen- oder Makrokugelverteiler eingebracht werden. Die Reagenzkügelchen oder Makrokugeln können mit einem Antikörper oder Antigen beschichtet sein, das ermöglicht, dass gemultiplexte ELISA-Prozeduren durchgeführt werden. Alternativ können die Reagenzkügelchen mit einer DNA- oder RNA-Sequenz beschichtet sein, die als Hybridisierungssonde wirkt, um auf die Anwesenheit einer komplementären DNA- oder RNA-Sequenz zu prüfen.
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Die in
GB-2472882 offenbarte Probenplatte wurde weiterentwickelt und Probenplatten sind bekannt, die zylindrische Durchgangslöcher aufweisen, wobei Reagenzkügelchen in die Durchgangslöcher eingebracht werden und durch einen Umfangspresssitz mit dem Durchgangsloch festgehalten werden.
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Luminometer zum Überwachen von Lichtemissionsreaktionen sind bekannt. Bekannte Luminometer verwenden ein oder mehrere Photovervielfacherröhren (PMTs), um die emittierten Photonen zu detektieren.
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Andere optische Detektionssysteme sind bekannt, die jedoch komplexe telekonzentrische Glaslinsen verwenden. Solche Systeme leiden unter dem Problem, dass sie eine verzerrte Ansicht von Probenvertiefungen an der Kante der Probenplatte vorsehen.
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US2010/0248387 offenbart eine Lumineszenz-Detektionsvorrichtung und ein Verfahren zum Analysieren von Lumineszenzproben. Lumineszenzproben werden in einer Kammer angeordnet. Licht von den Lumineszenzproben tritt durch einen Kollimator, eine Fresnel-Feldlinse, ein Filter und eine Kameralinse hindurch. Ein fokussiertes Bild wird durch die Optik an einer Kamera mit einer ladungsgekoppelten Vorrichtung ("CCD") erzeugt. Das offenbarte optische System weist einen dunklen Kollimator auf, der nur ermöglicht, dass parallele oder halbparallele Lichtstrahlen die Probenvertiefungen für die letztliche Abbildung durch die CCD-Kamera verlassen.
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Wie nachstehend genauer erörtert wird, ist die Verwendung einer Fresnel-Feldlinse besonders problematisch.
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Das Entwerfen eines optischen Detektionssystems zum optischen Detektieren und Lesen von Reagenzkügelchen, die in den Vertiefungen einer Probenplatte angeordnet sind, ist besonders problematisch. Eine Methode bzw. ein Ansatz für ein optisches Detektionssystem erfordert eine optische Weglänge von ungefähr 1 m, damit das von irgendwelchen Positionen eines Flecks (d. h. Reagenzkügelchen) emittierte Licht korrekt gesammelt wird. Experimente wurden unter Verwendung einer einzelnen kommerziellen Abbildungslinse durchgeführt. Die Verwendung einer einzelnen kommerziell erhältlichen Linse für die Abbildungslinse leidet jedoch unter einer Anzahl von Problemen.
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Erstens muss die optische Weglänge ungefähr 1 m lang sein, was für eine kommerzielle klinische mechanische Analysatorkonstruktion unpraktisch ist.
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Zweitens führten die Eigenschaften der kommerziell erhältlichen Linse dazu, dass ein ungleichmäßiges Feld erzeugt wird, wobei die Reaktion um nicht weniger als 25 % von der Mitte zu den Kanten des Plattenbildes abfiel.
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Drittens besteht eine weitere praktische Begrenzung für die Verwendung eines langen gesamten klaren Weges mit einer einzelnen maßgeschneiderten Linse mit einem relativ flachen Feld darin, dass die Linse relativ groß sein muss (z. B. 125 mm OD oder größer) und die Kosten von solchen kommerziellen Linsen über $ 4000 liegen. Eine solche Lösung ist daher für ein kommerzielles Abbildungssystem unpraktisch.
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Daher ist es erwünscht, ein verbessertes Abbildungssystem zum Analysieren von mehreren Reagenzkügelchen, die in einer Probenplatte gehalten werden, zu schaffen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abbildungssystem zum Abbilden von mehreren Reagenzkügelchen, die in einer Probenvertiefung einer Probenplatte gehalten werden, geschaffen, das aufweist:
eine Nicht-Fresnel-Feldlinse der -Feldlinsenanordnung;
eine Sammellinsenanordnung; und
eine Kamerasensoranordnung;
wobei die Sammellinsenanordnung zwischen der Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung und der Kamerasensoranordnung angeordnet ist.
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Die Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung weist vorzugsweise mindestens eine erste Feldlinse und eine zweite Feldlinse auf.
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Die erste Feldlinse ist vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: (i) einer bikonvexen Linse; (ii) einer plankonvexen Linse; (iii) einer konvexen Meniskuslinse; (iv) einer bikonkaven Linse; (v) einer plankonkaven Linse; und (vi) einer konkaven Meniskuslinse.
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Die zweite Feldlinse ist vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: (i) einer bikonvexen Linse; (ii) einer plankonvexen Linse; (iii) einer konvexen Meniskuslinse; (iv) einer bikonkaven Linse; (v) einer plankonkaven Linse; und (vi) einer konkaven Meniskuslinse.
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Die erste Feldlinse ist vorzugsweise eine bikonvexe, plankonvexe oder konvexe Meniskuslinse und die zweite Linse ist eine bikonvexe, plankonvexe oder konvexe Meniskuslinse.
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Die Sammellinsenanordnung weist vorzugsweise mindestens eine erste Sammellinse und eine zweite Sammellinse auf.
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Die erste Sammellinse ist vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: (i) einer bikonvexen Linse; (ii) einer plankonvexen Linse; (iii) einer konvexen Meniskuslinse; (iv) einer bikonkaven Linse; (v) einer plankonkaven Linse; und (vi) einer konkaven Meniskuslinse.
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Die zweite Sammellinse ist vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: (i) einer bikonvexen Linse; (ii) einer plankonvexen Linse; (iii) einer konvexen Meniskuslinse; (iv) einer bikonkaven Linse; (v) einer plankonkaven Linse; und (vi) einer konkaven Meniskuslinse.
