用于利用前照射进行检测的方法和系统.pdf

描述了包括测量腔室中的测量区域(104)的辐射检测系统(100)，所述测量区域适于容纳至少一个待检查的样本(108)以及适于接收用于撞击到所述至少一个样本(108)上并且用于产生样本辐射的激发辐射。该辐射检测系统(100)此外还包括至少一个用于检测产生的样本辐射的检测器元件(106)。因此，该辐射检测系统是前照射系统，即所述激发辐射入射到测量腔室中的测量区域(104)的第一侧上并且所述至少一个检测器元件(106)置于测量腔室中的测量区域(104)的第二侧，该第二侧关于测量腔室中的测量区域(104)与第一侧相对，使得检测发生在面向第一侧的一侧。所述检测系统(100)还包括适于将所述激发辐射引导到所述至少一个检测器元件(106)的旁边的光学装置(112)。

1.  一种包括测量腔室中的测量区域(104)的辐射检测系统(100)，所述测量区域适于容纳至少一个待检查的样本(108)以及适于接收用于撞击到所述至少一个样本(108)上并且用于产生样本辐射的激发辐射，该辐射检测系统(100)还包括至少一个用于检测所述产生的样本辐射的检测器元件(106)，
所述激发辐射入射到测量腔室中的测量区域(104)的第一侧上并且所述至少一个检测器元件(106)置于测量腔室中的测量区域(104)的第二侧，该第二侧关于测量腔室中的测量区域(104)与所述第一侧相对，
其中所述检测系统(100)此外还包括适于将所述激发辐射引导到所述至少一个检测器元件(106)的旁边的光学装置(112)。

2.  依照权利要求1的辐射检测系统(100)，其中所述光学装置(108)包括适于基本上屏蔽所述至少一个检测器元件(106)以免受到所述激发辐射的照射的屏蔽装置。

3.  依照权利要求2的辐射检测系统(100)，其中所述屏蔽装置包括适于基本上屏蔽激发辐射对所述至少一个检测器元件(106)的直接撞击的第一屏蔽元件(202)。

4.  依照权利要求3的辐射检测系统(100)，其中所述屏蔽装置此外还包括适于基本上遮挡由所述第一屏蔽元件(202)散射的所述激发辐射的至少一部分的第二屏蔽元件(252)。

5.  依照权利要求2的辐射检测系统(100)，所述屏蔽装置包括可相对于所述至少一个检测器元件(106)可控地移动的至少一个屏蔽元件(202，252)。

6.  依照权利要求5的辐射检测系统(100)，其中所述可以可控地移动的屏蔽元件(202，252)在由所述屏蔽元件(202，252)确定的平面内是可移动的。

7.  依照权利要求5的辐射检测系统(100)，所述检测系统包括多个检测器元件并且此外还包括用于使得所述可以可控地移动的屏蔽元件(202，252)的运动与所述多个检测器元件中的每一个的激励相关的控制器。

8.  依照权利要求5的辐射检测系统(100)，其中所述可以可控地移动的屏蔽元件(202，252)在与由所述屏蔽元件(202，252)确定的平面垂直的方向上是可移动的。

9.  依照权利要求2的辐射检测系统(100)，所述屏蔽装置包括至少一个屏蔽元件(202，252)，所述屏蔽元件为允许随着时间产生可变屏蔽模式的可设置屏蔽元件。

10.  依照权利要求9的辐射检测系统(100)，其中允许产生可变屏蔽模式的可设置屏蔽元件是显示器。

11.  依照权利要求1的辐射检测系统(100)，其中适于将所述激发辐射引导到所述至少一个检测器元件(106)的旁边的光学装置(108)包括用于将所述激发辐射聚焦到所述至少一个检测器元件(106)的旁边的辐射折射装置(302)。

12.  依照权利要求11的辐射检测系统(100)，所述辐射折射装置(302)包括至少两个用于将所述激发辐射聚焦到所述至少一个检测器元件(106)的旁边的透镜元件。

13.  依照权利要求11的辐射检测系统(100)，其中所述辐射折射装置(302)适于将所述激发辐射聚焦到漫反射装置(304)上，该漫反射装置适于将所述激发辐射漫反射回所述样本(108)。

14.  依照权利要求1的辐射检测系统(100)，其中所述辐射检测系统此外还包括用于从激发辐射中过滤样本辐射的检测滤波器。

15.  依照权利要求4的辐射检测系统(100)，其中所述第二屏蔽元件(252)相对于所述第一屏蔽元件(202)放置，使得它位于所述第一屏蔽元件(202)的阴影区域中。

