DE69534719T2

DE69534719T2 - Vorrichtung und verfahren zur durchführung von analysen von proben

Info

Publication number: DE69534719T2
Application number: DE69534719T
Authority: DE
Inventors: Francis John GORDON
Original assignee: Nagaoka Co Ltd; NAGAOKA KK; Burstein Technologies Inc
Current assignee: Nagaoka Co Ltd; Burstein Technologies Inc
Priority date: 1994-09-21
Filing date: 1995-09-15
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2015-09-16
Also published as: CA2200562C; WO1996009548A1; CN1163752C; JP2002022651A; US5892577A; JP2005164615A; US20020085202A1; JP2002107289A; ATE314649T1; CA2384665A1; JP4154684B2; EP1338887A3; CA2200562A1; US6803999B1; JP3364719B2; EP0782705B1; US7110094B2; EP0782705B8; BR9509021A; GB9418981D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und ein Verfahren zur Durchführung optischer Analysen von Proben und ist insbesondere anwendbar auf die Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Proben.
Viele chemische, biochemische und biologische Untersuchungen beruhen auf der Einführung einer Veränderung in den optischen Eigenschaften einer der Prüfung unterzogenen biologischen Probe. Um zum Beispiel auf Anwesenheit eines Antikörpers in einer Blutprobe zu prüfen, die möglicherweise eine Virusinfektion anzeigt, kann eine Enzym-gekoppelte Immunsorbensbestimmung (ELISA) durchgeführt werden, die eine sichtbare gefärbte Abscheidung ergibt, falls der Antikörper anwesend ist. Eine ELISA bedient sich einer Oberfläche, die mit einem Antigen beschichtet ist, das für den Antikörper, auf den zu prüfen ist, spezifisch ist. Nachdem die Oberfläche der Blutprobe ausgesetzt worden ist, binden Antikörper in der Probe an die Antigene. Anschliessende Anfärbung der Oberfläche mit spezifischen Enzym-konjugierten Antikörpern und Umsetzung des Enzyms mit einem Substrat ergibt einen Niederschlag, der das Maß der Antigenbindung aufzeigt und daher die Identifizierung der Anwesenheit von Antikörpern in der Probe erlaubt. Diese Identifizierung wird gewöhnlich unter Benutzung eines Lichtmikroskops durchgeführt, das es einer Bedienungsperson erlaubt, einen Bereich des Substrats zu betrachten.
Außer der Anfärbung unter Benutzung einer ELISA können Techniken, wie Fluoreszenz- und Goldmarkierung benutzt werden, um die optischen Eigenschaften von biologischem Antigenmaterial zu verändern. Ähnliche Techniken werden auch zur Sichtbarmachung spezifischer Gewebebereiche, z.B. besonderer Zelltypen oder Zellstrukturen, in der allgemeinen Histologie sowie in Zellkulturen benutzt.
Ein signifikanter Nachteil der existierenden optischen Analyse verfahren ist der, daß sie wegen ihrer subjektiven Natur menschlichen Fehlern unterliegen können. Diese Verfahren sind auch nicht für Anwendungen geeignet, wo ein hoher Durchsatz an Proben erforderlich ist, z.B. bei Blutreihenuntersuchungen oder Zervixabstrichtests, und sie sind daher relativ kostspielig in der Anwendung. Der Kostenfaktor wird noch vergrößert, weil häufiger für jedes besondere Verfahren eine andere Ausrüstung nötig ist.
EP-A-392475 von Idemitsu Petrochemical Co. Ltd. beschreibt ein Analysegerät zur Untersuchung von Proben, bei dem Proben auf einer drehbaren Scheibe durch Zentrifugalkraft infolge Drehung der Scheibe entwickelt werden und die entwickelten Proben durch einen optischen Meßkopf abgetastet werden. Das Gerät erlaubt es nicht, Ortsdaten von der Scheibe abzutasten.
EP-A-417305, ebenfalls von Idemitsu Petrochemical Co. Ltd., beschreibt ein Analysegerät in Form einer Scheibe mit mehreren auf ihr definierten Wegen für die Aufnahme von zu analysierenden Proben. Die Drehung der Scheibe treibt die Proben entlang von Fließwegen, wo sie mit auf diesen vorgesehenen Reagenzien reagieren. Ein optisches Gerät misst die Reaktionen. Weitere Sensoren können vorgesehen werden, um auf der Scheibe aufgezeichnete Formatdaten abzulesen, jedoch können Adressinformation und Probenanalyse nicht gleichzeitig durch eine einzige Auf licht-Leselichtquelle gelesen werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Durchführung optischer Analysen von Proben, das bestimmte dieser Nachteile überwindet oder wenigstens abmildert.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Analyseverfahren zu schaffen, das automatische Analysen biologischer, biochemischer und chemischer Proben mit hoher Geschwindigkeit erlaubt und anpassungsfähig genug ist, um die Anwendung bei mehreren unterschiedlichen Untersuchungen zu ermöglichen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch Anpassung der Technologie, die auf dem Gebiet der Audio- und Video-Kompaktscheiben entwickelt wurde, auf die Abtastung von Oberflächen mit einer darauf angebrachten Probe unter Benutzung eines Lichtstrahls, der im wesentlichen auf die Oberfläche fokussiert ist. Ein Detektor ist angeordnet, um das von der Oberfläche reflektierte oder durch sie hindurchgegangene Licht zu erfassen und aus der Analyse des erfaßten Lichts zu bestimmen, ob der Lichtstrahl durch das Probenmaterial beeinflußt wurde.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Durchführung einer optischen Untersuchung einer biologischen, chemischen oder biochemischen Probe gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Durch die vorliegende Erfindung wird auch eine Scheibe zur Benutzung bei der Durchführung einer optischen Untersuchung einer Probe gemäß Anspruch 5 geschaffen, ferner ein System zur Durchführung dieser Untersuchungen gemäß Anspruch 13 und ein weiteres Verfahren, wie es in Anspruch 19 angegeben ist.