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Licht von den Reagenzkügelchen läuft bei der Verwendung vorzugsweise von der ersten Sammellinse zur zweiten Sammellinse, wobei die erste Sammellinse eine bikonvexe, plankonvexe oder konvexe Meniskuslinse ist und die zweite Sammellinse eine bikonkave, plankonkave oder konkave Meniskuslinse ist.
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Das Abbildungssystem weist vorzugsweise außerdem eine dritte Sammellinse auf, wobei Licht von den Reagenzkügelchen bei der Verwendung von der ersten Sammellinse zur zweiten Sammellinse, dann von der zweiten Sammellinse zur dritten Sammellinse läuft, wobei die dritte Sammellinse eine bikonvexe, plankonvexe oder konvexe Meniskuslinse ist.
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Das Abbildungssystem weist vorzugsweise außerdem eine vierte Sammellinse auf, wobei Licht von den Reagenzkügelchen bei der Verwendung von der ersten Sammellinse zur zweiten Sammellinse, dann von der zweiten Sammellinse zur dritten Sammellinse, dann von der dritten Sammellinse zur vierten Sammellinse läuft, wobei die vierte Sammellinse eine bikonvexe, plankonvexe oder konvexe Meniskuslinse ist.
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Die Sammellinsenanordnung weist vorzugsweise eine F/# auf, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: (i) F/0,70–F/0,80; (ii) F/0,80–F/0,90; (iii) F/0,90–F/1,00; und (iv) F/1,00–F/1,10.
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Die Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung und/oder die Sammellinsenanordnung weist vorzugsweise eine Vergrößerung auf, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: (i) < 0,12; (ii) 0,12–0,14; (iii) 0,14–0,16; (iv) 0,16–0,18; (v) 0,18–0,20; und (vi) > 0,20.
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Eine optische Weglänge von einem Basisabschnitt der Probenvertiefung der Probenplatte zur Detektionsoberfläche der Kamerasensoranordnung ist vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: (i) 50–100 mm; (ii) 100–150 mm; (iii) 150–200 mm; (iv) 200–250 mm; (v) 250–300 mm; (vi) 300–350 mm; (vii) 350–400 mm; und (viii) 400–450 nm; (ix) 450–500 nm.
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Die Kamerasensoranordnung weist vorzugsweise eine Kamera mit ladungsgekoppelter Vorrichtung (CCD) auf.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Makroarrayer mit einem Abbildungssystem, wie vorstehend beschrieben, geschaffen.
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Der Makroarrayer weist vorzugsweise außerdem eine Probenplatte auf.
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Die Probenvertiefung der Probenplatte weist vorzugsweise einen Innendurchmesser auf, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: (i) 5–6 mm; (ii) 6–7 mm; (iii) 7–8 mm; (iv) 8–9 mm; (v) 9–10 mm; (vi) 10–11 mm; (vii) 11–12 mm; (viii) 12–13 mm; (ix) 13–14 mm; (x) 14–15 mm; (xi) 15–16 mm; (xii) 16–17 mm; (xiii) 17–18 mm; (xiv) 18–19 mm; und (xv) 19–20 mm.
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Die Reagenzkügelchen oder Makrokügelchen weisen vorzugsweise einen Durchmesser auf, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: (i) < 0,5 mm; (ii) 0,5–1,0 mm; (iii) 1,0–1,5 mm; (iv) 1,5–2,0 mm; (v) 2,0–2,5 mm; (vi) 2,5–3,0 mm; (vii) 3,0–3,5 mm; (viii) 3,5–4,0 mm; (ix) 4,0–4,5 mm; und (x) 4,5–5,0 mm.
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Die Probenvertiefung weist vorzugsweise einen Basisabschnitt mit mehreren blinden Aussparungen oder Durchgangslöchern auf, wobei ein Reagenzkügelchen in jede der blinden Aussparungen oder Durchgangslöcher eingebracht oder darin festgehalten wird und wobei die Tiefe der Probenvertiefung, von einer Öffnung in die Probenvertiefung, durch die eine Probe bei der Verwendung ausgegeben wird, zum Basisabschnitt gemessen, aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: (i) 2–3 mm; (ii) 3–4 mm; (iii) 4–5 mm; (iv) 5–6 mm; (v) 6–7 mm; (vi) 7–8 mm; (vii) 8–9 mm; und (viii) 9–10 mm.
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Der Makroarrayer weist vorzugsweise außerdem ein Verarbeitungssystem auf, wobei das Verarbeitungssystem angeordnet und ausgelegt ist, um die Lumineszenz von Reagenzkügelchen in der Probenplatte als Indikator der Anwesenheit oder Menge einer Zielverbindung zu detektieren und zu quantifizieren.
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Licht wird vorzugsweise bei der Verwendung von den Reagenzkügelchen aufgrund von Biolumineszenz oder Chemilumineszenz emittiert und weist eine Spitze in einem Bereich auf, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: (i) 400–410 nm; (ii) 410–420 nm; (iii) 420–430 nm; (iv) 430–440 nm; (v) 440–450 nm; (vi) 450–460 nm; (vii) 460–470 nm; (viii) 470–480 nm; (ix) 480–490 nm; und (x) 490–500 nm.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Luminometer zum Analysieren von mehreren Lumineszenzproben geschaffen, das aufweist:
eine Nicht-Fresnel-Feldlinse der -Feldlinsenanordnung;
eine Sammellinsenanordnung; und
eine Kamerasensoranordnung;
wobei die Sammellinsenanordnung zwischen der Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung und der Kamerasensoranordnung angeordnet ist.