16.  依照权利要求1的辐射检测系统(100)，其中用于撞击到所述至少一个样本(108)上的激发辐射基本上被准直。

17.  依照权利要求1的辐射检测系统(100)，其中所述检测系统(100)包括大面积电子器件技术制造的阵列。

18.  一种用于检测来自样本的辐射的方法(400)，该方法包括：
-利用激发辐射从所述样本的第一侧照射(404)该样本，所述照射是用于产生样本辐射的照射，
-使用至少一个检测器元件从所述样本的第二侧检测(406)样本辐射，所述第二侧与所述第一侧相对，所述方法包括将所述激发辐射引导到所述至少一个用于检测所述样本辐射的检测器元件的旁边。

用于利用前照射进行检测的方法和系统
技术领域
本发明涉及检测领域并且涉及需要检测装置的任何设备。更特别地，本发明涉及传感器领域，尤其是生物传感器和/或用于样本的化学、生物和/或生化分析的微流体器件。
背景技术
微流体器件处于大多数生物芯片技术的核心，正用于流体(例如基于血液的)样本的制备及其后续的分析。已知包括生物传感器和微流体器件的集成设备，例如称为DNA/RNA芯片、生物芯片、基因芯片和芯片实验室(lab-on-a-chip)。特别地，阵列(例如微阵列)高通量筛选(highthroughput screening)是用于例如诊断学中采用的化学或生化分析的新工具之一。这些生物芯片器件包括其中检查化学或生化反应的小容积容器(well)或反应器，并且可以快速而可靠地调控、运送、混合和存储极少量的液体以便大量地执行希望的物理、化学和生化反应与分析。通过执行小容积化验(assay)，可以大量地节省时间以及目标(target)、化合物和反应物的成本。
通常，使用光学检测系统来进行生物芯片的荧光信号的检测，所述光学检测系统包括在台式(bench-top)/实验室机器的局部中的光源、光学滤波器和传感器(例如CCD相机)，以便确定存在的荧光团的数量。图1中示出了这种传感器10的示意图，其示出了用于照射基底18上的样本16的辐射源14。得到的荧光信号通过使用检测器元件12中的光学器件22来收集。此外，台式/实验室机器中使用的荧光检测系统通常需要昂贵的光学部件来采集并且分析这些荧光信号。典型地，需要用于对激发辐射20进行滤波的滤波器以及用于将激发辐射和荧光响应分离的滤波器24。特别地，具有陡峭的波长截止(cut-off)的昂贵光学滤波器(即高选择性的滤波器)用来获得这些光学系统的需要的灵敏度，因为通常激发频谱(吸收)和发射频谱(荧光)之间的移位是小的(<50nm)。后者示于图2。因此，基于荧光的光学系统中的噪声的主要来源是激发光(的一部分)的反射以及激发光的(瑞利(Rayleigh))散射。
在诸如分子诊断学之类的许多生物技术应用中，需要包括光学传感器或者光学传感器阵列的生物芯片，其检测荧光信号并且可以被并行且独立地读出以便允许各种(反应)条件下的高通量分析。合并了光学传感器的生物芯片的优点首先在于，片上(on-chip)荧光信号采集系统提高了分析芯片(例如DNA芯片)杂交模式分析的速度和可靠性，降低了用于化验的成本，例如通过获得用于诸如医护点(point-of-care)诊断和路旁测试(即不再需要中心台式机器)之类的应用的便携式手持仪器获得了高的便携性，由于收集的立体角增大而可以放大荧光强度，以及减少了介质边界和相应的反射的数量。
台式机器将变得能够操纵多功能生物芯片以及多种多样的生物芯片。让光学传感器作为台式机器的一部分要求安装用于特定化验的特定滤波器组，这妨碍了利用各种激发和/或发射频谱进行荧光标记(label)的并行(复用)检测。因此，能够读出片上光学传感器允许实现柔性多用途台式机器并且打开了通往生物芯片、台式机器及其部件的标准化之路。然而，对于滤波器的需要使得这样的生物芯片昂贵，这在考虑用完可丢弃的(disposable)生物芯片的情况下是尤为不利的。
在Nucleic Acids Research 32(2004)中，Fixe等人描述了一种具有集成光学传感器的生物芯片。检测系统使用了昂贵的滤波器以便滤除激发光，由此检测灵敏度由于所述滤波而受到限制。
在诸如分子诊断学之类的许多生物技术应用中，需要包括温控隔间阵列的生化模块(例如传感器、PCR)，其可以被并行和独立地处理以便允许实现高的多功能性和高的通量。
发明内容