Andere Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung erlaubt eine schnelle Abtastung einer mit Bestandteilen aus einer Probe beschichteten Oberfläche, um ihre Anwesenheit und nötigenfalls auch ihre optischen Eigenschaften zu bestimmen. Das System ist besonders zur Durchführung der automatischen Untersuchung von Proben mit einem hohen Durchsatz geeignet. Die Schaffung von Adressinformation in oder auf dem Substrat erlaubt außerdem die Bestimmung der genauen Position des Strahls der elektromagnetischen Strahlung auf der Oberfläche, die ihrerseits die genaue Kartierung optischer Daten entsprechend dem angebrachten Material auf der Oberfläche erlaubt. Dies ermöglicht es, Bereiche von Interesse auf der Oberfläche leicht und schnell wieder aufzufinden.
Die vorliegende Erfindung eignet sich zur Durchführung der ELISA, wo das spezifische Antigen auf die Oberfläche des Substrats aufgeschichtet ist. Die Oberfläche wird dann dem Analyten und anschließend dem spezifischen Enzym ausgesetzt, und die resultierende Probe wird abgetastet, um das mit der Oberfläche verbundene Enzym zu erfassen und mengenmäßig zu bestimmen. Das System ist auch zur Durchführung histologischer Analysen und zur quantitativen Untersuchung von Gelen, die durch Elektrophorese gelaufen sind, geeignet.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie die Erfindung ausgeführt werden kann, werden nun Ausführungs formen der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der
1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 eine Querschnittsansicht eines Teils einer Scheibe zur Benutzung bei der Ausführungsform der 1 in größerem Maßstab zeigt,
3 eine detaillierte schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
4(A) bis (C) graphische Darstellungen von Ausgaben aus den in 3 gezeigten Detektoren D1 und D2 zeigt,
5 ein schematisches Diagramm eines Kontrollsystems der Ausführungsform der 4 zeigt,
6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
7 ein schematisches Diagrann eines Kontrollsystems der Ausführungsform der 6 zeigt.
Wie oben diskutiert, ist es erwünscht, eine Oberfläche, an der Material angebracht ist, zum Zwecke einer quantitativen Analyse des Materials oder einer Probe, aus der das Material abgeleitet oder extrahiert ist, optisch abtasten zu können. 1 zeigt in vereinfachter Form ein System, das dies zu erreichen erlaubt. Das System benutzt eine kreisrunde Scheibe 1 (obgleich jede andere geeignete Scheibenform benutzt werden kann), die eine untere und obere Schicht aus durchsichtigem Kunststoffmaterial 2, 3 umfaßt, die die Scheibe mit einer glatten oberen und unteren Oberfläche versehen. Zwischen den beiden Kunststoffschichten befindet sich sandwichartig eine dünne Metallschicht 4, die eine Licht reflektierende Oberfläche schafft. Der Kunststoff kann irgendein solcher geeigneter Werkstoff sein, daß das optisch zu untersuchende Material an der Oberseite der Scheibe in der gleichen Weise wie an irgendeinem herkömmlichen Substrat angebracht werden kann.
Wenn das System zur Durchführung einer ELISA benutzt wird, wird der geeignete Antikörper an die Oberseite der Scheibe gebunden (dies kann eine gewisse Vorbereitung der Oberfläche erfordern). Die Ober fläche wird dann der zu prüfenden Probe, z.B. Blutplasma, ausgesetzt, um irgendwelche Antigene in der Probe an die Antikörper zu binden. Die Oberfläche wird dann gewaschen, um irgendwelches überschüssiges ungebundenes Material zu entfernen, und den geeigneten Enzymkonjugierten Antikörpern 5 ausgesetzt, die sich an den gebundenen Antikörpern festsetzen. Die gebundenen Enzyme 5 können dadurch sichtbar gemacht werden, daß man sie mit einem Substrat unter Bildung eines gefärbten Niederschlags umsetzt. Der Niederschlag stellt eine Vielzahl kleiner opaker Flecken auf der Oberseite der Scheibe dar. Es ist offensichtlich, daß das System in gleicher Weise auf andere Untersuchungsarten anwendbar ist, die einen Farbwechsel oder eine andere veränderte Lichtbeeinflussung ergeben.