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Die mehreren Lumineszenzproben sind vorzugsweise Biolumineszenz- oder Chemilumineszenzproben.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abbilden von mehreren Reagenzkügelchen, die in einer Probenvertiefung einer Probenplatte gehalten werden, geschaffen, das umfasst:
Vorsehen einer Nicht-Fresnel-Feldlinse der -Feldlinsenanordnung, einer Sammellinsenanordnung und einer Kamerasensoranordnung, wobei die Sammellinsenanordnung zwischen der Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung und der Kamerasensoranordnung angeordnet ist; und
Verwenden der Kamerasensoranordnung, um die Intensität der Reagenzkügelchen zu bestimmen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abbildungssystem zum Abbilden von mehreren Reagenzkügelchen, die in einer Probenvertiefung einer Probenplatte gehalten werden, geschaffen, das aufweist:
eine Nicht-Fresnel-Feldlinse der -Feldlinsenanordnung, wobei die Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung eine erste bikonvexe, plankonvexe oder konvexe Meniskuslinse und eine zweite bikonvexe, plankonvexe oder konvexe Meniskuslinse aufweist;
eine Sammellinsenanordnung, wobei die Sammellinsenanordnung eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Sammellinse aufweist, wobei Licht von den Reagenzkügelchen bei der Verwendung von der ersten Sammellinse zur zweiten Sammellinse, dann von der zweiten Sammellinse zur dritten Sammellinse, dann von der dritten Sammellinse zur vierten Sammellinse läuft, wobei die erste, die dritte und die vierte Sammellinse bikonvexe, plankonvexe oder konvexe Meniskuslinsen aufweisen und die zweite Sammellinse eine bikonkave, plankonkave oder konkave Meniskuslinse aufweist; und
eine Kamerasensoranordnung;
wobei die Sammellinsenanordnung zwischen der Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung und der Kamerasensoranordnung angeordnet ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abbilden von mehreren Reagenzkügelchen, die in einer Probenvertiefung einer Probenplatte gehalten werden, geschaffen, das umfasst:
Vorsehen einer Nicht-Fresnel-Feldlinse der -Feldlinsenanordnung, wobei die Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung eine erste bikonvexe, plankonvexe oder konvexe Meniskuslinse und eine zweite bikonvexe, plankonvexe oder konvexe Meniskuslinse aufweist;
Vorsehen einer Sammellinsenanordnung, wobei die Sammellinsenanordnung eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Sammellinse aufweist, wobei Licht von den Reagenzkügelchen bei der Verwendung von der ersten Sammellinse zur zweiten Sammellinse, dann von der zweiten Sammellinse zur dritten Sammellinse, dann von der dritten Sammellinse zur vierten Sammellinse läuft, wobei die erste, die dritte und die vierte Sammellinse bikonvexe, plankonvexe oder konvexe Meniskuslinsen aufweisen und die zweite Sammellinse eine bikonkave, plankonkave oder konkave Meniskuslinse aufweist;
Vorsehen einer Kamerasensoranordnung, wobei die Sammellinsenanordnung zwischen der Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung und der Kamerasensoranordnung angeordnet ist; und
Verwenden der Kamerasensoranordnung, um die Intensität der Reagenzkügelchen zu bestimmen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abbildungssystem zum Abbilden von mehreren Reagenzkügelchen, die in einer Probenvertiefung einer Probenplatte gehalten werden, geschaffen, das aufweist:
eine Nicht-Fresnel-Feldlinse der -Feldlinsenanordnung;
eine Sammellinsenanordnung; und
eine Kamerasensoranordnung;
wobei die Sammellinsenanordnung zwischen der Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung und der Kamerasensoranordnung angeordnet ist.
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Die Feldlinse oder Feldlinsenanordnung weist vorzugsweise eine negative Meniskuslinse auf.
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Die Sammellinsenanordnung weist vorzugsweise eine erste Linse auf.
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Die erste Linse ist vorzugsweise eine plankonvexe Linse.
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Die Sammellinsenanordnung weist vorzugsweise eine zweite Linse auf, wobei Licht von den Reagenzkügelchen bei der Verwendung von der ersten Linse zur zweiten Linse läuft.
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Die zweite Linse ist vorzugsweise eine bikonvexe Linse. Die Sammellinsenanordnung weist vorzugsweise eine dritte Linse auf, wobei Licht von den Reagenzkügelchen bei der Verwendung von der zweiten Linse zur dritten Linse läuft.
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Die dritte Linse ist vorzugsweise eine bikonkave Linse.
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Die Sammellinsenanordnung weist vorzugsweise eine vierte Linse auf, wobei Licht von den Reagenzkügelchen bei der Verwendung von der dritten Linse zur vierten Linse läuft.
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Die vierte Linse ist vorzugsweise eine plankonkave oder bikonkave Linse.
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Die Sammellinsenanordnung weist vorzugsweise eine fünfte Linse auf, wobei Licht von den Reagenzkügelchen bei der Verwendung von der vierten Linse zur fünften Linse läuft.
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Die fünfte Linse ist vorzugsweise eine bikonvexe Linse.
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Die Sammellinsenanordnung weist vorzugsweise eine sechste Linse auf, wobei Licht von den Reagenzkügelchen bei der Verwendung von der fünften Linse zur sechsten Linse läuft.
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Die sechste Linse ist vorzugsweise eine negative Meniskuslinse.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abbildungssystem zum Abbilden von mehreren Reagenzkügelchen, die in einer Probenvertiefung einer Probenplatte gehalten werden, geschaffen, das aufweist:
eine Nicht-Fresnel-Feldlinse der -Feldlinsenanordnung mit einer negativen Meniskuslinse;
eine Sammellinsenanordnung, wobei die Sammellinsenanordnung der Reihe nach eine erste Linse mit einer plankonvexen Linse, eine zweite Linse mit einer bikonvexen Linse, eine dritte Linse mit einer bikonkaven Linse, eine vierte Linse mit einer plankonkaven oder bikonkaven Linse, eine fünfte Linse mit einer bikonvexen Linse und eine sechste Linse mit einer negativen Meniskuslinse aufweist; und
eine Kamerasensoranordnung;
wobei die Sammellinsenanordnung zwischen der Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung und der Kamerasensoranordnung angeordnet ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abbilden von mehreren Reagenzkügelchen, die in einer Probenvertiefung einer Probenplatte gehalten werden, geschaffen, das umfasst:
Vorsehen einer Nicht-Fresnel-Feldlinse der -Feldlinsenanordnung mit einer negativen Meniskuslinse;
Vorsehen einer Sammellinsenanordnung, wobei die Sammellinsenanordnung der Reihe nach eine erste Linse mit einer plankonvexen Linse, eine zweite Linse mit einer bikonvexen Linse, eine dritte Linse mit einer bikonkaven Linse, eine vierte Linse mit einer plankonkaven oder bikonkaven Linse, eine fünfte Linse mit einer bikonvexen Linse und eine sechste Linse mit einer negativen Meniskuslinse aufweist; und
Vorsehen einer Kamerasensoranordnung, wobei die Sammellinsenanordnung zwischen der Nicht-Fresnel-Feldlinse oder -Feldlinsenanordnung und der Kamerasensoranordnung angeordnet ist; und
Verwenden der Kamerasensoranordnung, um die Intensität der Reagenzkügelchen zu bestimmen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können eine oder zwei Linsen mit großem Durchmesser in unmittelbarer Nähe zur Test- oder Probenplatte verwendet werden. Die Linsen vom Typ mit großem Durchmesser sind vorzugsweise Feldlinsen, die eine Anordnung von Linsen aufweisen können.