本发明的目的是提供用于检测前照射系统中的辐射的有效的系统和方法。本发明实施例的优点在于，可以避免用于分离激发辐射和产生的样本辐射的经济和劳动密集的高成本的高质量滤波器。此外，本发明实施例的优点在于，可以获得对于产生的样本辐射的高灵敏度。本发明实施例的优点在于，获得了用于前照射系统的有效检测。后者允许将基底用于检测器，其不透明，例如硅片或柔性金属箔。此外，本发明实施例的优点在于，可以抑制激发辐射对传感器的直接照射，从而允许检测通常更弱的产生的样本信号。
上面的目的是通过依照本发明的方法和设备来实现的。
本发明涉及包括测量腔室(chamber)中的测量区域的辐射检测系统，所述测量区域适于容纳至少一个待检查的样本以及适于接收用于撞击到所述至少一个样本上并且用于产生样本辐射的激发辐射，该辐射检测系统还包括至少一个用于检测产生的样本辐射的检测器元件，所述激发辐射入射到测量腔室中的测量区域的第一侧上并且所述至少一个检测器元件置于测量腔室中的测量区域的第二侧，该第二侧关于测量腔室中的测量区域与第一侧相对，其中所述检测系统此外还包括适于将激发辐射引导到所述至少一个检测器元件的旁边的光学装置。本发明的优点在于，在依照本发明的实施例中可以避免用于分离激发辐射和得到的辐射的选择性滤波器。后者导致经济和劳动密集成本的降低。所述得到的辐射可以是例如荧光辐射、磷光辐射、化学发光辐射、光致变色辐射中的任何一种。所述光学装置此外还可以适于将背景辐射(例如杂散光)引导到所述至少一个检测器元件的旁边。
所述光学装置可以包括适于基本上屏蔽所述至少一个检测器元件以免受到激发辐射的照射的屏蔽装置。
该屏蔽装置可以包括适于基本上屏蔽激发辐射对所述至少一个检测器元件的直接撞击的第一屏蔽元件。特定实施例的优点在于，只需要少数部件以便获得前照射辐射检测器。该第一屏蔽元件可以相对于所述至少一个检测器元件可控地移动。
所述屏蔽装置此外还可以包括适于基本上遮挡由所述第一屏蔽元件散射的激发辐射的至少一部分的第二屏蔽元件。
本发明特定实施例的优点在于，可以获得高的荧光灵敏度。
所述第一和第二屏蔽元件中的至少一个可以相对于所述至少一个检测器元件可控地移动。
所述屏蔽装置可以包括可相对于所述至少一个检测器元件可控地移动的至少一个屏蔽元件。可以可控地移动的所述至少一个屏蔽元件可以是所述第一屏蔽元件。可以可控地移动的所述至少一个屏蔽元件可以是所述第二屏蔽元件。可以可控地移动的所述至少一个屏蔽元件还可以是所述第一屏蔽元件和所述第二屏蔽元件。
可以可控地移动的屏蔽元件可以是在由该屏蔽元件确定的平面内可移动的。这里，“由该屏蔽元件确定的平面”指的是其中该屏蔽元件充分延伸的平面。
所述检测系统可以包括多个检测器元件并且此外还可以包括用于使得可以可控地移动的屏蔽元件的运动与所述多个检测器元件中的每一个的激励相关的控制器。本发明实施例的优点在于，可以充分地降低激发辐射对所述至少一个检测器元件的间接撞击。所述控制器可以通过在所述多个检测器元件基本上被屏蔽掉激发辐射时打开所述多个检测器元件中的每一个来使得所述多个检测器元件的开关与所述屏蔽元件的运动同步。
可以可控地移动的屏蔽元件可以是在与由该屏蔽元件确定的平面垂直的方向上可移动的。
本发明特定实施例的优点在于，检测灵敏度可以适应于样本的辐射效率。本发明特定实施例的优点在于，可以根据所研究的样本的散射特性控制所述至少一个检测器元件与所述第二激发辐射之间的间隔。
所述屏蔽装置可以包括至少一个屏蔽元件，所述屏蔽元件为允许随着时间产生可变屏蔽模式的可设置屏蔽元件。为可设置屏蔽元件的所述至少一个屏蔽元件可以是所述第一屏蔽元件、所述第二屏蔽元件或者所述第一和第二屏蔽元件。
允许产生可变屏蔽模式的可设置屏蔽元件可以是显示器。
本发明特定实施例的优点在于，通过不同检测器元件对辐射的检测可以以自动和自动化的方式来实现。
适于将激发辐射引导到所述至少一个检测器元件的旁边的光学装置可以包括用于将激发辐射聚焦到所述至少一个检测器元件的旁边的辐射折射装置。
该辐射折射装置可以包括至少两个用于将激发辐射聚焦到所述至少一个检测器元件的旁边的透镜元件。
该辐射折射装置可以适于将激发辐射聚焦到漫反射装置上，该漫反射装置适于将激发辐射漫反射回样本。本发明特定实施例的优点在于，可以获得高的荧光灵敏度。
所述辐射检测系统此外还可以包括用于从激发辐射中过滤样本辐射的检测滤波器。该检测滤波器可以置于所述至少一个检测器元件的前面。
所述第二屏蔽元件可以相对于所述第一屏蔽元件放置，使得它位于第一屏蔽元件的阴影区域中。
激发辐射可以基本上被准直。
所述检测系统可以包括基于大面积电子器件技术制造的阵列。大面积电子器件技术可以是基于非晶硅、低温多晶硅和/或有机技术的技术。