Die Scheibe ist auf einer drehbaren Welle 6 angebracht, die durch ein Antriebsmittel (in 1 nicht gezeigt) angetrieben wird, das die Drehung der Scheibe veranlaßt. Ein optischer Block 7 ist über der Scheibe angebracht und entlang einer im wesentlichen linearen Spur beweglich. Der optische Block 7 umfaßt eine Laser-Diode 8, die einen Strahl kohärentes Licht 9 erzeugt, das durch eine Linsenanordnung 10 auf die Oberfläche der Scheibe kollimiert und fokussiert ist. Der optische Block umfaßt auch einen Detektor 11 zur Erfassung des Lichts, das von der Oberfläche der Metallschicht in der Scheibe reflektiert wurde. Die Linsenanordnung 10 enthält ein Polarisationsprisma 12, das nur den Durchgang von vertikal polarisiertem Licht erlaubt, und eine Viertelwellenplatte 37, die die Rotation des Lichtes um 45° verursacht.
Im Betrieb wird die Scheibe durch das Antriebsmittel relativ zu dem optischen Block gedreht. Bei stationärem Block wandert der durch die Laser-Diode erzeugte Lichtstrahl auf einer kreisförmigen Spur der Scheibe. Durch Bewegung des optischen Blocks entlang seiner linearen Spur ist es möglich, die Abtastung des Laserstrahls auf irgendeiner ausgewählten kreisförmigen der Scheibe zu führen. In Bereichen der Scheibenoberfläche, wo kein lichtabsorbierendes Material vorhanden ist, geht das Licht durch die obere Kunststoffschicht hindurch, wird von der Metallschicht reflektiert und wandert zurück durch die obere Kunststoffschicht zu dem optischen Block. In den optischen Block ein tretendes Licht trifft zuerst auf die Viertelwellenlängenplatte 37, die das Licht um weitere 45° dreht, und dann auf das Polarisationsprisma, das wegen der Drehung der Polarisation des reflektierten Lichts um 180° das Licht zu einer Umlenkung unter rechten Winkeln zu dem Detektor veranlaßt.
Wenn der Lichtstrahl auf Bereiche der Scheibenoberfläche fällt, wo lichtabsorbierendes Material vorhanden ist, wird Licht bei Eintritt in die und bei Austritt aus der oberen Kunststoffschicht der Scheibe absorbiert, und das von dem Detektor 11 empfangene Licht ist wesentlich geschwächt.
Der Detektor 11 ist mit einem Datenanalyse- und Datenprotokollierungssystem gekoppelt, das die Ausgabe des Detektors speichert. Dieses System kann die Ausgabe als ein kontinuierliches Analogsignal oder als diskrete digitale Abtastproben speichern, die ein reduziertes Auflösungsbild der Oberfläche darstellen. Unter Annahme des letzteren kann die Abtastrate variiert werden, um sie der verfügbaren Datenspeicherkapazität anzupassen.
Die bisher beschriebenen optischen, mechanischen und elektrischen Einrichtungen zur Implementierung eines Analytdetektors sind im wesentlichen solche, wie sie üblicherweise zum Lesen von Daten aus Kompaktscheiben benutzt werden. Ein solches herkömmliches System ist in dem Lehrbuch "Digital Audio and Compact Disc Technology", 2. Auflage, herausgegeben von Luc Baert et al. (Sony Dienstleistungszentrum Europa), Newnes, 1994, beschrieben.
Das System der 1 ist geeignet, um ein Bild der Scheibenoberfläche zu erhalten, oder eines Teils der Oberfläche, wenn die tatsächliche Lage des Teils selbst unbedeutend ist. Es kann jedoch erwünscht sein, daß man einen ausgewählten Bereich der Scheibenoberfläche abtasten kann, z.B. wenn eine ELISA nur in jenem Bereich durchgeführt wurde, oder wenn es erwünscht ist, erneut auf einen spezifischen interessierenden Bereich zu blicken.
Herkömmliche Kompaktscheiben kodieren Digitalinformation in einem Zwischenbereich der Scheibe dadurch, daß eine Reihe von Störungen 13 (z.B. Rundbuckel oder Grübchen) auf der Oberseite einer unteren Kunststoffschicht 14 gebildet und dann diese Oberfläche mit einer Reflek tionsschicht 15, etwa als dünne Aluminiumschicht, beschichtet wird. Die Reflektionsschicht wird dann mit einer Schicht aus durchsichtigem Kunststoff 16 beschichtet, die die Zwischenschicht schützt (2).
Es ist möglich, diese gleiche Technik zu benutzen, um Positionsinformationen digital in die Scheibe der 1 zu kodieren. Unter der Annahme, daß der Positionsausgangspunkt in der Mitte der Scheibe ist, kann die erste Position auf der innersten Kreisspur oder Spirale mit dem Positionskode 0 (bei binärer Darstellung) eingedruckt werden. Positionskodes können an diskreten Stellen (z.B. alle 2 bis 3 μm oder in irgendeinem anderen geeigneten Intervall) um jene innerste Spur herum bei Erhöhung um 1 zwischen jeder Position eingedruckt werden. Ebenso werden die Kodes von Spur zu Spur erhöht. Alternativ kann die Adressinformation gemäß einer Spur/Sektor-Anordnung in der gleichen Weise verteilt werden, in der Servo-Kodes auf Magnetdisketten und Magnetplatten auf kodiert werden.