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Der Zweck der Feldlinse(n) besteht darin, das emittierte Licht von den Kügelchen, die in der Probenplatte gehalten werden, zu erfassen und das Licht in Richtung von Sammelabbildungslinsen zu lenken.
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Ein vorteilhaftes Merkmal der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass die Lichtumlenkung durch die Feldlinse(n) den optischen Weg zu den Abbildungssammellinsen verkürzt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der optische Weg von ungefähr 1 m auf 30–50 cm verkürzt werden.
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Die bevorzugte Ausführungsform stellt daher eine signifikante Verbesserung im Vergleich zur Verwendung einer kommerziellen Abbildungslinse dar.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 einen Prototyp-Feldlinsenaufbau zeigt;
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2 eine Testkügelchen- und Vertiefungsbeziehung zeigt;
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3 eine Feldlinsen- und Sammellinsen-Energiebegrenzung zeigt;
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4 einige Probenvertiefungen zeigt, in denen Reagenzkügelchen befestigt sind;
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5 einen Prüfstandsaufbau zeigt;
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6 eine Vorbelichtung von 5 s einer Testplatte zeigt;
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7 eine Fresnel-Feldlinse zeigt;
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8 eine Ansicht an einer Fresnel-Oberfläche zeigt und 8A Strahlen, die zwischen Prismen übergehen, zeigt;
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9 Testfleckstrahlen nahe dem Zentrum der Platte zeigt;
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10 eine Ansicht von geringfügig abgelenktem Licht und unabgelenktem Licht zeigt;
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10A den Durchgang von Strahlen an einem Prisma zeigt, 10B die fokussierten Strahlen in der Bild- oder Sensorebene zeigt, 10C fünf Stellen an einem Testfleck (1 mm OD) zeigt und 10D alle fünf Flecken, die in der Sensorebene gezeigt sind, zeigt;
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11 ein Beispiel einer Einzelradius-Feldlinse zeigt und 11A ein MTF-Diagramm von 11 unter Verwendung einer perfekten Sammellinse mit 25 mm zeigt;
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12 zwei handelsübliche Feldlinsen zeigt und 12A ein MTF-Diagramm der Konfiguration von 12 zeigt;
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13 eine einzelne Feldlinse mit zwei Brechoberflächen zeigt und 13A ein MTF-Diagramm der Konfiguration von 13 zeigt;
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14 eine Feldlinsenkonfiguration zeigt, die mit einer Sammellinse optimiert ist, und 14A die Auflösung der Kombination zeigt;
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15 eine alternative Feldlinsenkonfiguration mit einer Sammellinse zeigt und 15A ein MTF-Diagramm der Konfiguration von 15 zeigt; und
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16A Linsenelemente gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform zeigt und 16B optische Wege durch die bevorzugten Linsenelemente zeigt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun genauer beschrieben. 1 zeigt eine Prototyp-Feldlinse mit zwei Linsen. Die Feldlinse ist in unmittelbarer Nähe zu einer Probenplatte angeordnet gezeigt, die mehrere gehaltene Reagenzkügelchen aufweist. Fünf Lichtemissionsbereiche von den Reagenzkügelchen sind in 1 gezeigt.
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1 zeigt das emittierte Licht von der Probenplatte auf der linken Seite, das durch die zwei Linsen, die die Feldlinse bilden, gesammelt und umgelenkt wird. Die Feldlinse kann zwei plankonvexe Linsen aufweisen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Feldlinse eine einzelne negative Meniskuslinse aufweisen.
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Von der Mitte der Test- oder Probenplatte emittiertes Licht benötigt keine Feldlinsenanordnung, damit es in Richtung einer Sammellinse (nicht dargestellt) gelenkt wird, die das Licht auf eine Kamerasensoranordnung (nicht dargestellt) fokussiert. In 1 ist das emittierte Licht in der äußersten Position der Probenplatte geringfügig nach außen gerichtet gezeigt. Es bestehen Projektionen dieser äußeren Positionen, die durch die Feldlinsen gesammelt werden könnten, wenn es nicht den weiteren Begrenzungsfaktor gäbe, der die Richtung und die Lichtkegelgröße bestimmt, nämlich die Tiefe und den Innendurchmesser der Multiplex-Vertiefungen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung von drei Testkügelchen, die in einer Probenvertiefung einer Probenplatte angeordnet sind. Das mittlere Kügelchen weist eine potentiell unvignettierte Kombination von kleineren Kegeln von zu sammelndem Licht auf. Die zwei Endkügelchen zeigen Begrenzungen an den Kanten der Vertiefungen. Damit sie korrekt gesammelt und auf linear proportionale abgebildete Orte gerichtet werden, sind die zentralen Strahlen von diesen Kegeln auf die Höhe bezogen. Wenn 2 auf eine Vertiefung bezogen wäre, die in einer äußersten oberen Eckenstelle an einer Testplatte angeordnet wäre, dann wäre der zentrale Strahl der Kegel zur mechanischen Achse parallel. Die Richtung des zentralen Strahls und des äußersten Strahls wäre direkt an der Vertiefungskante vorbei, was eine Hälfte des Vollkegelwinkels bestimmt. Dieser Vollkegel stellt den potentiellen Energiefluss dar, der gesammelt werden kann. Die zentrale Stelle weist einen potentiell größeren Energiekegel auf, der nicht durch die Vertiefungshöhe blockiert ist. Es kann angenommen werden, dass alle potentiellen Lichtkegel durch die Feldlinsenanordnung umgelenkt werden und in Richtung einer Abbildungssammellinse (nicht dargestellt) gelenkt werden.