Auf Bereichen der Oberfläche der Scheibe, die nicht mit opakem Material bedeckt sind, geht das auf die obere Oberfläche der Scheibe auftreffende Licht durch die obere durchsichtige Kunststoffschutzschicht hindurch und fällt auf die Reflektionsschicht auf. Dieses Licht wird von der reflektierenden Metallbeschichtung reflektiert mit der Ausnahme, wo diese Beschichtung über einem Rundbuckel liegt, der eine Streuung des Einfalllichtes und keine direkte Rückreflektion zum Detektor verursacht. Der Ausgang aus dem Detektor kann daher demoduliert werden, um die Adresse der Scheibenoberfläche zu bestimmen, die laufend abgetastet wird.
Auf Bereichen der Scheibenoberfläche, wo opakes Material bewirkt, daß der einfallende Lichtstrahl im wesentlichen absorbiert anstatt reflektiert wird, wird am Ausgang des Detektors keine Positionsinformation vorliegen. Wenn jedoch die Dichte des opaken Materials relativ gering ist, können die Lücken in der Adressinformation unbedeutend sein.
In Fällen, wo die Adressinformation jedoch kritischer ist, kann ein höher entwickeltes System benutzt werden, für das die Optik in
3 gezeigt ist und das Scheiben mit Adressinformation benutzt, die wie oben beschrieben auf einer Zwischenschicht digital kodiert und verteilt ist. Dieses System bedient sich auch der Tatsache, daß die reflektionsfähige Schicht gebildet sein kann, um einen signifikanten Anteil des auffallenden Lichts (z.B. 40%) durchzulassen. Wie bei dem System der 1 hat das System der zweiten Ausführungsform eine Welle 17, auf der die Scheibe 18 angebracht ist und die die Scheibe zur Rotation veranlaßt, sowie Einrichtungen zur Linearbewegung der Optik relativ zu der Oberseite der Scheibe. Die Dreh- und Verschiebungseinrichtungen sind in 2 zur Einfachheit nicht gezeigt.
Das optische System der 3 umfaßt eine Lichtquelle 19, die z.B. ein Halbleiterlaser oder eine Licht emittierende Diode sein kann, die unterhalb der Scheibe angeordnet ist. Der Ausgangsstrahl 20 der Lichtquelle ist auf einer optischen Achse 2a auf ein Polarisationsprisma (einen Strahlspalter) 21 gerichtet, das nur Licht einer gegebenen Polarisation durchtreten läßt, nämlich nur das Licht, das direkt von dem Laser empfangen wurde. Das hindurchgegangene Licht fällt dann auf eine erste Linse 22, die zur Fokussierung des Lichtes auf der unteren Oberfläche 23 der Reflektionsschicht in der Scheibe eingerichtet ist. Der auf die Kompaktscheibe auftreffende Bruchteil des Lichts wird durch die Reflektionsschicht hindurchgelassen und tritt aus der Oberseite der Scheibe aus. Jegliches Material, das an der oberen Oberfläche angebracht ist, kommt mit dem aus der Scheibe austretenden Licht in gegenseitige Beeinflussung.
Unbeeinflusstes, hindurchgegangenes Licht wird von einer Kollimatorlinse 24 empfangen, die auf die Oberseite der Scheibe fokussiert ist und das empfangene Licht auf einen teilweise durchsichtigen Spiegel 25 richtet, der seinerseits einen Bruchteil des auftreffenden Lichts hindurchgehen läßt, während der Rest unter rechten Winkeln reflektiert wird. Das direkt durch den teilweise durchsichtigen Spiegel hindurchgehende Licht fällt auf eine weitere Linse 26, die das Licht auf die Erfassungsfläche eines Detektors D2 fokussiert. Das unter rechten Winkeln von dem Spiegel 25 reflektierte Licht fällt auf eine Linse 27, die Licht auf einen Detektor D3 fokussiert.
Wie schon beschrieben, wird ein Teil des auf die reflektierende Schicht in der Scheibe auftreffenden Lichts zu der ersten Linse 22 zurückreflektiert, die als eine Kollimatorlinse wirkt, die Licht zu dem Polarisationsprisma 21 zurückleitet. Das reflektierte Licht wird nun horizontal polarisiert und von dem Polarisationsprisma unter rechten Winkeln zu der optischen Achse reflektiert. Dieses reflektierte Licht wird von einer vierten Linse 28 empfangen, die das empfangene Licht auf den Detektor D1 fokussiert.
Das von der Reflektionsschicht reflektierte Licht wird mit der in die Scheibe digital kodierten Information so moduliert, daß die Ausgabe von dem Detektor D1 in gleicher Weise moduliert wird. Da dieses Licht aus der Oberseite der Scheibe nicht austritt, wird es nicht durch an der oberen Probenträgerfläche der Scheibe befindliches Material beeinflußt, und die Adressinformation kann aus der Ausgabe von D1 mit minimalem Fehler bestimmt werden.
Obgleich in 2 nicht gezeigt, enthält der unterhalb der Scheibe befindliche optische Block auch eine Verfolgungsoptik, die die fehlerfreie Verfolgung der Scheibenspuren in einer ähnlichen Weise wie der bei herkömmlichen Kompaktscheibenabspielern erlaubt. Die Verfolgungsoptik umfaßt ein Beugungsgitter, das die Ausgabe von dem Laser in drei parallele Strahlen spaltet, die anschließend durch die erste Linse fokussiert werden, um drei geringfügig getrennte Lichtpunkte zu erzeugen. Der Abstand zwischen diesen Punkten ist so, daß, wenn der mittlere Punkt direkt über der Mitte einer Spur liegt, die anderen zwei Punkte auf jeder Seite der Spur liegen. Der Detektor D1 umfaßt real drei benachbarte Detektoren, die reflektiertes Licht empfangen und deren Abstand dem Abstand zwischen den Strahlpunkten gleichwertig ist. Um den Laser fehlerfrei auszurichten, wird die Laserposition nachgestellt, bis die Ausgabe von dem mittleren Detektor maximal ist und die Ausgaben von den zwei Seitendetektoren ein Minimum sind. Ein Rückkopplungsregelsystem dient dazu, die fehlerfreie Verfolgung aufrechtzuerhalten.
Die von dem Detektor D2 gelieferte Ausgabe wird mit der auf die Scheibe auf kodierten digitalen Adressinformation moduliert und – vorausgesetzt, daß sich kein Licht absorbierendes Material an der Oberseite der Scheibe befindet – hat im wesentlichen die Form der Ausgabe des Detektors D1, d.h. das Verhältnis der Ausgangssignale von D1 und D2 wird konstant sein. Wenn jedoch auf der Oberseite der Scheibe Licht absorbierendes Material vorhanden ist, wird dieses in gegenseitige Beeinflussung mit dem durch die reflektierende Schicht hindurchgegangenen Licht treten, und die Ausgabe von Detektor D2 wird abfallen, während die von D1 konstant bleiben wird. Das Verhältnis der Ausgangssignale von D1 und D2 wird sich demgemäß ändern. Wenn das an der Oberfläche der Scheibe befindliche Material reflektierend, z.B. goldmarkiert ist, steigt die Ausgabe von D1 an, während die von D2 abfällt, wenn der Lichtstrahl das Material abtastet. Das Verhältnis von D1 zu D2 wird die Anwesenheit eines solchen Materials anzeigen.
4 stellt den Fall dar, bei dem das gebundene Material absorbierend, aber nicht reflektierend ist, und zeigt bei (A) einen Querschnitt durch eine typische Scheibe, an deren Oberfläche sich eine angefärbte Zelle 29 befindet. Die reflektierende Schicht unter der Trägeroberfläche ist mit der digitalen Adresse 10101 kodiert. Wenn der Strahl die Spur entlang abtastet, bleibt das Verhältnis zwischen den Ausgabesignalen der Detektoren D1 und D2 (4B) konstant, wo die obere Oberfläche nicht durch die Zelle bedeckt ist. In dem mittleren Bereich jedoch, wo die obere Oberfläche mit der Zelle bedeckt gezeigt ist, fällt das von dem Detektor D2 erzeugte Signal ab, so daß das Verhältnis (4C) der von D1 und D2 erzeugten Signale in gleicher Weise abfällt.
5 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Steuerung der Ausführungsform der 3, wobei der Datenfluß durch das System durch Pfeile angegeben ist. Die Analogausgaben der Detektoren D1 und D2 werden von einer integrierten Schaltung 30 empfangen, die das Verhältnis der zwei Ausgaben bestimmt. Dieses Verhältnis wird dann durch einen Analog-Digital-Wandler 31 in die digitale Form gewandelt und auf einen Bitstrom-Generator 34 zur Verdichtung durch Bitstrom-Modulation übertragen. Die Ausgabe von Detektor D1, die die digital kodierte Adressinformation darstellt, wird zur Verdichtung auch auf einen Adress-Bitstrom-Generator 33 übertragen. Die Bitstromdaten beider Kanäle werden von einer Bitstrommisch- und -anzeigeeinheit empfangen, die die Daten zur Speicherung und Anzeige verarbeitet.