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Die Abbildungssammellinse (nicht dargestellt) ist vorzugsweise so angeordnet, dass sie eine feste Blende aufweist, die ihre F/Zahl (F/#) bestimmt. Die F/# begrenzt den sammelbaren Energiekegel von allen Stellen an der Test- oder Probenplatte. Wenn die Abbildungssammellinse mit einer Blende von F/1,0 ausgelegt werden sollte, dann hätten einige Stellen einen Energiekegel von weniger als F/1,0, der das Reagenzkügelchen verlässt, und naheliegende Stellen hätten mehr als F/1,0. Das Ergebnis am Sensor in der Bildebene wäre, dass die Flecken mit F/1,0 heller wären als andere Flecken, die eine gewisse Vignettierung aufweisen, die am Bestimmen des sammelbaren Energiekegels beteiligt ist.
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3 zeigt Aspekte eines optischen Abbildungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Feldlinsenanordnung mit zwei Linsen ist in unmittelbarer Nähe zu Lichtemissionsbereichen (d. h. Probenkügelchen) einer Probenplatte gezeigt. Das Licht von der Probenplatte wird durch die Feldlinsen gesammelt und wird zu einer Sammellinse übertragen, die das Licht auf ein Kameradetektionssystem abbildet.
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Die rechte Seite von 3 zeigt eine potentielle Sammellinse mit einer Blende von F/1,0. Lichtkegel sind hinter der Sammellinse (auf der rechten Seite von 3) und vor der Feldlinsenanordnung (auf der linken Seite von 3) gezeigt. Das Verhältnis dieser Kegel ist die gesamte Systemvergrößerung (die Größe der Sensorebene zur Größe der Multiplex-Platte). Diese sind die theoretischen Parameter, außer im Falle von keiner Vignettierung.
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Optisches Detektionssystem ohne Verwendung einer Feldlinsenanordnung
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Mit Bezug auf 3 ist es dann, wenn die zwei Linsen, die die Feldlinse bilden, entfernt werden würden und die Lichtkegel von der Multiplex-Probenplatte immer noch wie gezeigt projiziert werden würden, ersichtlich, dass viele Stellen bei der Sammlung fehlen würden. Mit Rückbezug auf 2 ist zu sehen, dass potentielle Energiekegel vorhanden sind, deren zentraler Strahl geringfügig nach unten projiziert wird. Die Projektion würde in der Richtung der F/#-Blende liegen. Um eine ausreichende Energie zu erreichen, die nicht durch die Kante der Multiplex-Vertiefung blockiert ist, müsste die F/#-Blende der Sammellinse in einem Abstand von ungefähr 1 m angeordnet werden.
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Ein Vorteil der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass unter Verwendung von Feldlinsen, wie in 3 gezeigt, die axiale Gesamtlänge des optischen Detektionssystems auf z. B. 23,2 cm gemäß einer Ausführungsform (im Vergleich zu 1 m ohne Verwendung von Feldlinsen) verkürzt werden kann.
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Beziehung zwischen der Feldlinse und der Sammellinse
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Mit Bezug auf 3 wird die Aufmerksamkeit auf die Winkel der zentralen Strahlen gerichtet, die die Feldlinsenanordnung verlassen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden die Strahlen so projiziert, dass sie die F/#-Blende der stromabseitigen Sammellinse schneiden. Je mehr optische Ablenkung vorliegt (d. h. je kürzer die Brennweite der Feldlinse ist), desto näher kann die F/#-Blende der Sammellinse angeordnet werden, um diese zentralen Strahlen zu schneiden.
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Da der Abstand zwischen der Feldlinse und der Sammellinse verkürzt ist, müssen sich beide Brennweiten ändern, um die gewünschte optische Vergrößerung aufrechtzuerhalten. Das Entgegengesetzte gilt, wenn der Abstand zunimmt.
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Praktische Begrenzungen für den Abstand zwischen der Feldlinse und der Sammellinse
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Kommerziell erhältliche Sammellinsen mit niedrigen F/# sind F/0,95-Linsen mit 25 mm und 50 mm EFL (Brennweiten). Die Linsen sind für ein 4/3"-Sensorformat korrigiert.
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Kommerziell erhältliche Feldlinsen, die einen OD von 6" aufweisen, weisen sehr begrenzte Brennweiten auf und müssen in Kombinationen verwendet werden, um kurze Abstände zu erreichen.
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Aus Computeruntersuchungen, wie durch 3 gezeigt, wobei angenommen wird, dass die Sammellinse perfekt ist, und die Aberrationen von den Feldlinsenkombinationen hinsichtlich der potentiellen Auflösung untersucht werden, können Testfälle gefunden werden.
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Computeruntersuchungen, die unter Verwendung einer Sammellinse mit 50 mm EFL durchgeführt wurden, wiesen gewöhnlich eine Gesamtlänge von der Multiplex-Platte zur Sensorebene zwischen 50 und 80 cm auf. Diese Computeruntersuchungen wurden nicht weiter entwickelt.
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Computeruntersuchungen, die die Verwendung einer Linse mit 25 mm EFL beinhalteten, waren vielversprechender, da sie ermöglichten, dass die Gesamtlänge auf < 30 cm verringert wird wie in dem in 3 gezeigten speziellen Beispiel.
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Das in 3 gezeigte Beispiel wurde aufgebaut und der Prototyp zeigte vorteilhafte Ergebnisse über eine kurze Gesamtlänge unter Verwendung von einer Sammellinse mit niedriger F/#.
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Mit der Auswahl von Kombinationen von Feldlinsen ist es möglich, noch kürzere Gesamtlängen unter Verwendung von Linsen mit 25 mm EFL zu erreichen, aber die optische Vergrößerung kann unter dem Problem leiden, dass das Bild den Kamerasensor überfüllt. In solchen Fällen könnte die Gesamtlänge auf 204 mm verkürzt werden, wenn eine Sammellinse mit 21 mm EFL kommerziell erhältlich wäre. Irgendeine Konfiguration, die kürzer ist als diese, würde maßgeschneiderte Linsen erfordern, die teuer und daher weniger bevorzugt sind.
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Grundlegende optische Konstruktionserwägungen unter Verwendung der Multiplex-Testvertiefungen
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2 ist keine genaue Darstellung der Anordnung von Reagenzkügelchen in den Probenvertiefungen einer Probenplatte. Der Zweck von 2 besteht lediglich darin, zu zeigen, wie Licht austritt, und ist durch die Vertiefungstiefe und die Kügelchenanordnung begrenzt.