Um eine schärfere Begrenzung der Variationen der Intensität des durch die Scheibe hindurchgegangenen Lichts zu schaffen, ist der Detektor D3 vorgesehen (obgleich dies wahlfrei ist), der durch eine Öffnung 34, Linse 27 und Lochanordnung 35 Licht von dem teilweise durchsichtigen Spiegel erhält. Diese Anordnung verringert in wirksamer Weise den Bereich der Scheibenoberfläche, von dem Licht durch den Detektor D3 empfangen wird, und verringert auch die Tiefenschärfe. Wenn die Ausgabe des Detektors D2 oder das Verhältnis D1:D2 einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, kann die Ausgabe von Detektor D3 benutzt werden, um die Auflösung zu steigern, mit der die Oberfläche der Scheibe betrachtet wird. Die Benutzung der Detektoren D2 und D3 in Kombination verhindert die Wahrscheinlichkeit der Fehlerbildung durch Detektor D3, wenn das System nur Detektor D3 benutzen würde. Andererseits kann D3 eine zweite Detektorart schaffen für die Erfassung z.B. von Fluoreszenzlicht, das von dem an der Oberfläche der Scheibe befindlichen Material emittiert wird.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine absolute Positionsinformation bestimmt werden kann, obgleich die Genauigkeit dieser Information etwas geringer als die sein kann, die von der Ausführungsform der 4 und 5 geliefert wird. Die Scheibenkonstruktion ist jedoch erheblich vereinfacht.
Das optische Untersuchungssystem hat einen "U"-förmigen Arm 36 mit einer Lichtquelle 52 und einem Detektor 38, die an dem oberen bzw. unteren Ende des Arms angebracht sind. Die Lichtquelle und der Detektor sind an einen Laserregler 39 und einen Puffer 40 angeschlossen, wobei der letztere eingerichtet ist, um erfaßte Signaldaten über einen Analog-Digital-Wandler 42 und einen Datenspeicher 43 auf einen Personalrechner 41 zu übertragen.
Die Scheibe 44, auf der die zu untersuchende Probe angebracht oder gelagert ist, ist auf einer drehbaren Spindel 45 angebracht, die parallel zu dem Verbindungsteil 46 des Arms 36 verläuft. Die Spindel 45 wird durch einen Spindelmotor 47 angetrieben. Die optischen Achsen der Lichtquelle 52 und des Detektors 38 sind zueinander entlang der Achse A-A ausgerichtet.
Der Arm 36 ist mit einem Schrittmotor 48 gekoppelt, der den Arm genau in einer zu der Ebene der Scheibe 44 parallelen Ebene dreht, so daß die Drehung des Arms in Kombination mit der Drehung der Scheibe der Lichtquelle/Detektor-Einrichtung die Abtastung auf der gesamten Nutzoberfläche der Scheibe ermöglicht. Der Schrittmotor 48 wird durch einen Dewegungsregler 49 geregelt, der seinerseits durch den Rechner 41 so geregelt wird, daß die relative Lage der Spindel 45 bis auf eine Genauigkeit von b um bestimmt werden kann.
Die Scheibe besteht aus einem gänzlich durchsichtigen Werkstoff, ist aber um einen Teil seiner oberen Umfangsfläche herum mit einem schwarzen Strich 50 versehen. Der Strich 50 wirkt als winkelmäßige Eichmarkierung für das Untersuchungssystem. Wenn eine Untersuchung einer Scheibe erforderlich ist, wird der Arm 36 in eine äußerste Ausgangsposition bewegt, in der sich die Lichtquelle/Detektor-Einrichtung außerhalb der Scheibe 44 befindet. In dieser Position werden der Laser und der Detektor geeicht, um ein konstantes maximales Ausgangssignal sicherzustellen. Der Arm 36 wird dann gedreht, um die Lichtquelle/Detektor-Einrichtung zu der Scheibe hin zu bewegen.
Wenn der Rand der Scheibe erfaßt wird, wird der Arm festgehalten, bis die Eichmarkierung 50 den Strahl unterbricht. Der vordere Rand der Markierung 50 liefert einen Ausgangspunkt, auf den die Winkellage des Detektors bezogen werden kann, während der Rand der Scheibe einen Ausgangspunkt für die radiale Position liefert. Aufgrund der Genauigkeit des Schrittmotors 48 und des Spindelmotors 46 ist es dann möglich, die Position der Lichtquelle/Detektor-Einrichtung relativ zu der Scheibe genau zu bestimmen.
In dem System der 6 enthält die Scheibe 44 mehrere in ihrer Oberseite ausgebildete Bohrungen oder Vertiefungen 51. Die Bohrungen enthalten die zu untersuchende Probe und werden z.B. durch Mikrotitration befüllt. Anstatt die gesamte Oberfläche der Scheibe abzutasten, kann der Personalrechner so eingerichtet sein, daß die Lichtquelle/Detektor-Einrichtung auf der Scheibenoberfläche von einer Bohrung zur anderen schrittweise fortschreitet. Dies wird ermöglicht durch die genaue, von der Eichmarkierung und dem Scheibenrand erhaltene Positionsinformation. 7 zeigt ein Fließdiagramm des Kontrollverfahrens für dieses System.
Das System der 6 kann so modifiziert werden, daß die Lichtquelle 52 und der Detektor 38 auf der gleichen Seite der Scheibe angeordnet sind, wobei die Scheibe mit einer reflektierenden Beschichtung auf oder unter der Oberfläche versehen ist, auf der die Probe gelagert ist. Bei dieser Anordnung erfaßt der Detektor das von der reflektierenden Beschichtung reflektierte Licht. Die beiden Hauptvorteile der Anordnung sind, daß die Oberfläche der Scheibe, die nicht die Probe trägt, sicher gehandhabt werden kann, da sie nicht in dem Lichtdurchgangsweg liegt, und daß der Rauschabstand des optischen Untersuchungsverfahrens gesteigert werden kann, weil das Licht auf dem Wege von der Quelle zu dem Detektor zweimal die Probe passieren muß.
Es ist offensichtlich, daß verschiedene Modifikationen an den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne den Erfindungsumfang zu verlassen. Die Trägeroberfläche der Scheibe kann z.B. mit Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung anstatt mit sichtbarem Licht abgetastet werden. Es ist auch möglich, die Oberfläche mit Strahlung abzutasten, die in dem an der Oberfläche befindlichen Material Fluoreszenz erregt, und die Detektor-Einrichtung (D2 oder D3) zu benutzen, um Licht von Emissionswellenlänge zu erfassen.
Es ist auch möglich, die Scheibe so zu konstruieren, daß die Trägeroberfläche innerhalb der Scheibe und nicht auf ihrer Oberseite ist. Dies kann die Vorteile bringen, daß die Probe nicht durch Handhabung geschädigt wird und ein genaues Probenvolumen analysiert werden kann. Um zu ermöglichen, daß das System für laufende Gele benutzt wird (z.B. zur Identifizierung von Proteinen, DNA usw.), kann auf der Oberseite der Scheibe ein geeignetes Gel vorgesehen werden. Elektroden zum Anlegen eines Potentials an das Gel können integral mit der Scheibe ausgebildet sein, oder sie können auf die Oberseite aufgedruckt oder in anderer Weise abgeschieden sein. Die Elektroden können radial oder umfangsmäßig beabstandet sein. In dem Gel können Grübchen vorgesehen sein, in die das Material für den Durchlauf eingebracht werden kann.
Eine andere Abänderung an den oben beschriebenen Ausführungsformen beinhaltet den Ersatz des Lichtdetektors durch eine Photodiodenanordnung, z.B. eine CCD-Anordnung. Eine bevorzugte Anordnungsform ist eine radial zu der Scheibe verlaufende lineare Anordnung. Die Lichtquelle würde die Form eines Laserliniengenerators annehmen, der zur Erzeugung einer radial verlaufenden, mit der Diodenanordnung ausgerichteten Lichtlinie eingerichtet ist. Ein gewisses Maß an optischer Vergrößerung kann zwischen der Quelle und dem Generator eingebaut sein, um eine Veränderung der Auflösung des Systems zu ermöglichen. Nach jeder Drehung der Scheibe würde die Quelle/Detektor-Einrichtung um die Länge der Laserlinie nach innen springen. Die Vorteile dieser Anordnung sind eine höhere Geschwindigkeit und eine höhere Auflösung.

Claims

Verfahren der Durchführung einer optischen Untersuchung einer biologischen, chemischen oder biochemischen Probe, bei dem man die Probe auf ein Substrat an einer Oberflächenstelle auflegt, von einer Strahlungsquelle einen Einfallstrahl elektromagnetischer Strahlung auf das Substrat richtet, das Substrat mit dem Einfallstrahl dadurch abtastet, daß man das Substrat um eine zu dem Substrat im wesentlichen senkrechte Achse dreht und die Strahlungsquelle in einer Richtung bewegt, die eine zu der genannten Achse radiale Komponente hat, die Strahlung erfaßt, die von dem Substrat und der Probe an der Oberflächenstelle, auf die der Einfallstrahl augenblicklich gerichtet ist, reflektiert wird und/oder durch das Substrat und die Probe hindurchgegangen ist, und entsprechend der erfaßten Strahlung ein Ausgangssignal oder Ausgangssignale liefert, und das oder die Ausgangssignal(e) analysiert, um Informationen über die untersuchte Probe zu entnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß man das oder die Ausgangssignal(e) in der Abtaststufe analysiert, um gleichzeitig daraus digitale Positionsadreßinformationen an der Oberflächenstelle zu entnehmen, die aus einer Modulation wenigstens eines Teils des Einfallstrahls durch verteilte, elektromagnetische Strahlung modulierende Mittel entstehen, die auf dem Substrat an der genannten Oberflächenstelle vorhanden sind, auf die der Einfallstrahl augenblicklich gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 mit der Stufe der Analyse der erfaßten Strahlung während der Abtaststufe, um festzustellen, wenn der einfallende Strahl auf eine an einer bekannten Stelle auf dem Substrat vorgesehene Kalibrierungsmarke fällt, so daß die Abtastung relativ zu der Kalibrierungsmarke ausgerichtet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Probe auf eine erste Seite des Substrats aufgelegt ist und auf der zweiten Seite des Substrats reflektierende Mittel angeordnet sind, die die verteilten, elektromagnetische Strahlung modulierenden Mittel enthalten, wobei man bei dem Verfahren den Strahl der elektromagnetischen Strahlung auf die zweite Seite der Probe richtet und die von der zweiten Seite reflektierte Strahlung erfaßt und ferner die durch das Substrat hindurchgegangene und aus diesem durch die erste Seite austretende Strahlung erfaßt, wobei die Analyse der erfassten Strahlung die genannte Adressinformation und die Analyse der hindurchgegangenen Strahlung eine Information über die zu untersuchende Probe liefert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektromagnetische Strahlung Licht einer Wellenlänge in dem Spektrum zwischen Ultraviolett und Infrarot ist.