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4 zeigt eine genaue Darstellung von mehreren Probenvertiefungen mit jeweils fünf Durchgangslöchern in dem Basisabschnitt, in die Reagenzkügelchen bei der Verwendung eingebracht werden, gemäß einer Ausführungsform. Ein zentraler Strahl, der auf eine F/#-Blende ohne Hilfe von Feldlinsen abzielt, kann angenähert werden, um den Effekt der Nicht-Verwendung einer Feldlinse zu zeigen.
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Gemäß der speziellen Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, ist die Vertiefungstiefe zu einem Kügelchenort 7,5 mm, der Abstand von der Vertiefungswand zur Kügelchenkante ist 1 mm und die kleinsten Kügelchen sind 1,5 mm OD. Diese Abmessungen können projiziert werden und führen zu der Sammellinsen-Aperturblende, die in einem Abstand von 350–450 mm angeordnet ist. Das Testen mit einer kommerziellen F/0,95-Linse mit 25 mm nahe diesen Abmessungen weist immer noch eine Blockierung und Vignettierung an den äußersten Stellen der Testplatte auf. Wenn die Linsentubuslänge und die Kameralänge zu diesen projizierten Abständen addiert werden, wird die Länge von 450 mm so verlängert, dass sie 700 mm wird. Um einen Arbeitsabstand ohne Blockierung/Vignettierung zu erreichen, wäre ein größerer Abstand erforderlich. Dies steht zum Bedarf an einem kürzeren optischen Weg für kommerzielle Brauchbarkeit im Gegensatz.
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Anpassung von Feldlinsen an eine kommerziell erhältliche Sammelabbildungslinse mit 25 mm
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3 zeigt einen optischen Aufbau gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der sich aus dem Analyseabschnitt eines optischen Entwurfsprogramms ergab. Die zwei großen Linsen, die zusammen die Feldlinse bilden, weisen kommerzielle Standardlinsen auf. Ihre Kombination ermöglichte, dass die projizierten zentralen Strahlen eine Ebene schneiden, in der eine theoretische Linse existieren würde. Die optischen Parameter der Feldlinsen und einer perfekten Sammelabbildungslinse mit 25 mm ergibt einen Abstand von 150 mm zwischen den Hauptkomponenten und die korrekte optische Vergrößerung, wenn die Test- oder Probenplatte auf einen Sensor mit 4/3" abgebildet wird. Andere Kombinationen von handelsüblichen Linsen mit großem OD konnten diese Bedingungen nicht erfüllen. Das im optischen Aufbau gezeigte System wurde konstruiert, um die Vorhersage eines kurzen gesamten Arbeitsabstandes zu überprüfen, und die F/0,95-Sammellinse mit 25 mm konnte ohne Blockierung/Vignettierung arbeiten.
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5 zeigt einen Prototyp, bei dem eine Test- oder Probenplatte links angeordnet ist. Ein Zylinder ist zu sehen, der eine Feldlinsenanordnung im Zentrum hält. Eine Grenzfläche zu einer Sammelabbildungslinse mit 25 mm EFL und ein Kameradetektionssystem sind rechts zu sehen. Ein Lineal zeigt, dass der Gesamtabstand von der Test- oder Probenplatte zur Rückseite der Kamera ungefähr 300 mm war. Dies entspricht dem in 3 gezeigten Computermodell. Die physikalische Länge der Linse mit 25 mm EFL fügt etwa 76 mm zur optischen Gesamtlänge hinzu.
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In dem Labortischaufbau wurde die Sammellinse mit 25 mm EFL für einen Bildtest fokussiert. 6 zeigt, dass alle Kügelchen in der Testplatte abgebildet wurden. Die hellen Flecke sind das Ergebnis von Raumlichtstreuung von den unbeschichteten Feldlinsenanordnungsoberflächen. Andre Testbilder wurden mit besserer Streuungskontrolle unter Verwendung von Photolumineszenztestkügelchen untersucht und die äußersten Positionen der Kügelchen wurden beobachtet.
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In vorbereitenden Tests war die Position der Feldlinsenanordnung gegen Bewegungen von +/–25 mm nicht empfindlich. Diese Positionierung der Feldlinsenanordnung wurde für das spätere Photolumineszenztesten gespeichert, um die von den äußersten Kügelchenpositionen gesammelte Energie zu maximieren. Die Sammelabbildungslinse hatte einen festen F/#-Blendedurchmesser und die Trennabstandspositionen wurden optimiert, so dass das emittierte Licht durch die feste Blende hindurchtrat.
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Erörterung der Verwendung von Fresnel-Linsen für Feldlinsen
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Fresnel-Linsen werden typischerweise in Anwendungen verwendet, in denen eine Effizienz beim Projizieren von großen Lichtbündeln erwünscht ist, wie z. B. Suchscheinwerfer oder Leuchttürme. Nicht-Fresnel-Oberflächen unter Verwendung von sphärischen oder asphärischen Elementen weisen größere Volumina auf, wiegen mehr und kosten mehr bei der Herstellung. Die optische Funktion der Kollimation/Lenkung des Lichtbündels in einem zylindrischen Weg ist besser als kontinuierliche sphärische Oberflächen. Die meisten sphärischen und asphärischen Linsen weisen unkorrigierbare Aberrationen auf, die verursachen, dass sich der projizierte Strahl über kurze Abstände aufweitet. Die Aufweitung des projizierten Strahls wird als ineffizient betrachtet. Das Umgekehrte gilt bei Kollektoren wie z. B. Solarkonzentratoren. Eine Fresnel-Linse bildet einen stärker konzentrierten Energiefleck.
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Für Abbildungsanwendungen werden Fresnel-Linsen verwendet, wenn die Unkosten ein Herstellungsfaktor sind und Streulicht und eine geringere Auflösung für die Betrachter kein Problem ist. Die meisten Fresnel-Linsen sind Polymermaterialien, die gegossen oder spritzgegossen werden können, was sie weniger teuer macht als Glaskomponenten. In den meisten Abbildungsanwendungen unter Verwendung von Sensoren oder kleinen Betrachtungsbildschirmen ist das Streulicht bemerkbar und verursacht einen Kontrastverlust. Die Herstellungs-/Formfehler von prismatischen Oberflächen tragen zur Lichtstreuung und zu unkorrigierbaren Aberrationen bei. Theoretische Übertragungsausdrücke nähern sich 90 % für nahezu perfekte Oberflächen und sehr gute Übergänge zwischen einem kreisförmigen Prisma zu seinem Nachbarn. Einiges der Literatur zeigt eine Übertragung zwischen 70 und 90 % aufgrund von Oberflächen- oder Formfehlern. In der Verfolgung von optischen Strahlen, die nachstehend erörtert und dargestellt wird, wird die Streuung ersichtlich. Der allgemeinste Kommentar gegen die Verwendung einer Fresnel-Linse in Systemen, in denen eine gewisse Auflösung erforderlich ist, besteht darin, dass die fehlgeleitete Ablenkung von einigem des Lichts, das durch die Abbildungslinse gesammelt wird, eine unvorhersagbare Verbreitung der Energie in dem Bild der Testflecken verursacht. Wenn die Energie im Bild der Testflecken in der Größe zunimmt, verschwimmen die Bilder miteinander und werden als einzelne Flecken undetektierbar.
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Die Verwendung einer Fresnel-Linse für Vergleichszwecke für die bevorzugte Ausführungsform wird nun mit Bezug auf 7–10 genauer beschrieben. Selbstverständlich leidet eine Fresnel-Linse unter einer Anzahl von Problemen, die nachstehend genauer erörtert werden. Ein Abbildungssystem unter Verwendung einer Fresnel-Feldlinse soll nicht in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
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7 zeigt eine Test- oder Probenplatte auf der linken Seite. Eine Fresnel-Linse mit derselben Brennweite wie vorherige Beispiele ist gezeigt. Eine Sammelabbildungslinse von 25 mm ist auf der rechten Seite gezeigt. Dieses Beispiel zeigt nur einige Strahlen, die vom Testobjekt nachgezeichnet sind, so dass die Strahlen zu sehen sind.
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Aus 7 ist ersichtlich, dass einiges des Lichts von den Teststrahlbündeln abgewichen ist. Bei der tatsächlichen realen Verwendung würden mehr Strahlen zwischen diesen extremen Winkeln und den normalen Strahlen, die auf die Sammelabbildungslinse gerichtet sind, abweichen. Die abgewichenen Strahlen würden nicht korrigiert werden, um sie in derselben Weise wie andere Strahlen zu fokussieren. Folglich würden die Abweichungen die Größe des abgebildeten Kügelchens erhöhen.
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8 zeigt genauer, wie die Übergänge von benachbarten Oberflächen verursachen, dass einige Lichtstrahlen abweichen. Die in 8 gezeigte optische Simulation ist perfekt ohne Fehler aufgrund von Formen oder Gießen. Die Linie zwischen den Prismen ist die Entformungsschräge, typischerweise 1–5°. In dem in 8 und 8A gezeigten speziellen Beispiel ist der Winkel 2°. Die Entformungsschräge ist erforderlich, um zu ermöglichen, dass die Polymeroberfläche aus der Form oder dem Guss entfernt wird. Je größer die Entformungsschräge ist, desto größer ist die Anzahl von Strahlen, die eine Abweichung zeigen. Dieses Beispiel ist eine typische Dichte von Linien oder Prismen pro Einheitslänge von 100 Linien/Zoll (4/mm).
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Wenn die Strahlen benachbarte Prismen überlappen, wird die Streuung mehr ersichtlich. Hier sind die Prismen ohne Fehler gezeigt, so dass die Strahlen mit zweimal der Entformungsschräge abgelenkt/reflektiert werden. Mit Fehlern an der Entformungsoberfläche weichen die Strahlen von der idealen Richtung wie gezeigt ab. Diese Abweichung kann kleiner sein als die reflektierten Strahlen und ist von der idealen fokussierten Position verlagert, was zu weniger Auflösung führt.
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In der in 9 gezeigten Anordnung ist die Oberfläche der Fresnel-Linse etwa 11 mm oberhalb der optischen Achse angeordnet. Dort wird eine Kombination von Strahlen durch das Prisma abgelenkt und wird nicht durch den Raum zwischen den Prismen abgelenkt. Die nicht abgelenkten Strahlen werden 0,02 mm von den abgelenkten Prismenstrahlen fokussiert. Diese Ablenkung ist in einem perfekten System und einer perfekten Sammellinse gezeigt. Tatsächliche Ergebnisse würden größere Abweichungen mit realen Komponenten zeigen. Was in den Strahlennachzeichnungsbeispielen nicht gezeigt werden kann, sind alle Abweichungen von der gesamten Oberfläche der Fresnel-Linse akkumuliert. Diese Strukturierung verringert den Kontrast ist einer Weise ähnlich zu den großen abgelenkten Strahlen.
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10 zeigt einige Strahlen, die durch das Prisma perfekt hindurchtreten, wohingegen andere Strahlen dies nicht tun. 10A zeigt die Strahlen, die durch das Prisma perfekt umgelenkt werden.
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10B zeigt die Strahlen in der Sensor- oder Bildebene. Der Fleck auf der linken Seite stammt von den Strahlen mit gewisser Ablenkung. Der Fleck zeigt zwei Konzentrationen von Strahlen. Der untere Fleck zeigt die abgelenkten Strahlen. Wenn Strahlen von dem Abschnitt der kreisförmigen Oberfläche gesammelt werden könnten, die durch den ganzen Testfleck beleuchtet wird, würde der untere Fleck sich vergrößern und die Auflösung verringern.
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Der Fleck auf der rechten Seite ist ein Beispiel von perfekt gelenkten Strahlen vom Prisma. Die Differenz der Fleckgrößen ist etwa 2:1 an der RMS-Berechnung, die sich auf die allgemeine Auflösung bezieht.
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10C zeigt Strahlenverfolgungen von vier Stellen um einen Kreis mit 1 mm und von einer zentralen Stelle. Der Effekt der nicht korrigierbaren Ablenkungen ist gezeigt. 10D zeigt alle fünf Flecke, die in der Sensorebene gezeigt sind.
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Wenn das System perfekt wäre, wäre die Größe dieses Flecks 0,177 mm OD. Die Größe dieser Flecke ist ungefähr 0,3 mm.
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Die obige Erörterung zeigt, dass die Verwendung einer Fresnel-Linse zu Aberrationen und nicht korrigierbaren Ablenkungen führen würde.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher keine Fresnel-Linse verwendet und die vorliegende Erfindung leidet daher nicht unter den Problemen, die innewohnen würden, wenn eine Fresnel-Linse verwendet werden sollte.