Scheibe zur Benutzung bei der Durchführung einer optischen Untersuchung einer biologischen, chemischen oder biochemischen Probe unter Benutzung eines Einfallstrahls von einer Strahlungsquelle mit einem optisch durchlässigen Substrat mit einer Probenauflagefläche, die eine Probe an einer ersten Stelle trägt, und einer unter der genannten Oberfläche befindlichen optischen Spur mit einer Schicht, die optisch lesbare, digital kodierte Adreßinformationen an der Stelle enthält, die optisch unter der Probe ist, so daß die Probeninformation und die genannte Adreßinformation durch einen einzigen optischen Strahl gleichzeitig gelesen werden.
Scheibe nach Anspruch 5, bei der die optische Spur eine kreisförmige Spur oder eine spiralförmige Spur ist.
Scheibe nach Anspruch 5, bei der die Schicht, die die kodierten Informationen enthält, reflektierend ist.
Scheibe nach Anspruch 5, bei der die genannte Schicht, die die kodierten Informationen enthält, halbreflektierend ist.
Scheibe nach einem der Ansprüche 5 bis 8, die eine an der Oberfläche des Substrats angebrachte Abdeckung aufweist.
Scheibe nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der die Scheibe eine Kompaktscheibe ist.
Scheibe nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei der die Scheibe biologisches, chemisches oder biochemisches Material aufweist, das an der genannten Probenauflagefläche angebracht ist.
Scheibe nach Anspruch 11, bei der das an der Probenauflagefläche angebrachte Material gefärbt, reflektierend oder fluoreszierend ist.
System zur Durchführung einer optischen Untersuchung einer biologischen, chemischen oder biochemischen Probe mit (A) einer Scheibe nach einem der Ansprüche 5 bis 12 und (B) einem optischen Untersuchungssystem mit (a) einer Strahlungsquelle zur Schaffung wenigstens eines Strahls elektromagnetischer Strahlung, (b) einem Erfassungssystem mit einem oder mehreren Detektoren für die Erfassung der von der Scheibe reflektierten und/oder durch die Scheibe hindurchgegangenen Strahlung und einer Beobachtungsoptik, die die Verfolgung des genannten Strahls der Strahlung auf der genanten optischen Spur ergibt, um so durch den genannten Strahl der Strahlung gleichzeitig Proben- und Adressinformation zu lesen.
System nach Anspruch 13, bei dem die Strahlungsquelle relativ zu der Scheibe so angeordnet ist, daß sich die Probenauflagefläche zwischen der Strahlungsquelle und der Substratoberfläche befindet.
System nach Anspruch 13, bei dem die Strahlungsquelle relativ zu der Scheibe so angeordnet ist, daß sich die Substratoberfläche zwischen der Strahlungsquelle und der Probenauflagefläche befindet.
System nach Anspruch 15, bei dem die Schicht der Scheibe, die die Information kodiert, halbreflektierend ist und das Erfassungssystem zwei Detektoren aufweist, wobei einer der beiden Detektoren auf der gleichen Seite der Scheibe wie die Strahlungsquelle angeordnet ist und der andere der beiden Detektoren auf der der Strahlungsquelle gegenüberliegenden Seite der Scheibe angeordnet ist.
System nach Anspruch 16, bei dem das Erfassungssystem ferner einen dritten Detektor aufweist, der auf der der Strahlungsquelle gegenüberliegenden Seite der Scheibe angeordnet ist.
System nach Anspruch 13, bei dem das Erfassungssystem ein Bildschirmgerät zur Betrachtung der Ergebnisse der optischen Untersuchung aufweist.
Verfahren zur Durchführung einer optischen Untersuchung einer biologischen, chemischen oder biochemischen Probe mit den Stufen der (A) Bereitstellung einer Scheibe nach Anspruch 11 und (B) optischen Untersuchung des auf der Probenauflagefläche angebrachten Materials mit den Stufen der (a) Verforlgung eines Strahls der Strahlung längs der optischen Spur in der Scheibe, um eine erfassbare Strahlung zu erzeugen, die von der optischen Scheibe reflektiert wird und/oder durch die optische Scheibe hindurchgeht, und (b) Messung der erfassbaren Strahlung, um die Anwesenheit des Materials auf der Probenauflagefläche und gleichzeitig eine Adressinformation zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Stufe der Messung der erfassbaren Strahlung die Schaffung eines optischen Bildes des Materials beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem nur erfassbare Strahlung gemessen wird, die von der Scheibe reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem erfassbare Strahlung gemessen wird, die von der Scheibe reflektiert und durch die Scheibe hindurchgegangen ist.