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Feldlinsen-Konfigurationsoptimierung
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Eine anfängliche Untersuchung wurde durchgeführt, um zu bestimmen, wie viele Feldlinsen, um die beigetragenen Aberrationen zu minimieren, in Verbindung mit einer handelsüblichen F/0,95-Sammellinse mit 25 mm EFL (effektive Brennweite) erforderlich wären. Die Untersuchung verwendete handelsübliche Feldlinsen, modifizierte Feldlinsen und maßgeschneiderte Feldlinsen. Eine Voranalyse wurde durchgeführt, um die Kombination der Aberrationen der Feldlinse mit einer potentiellen maßgeschneiderten Sammellinse zu untersuchen, ein Versuch, die Aberrationen beider auszugleichen.
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11 zeigt eine Linse mit niedrigem Brechungsindex mit einer einzelnen Brechoberfläche. 11A zeigt ein Diagramm einer Modulationsübertragungsfunktion ("MTF") entsprechend 11 unter Verwendung einer perfekten Sammelabbildungslinse mit 25 mm EFL. In 11A und in den nachfolgenden Figuren, die eine Modulationsübertragungsfunktion zeigen, gibt "T" tangential an und "S" gibt sagittal an.
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Die interessierenden Details sind die Modulationswerte (Kontrastwerte) zwischen 4–6 lp/mm (Linienpaare pro mm). Der Auflösungsbereich stellt die Größe eines Testflecks (d. h. Kügelchens) mit 1 mm innerhalb der Testplattenvertiefung dar.
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12 zeigt zwei Linsen mit niedrigem Brechungsindex, die in Laborversuchen mit einer F/0,95-Sammellinse mit 25 mm getestet wurden. 12A zeigt die entsprechende Modulationsübertragungsfunktion.
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Unter Beachtung der interessierenden Auflösung ist eine Verbesserung unter Verwendung von zwei Brechoberflächen gegenüber einer Brechoberfläche zu sehen.
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13 zeigt eine einzelne Feldlinse mit zwei Brechoberflächen. Die zwei Radien sind von handelsüblichen Linsen, die für weitere Labortests modifiziert werden können. 13A zeigt eine entsprechende Modulationsübertragungsfunktion.
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Die in 13 gezeigte Linse wurde zum Testen mit einer F/0,95-Sammellinse in einer mechanischen Kegelkonfiguration für niedrigeres Gewicht gebaut. Beim Vergleichen des Auflösungskontrasts von 13A mit 12A ist zu sehen, dass dieser Ansatz eine Verbesserung ist, und führt auch zu einer Gewichtsverringerung.
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Zwei Beispiele sind hier gezeigt, die verschiedene Feldlinsenkonfigurationen mit einer echten Sammellinsenkonstruktion optimieren.
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14 zeigt eine Feldlinsenkonfiguration, die mit einer Sammelabbildungslinse optimiert ist. Die Ausführungsform ist ein Beispiel zum Minimieren der Aberrationen der zwei Sätze von optischen Elementen. 14A zeigt eine entsprechende Modulationsübertragungsfunktion.
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Im Hinblick auf 14A wird angemerkt, dass die Kurven für verschiedene Testplattenfeldpositionen näher beieinander liegen. Vorteilhafterweise wird eine Gesamtverbesserung für alle Feldpositionen beobachtet.
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15 zeigt eine weniger bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei zwei Feldlinsen, die beide eine Meniskusform aufweisen, verwendet werden. Verschiedene andere allgemeine Ansätze für Linsenformen können auch verwendet werden. Dieser Ansatz zeigt eine gewisse Verbesserung gegenüber der anderen Konfiguration.
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Eine Sammellinse mit vier Elementen ist in 14 und 15 gezeigt. Gemäß einer Ausführungsform ist die F/# der Sammellinse ungefähr F/0,9. Andere Ausführungsformen werden in Betracht gezogen, wobei die Sammellinse F/0,8 aufweist – gemäß solchen Ausführungsformen weist die Sammellinsenanordnung vorzugsweise mehr als vier Elemente auf.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird Licht von den Reagenzkügelchen aufgrund von Chemilumineszenz emittiert und ist relativ monochromatisch mit einer Spitze um 460 nm. Das Licht weist jedoch trotzdem wahrscheinlich ein Spektrum auf, das bei der optischen Konstruktion und den verwendeten Beschichtungen berücksichtigt werden muss.
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16A zeigt Linsenelemente gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform und 16B zeigt optische Wege durch die bevorzugten Linsenelemente.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform können die Linsenelemente eine negative Meniskusfeldlinse 1 und eine Sammellinsenanordnung mit einer plankonvexen Linse 2, einer bikonvexen Linse 3, einer bikonkaven Linse 4, einer plankonkaven oder bikonkaven Linse 5, einer bikonvexen Linse 6 und einer negativen Meniskuslinse 7 aufweisen.
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Die Feldlinse 1 weist vorzugsweise einen Krümmungsradius von 129 mm (auf der ersten konvexen Seite, nachstehend "CX") und 318 mm (auf der zweiten konkaven Seite, nachstehend "CC") auf, die plankonvexe Linse 2 weist vorzugsweise einen Krümmungsradius von 60 mm CX auf, die bikonvexe Linse 3 weist vorzugsweise einen Krümmungsradius von 32 mm CX und 32 mm CX auf, die bikonkave Linse 4 weist vorzugsweise einen Krümmungsradius von 32 mm CC und 23 mm CC auf, die plankonkave oder bikonkave Linse 5 weist vorzugsweise einen Krümmungsradius von 175 mm CC (und 31 mm CC, wenn sie bikonkav ist) auf, die bikonvexe Linse 6 weist vorzugsweise einen Krümmungsradius von 31 mm CX und 31 mm CX auf und die negative Meniskuslinse 7 weist vorzugsweise einen Krümmungsradius von 24 mm CX und 36 mm CC auf.
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Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für den Fachmann auf dem Gebiet verständlich, dass verschiedene Änderungen in der Form und im Detail vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie in den begleitenden Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 2472882 [0016, 0017]
- US 2010/0248387 [0020]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- "ELISA and Other Solid Phase Immunoassays, Theoretical and Practical Aspects", Herausgeber D.M. Kemeny & S.J. Challacombe, veröffentlicht von John Wiley, 1988 [0003]