本发明还涉及用于检测来自样本的辐射的方法，该方法包括：
-利用激发辐射从样本的第一侧照射该样本，所述照射是用于产生样本辐射的照射，
-使用至少一个检测器元件从样本的第二侧检测样本辐射，该第二侧与第一侧相对，
该方法包括将激发辐射引导到所述至少一个用于检测样本辐射的检测器元件的旁边。
所附独立权利要求和从属权利要求中陈述了本发明的特定和优选的方面。来自从属权利要求的特征可以适当地与独立权利要求的特征以及与其他从属权利要求的特征相结合，并且可以不仅仅与权利要求中明确陈述的特征相结合。
本发明的教导允许设计用于检测辐射的改进的方法和设备，例如用于荧光检测的方法和系统。
本发明的上述和其他的特性、特征和优点根据以下结合附图进行的详细描述将变得清楚明白，所述附图通过举例的方式示出了本发明的原理。该描述的给出仅用于举例的目的，并没有限制本发明的范围。以下引用的附图标记参见所述附图。
附图说明
图1为依照现有技术检测来自生物芯片的荧光信号的光学装置的示意图。
图2为依照现有技术经常出现在生化荧光化验中的由于小的斯托克斯频移(Stokes shift)而引起的激发频谱与荧光频谱之间的重叠的图示。
图3为依照本发明实施例的包括激发辐射引导装置的检测系统的示意性表示。
图4a和图4b示出了依照本发明实施例的用于微流体器件的前照射系统，其具有置于基底的相对侧的双层屏蔽元件。
图5为依照本发明第一方面的第一实施例的具有前照射和单个屏蔽元件的微流体辐射检测系统的示意图。
图6示出了如依照本发明第一方面的第一实施例的检测系统中可能出现的、在用于光学感测微流体器件的具有单个屏蔽元件的前照射系统中的检测器元件的不希望的照射。
图7示出了依照本发明第一方面的第二和第三实施例的、用于感测微流体器件的具有空间可变屏蔽装置的前照射系统。
图8示出了依照本发明第一方面的第四实施例的、用于微流体器件的具有两个固定屏蔽装置的前照射系统。
图9示出了依照本发明第一方面的第五实施例的、用于微流体器件的具有两个固定屏蔽装置并且具有准直光源的前照射系统。
图10示出了依照本发明第一方面的第六实施例的、用于微流体器件的具有辐射折射装置的前照射系统。
图11示出了依照本发明第二方面的用于基于前照射检测辐射的方法。
在不同的附图中，相同的附图标记表示相同的或者相似的元件。
具体实施方式
下面将针对特定实施例并且参照特定附图来描述本发明，但是本发明并不限于此，而是仅由权利要求书所限制。权利要求书中的任何附图标记都不应当被视为对范围的限制。所描述的附图仅仅是示意性的并且是非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。在本说明书和权利要求书中使用措词“包括”的地方，它并没有排除其他的元件或步骤。除非另有明确说明，在当表示单数名词时使用了不定冠词或者定冠词(例如“一”、“该”)的地方，其包括该名词的复数。
此外，本说明书和权利要求书中的措词第一、第二、第三等等用于区分相似的元件，而不一定用于描述顺序的或者时间顺序的次序。应当理解的是，这样使用的这些措词在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够以不同于这里描述或说明的其他顺序操作。
此外，本说明书和权利要求书中的措词顶部、底部、上面、下面等等用于描述的目的，而不一定用于描述相对位置。应当理解的是，这样使用的这些措词在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够以不同于这里描述或说明的其他取向操作。
本发明的不同实施例和方面涉及辐射的检测，例如电磁辐射的检测。辐射的检测通常涉及在利用激发辐射束激发时来自样本的发射，例如荧光发射，但是本发明并不限于此。所述激发辐射可以包括光学的、红外的、远红外的、紫外的或者远紫外的波长范围内的电磁辐射。来自样本的辐射发射可以例如是辐射发射部位(site)，其可以是由例如标记的发光目标粒子占据的基底上的占据的部位，这是常用于微流体生物检测中的技术。然而，用于检测来自样本的辐射发射的方法和系统也可以涉及检测所有种类的辐射发射，即不一定涉及生物粒子，而是也涉及其他的辐射源，例如设备、样本或表面的化学或结构特征，其例如在被照射时导致光发射的产生。在下面的实施例中，将通过图示描述来自样本中的辐射标记(例如荧光标记)的辐射发射的检测，但是本发明并不限于此。该样本典型地可以是流体，例如液体或气体。该样本典型地可以是分析物混合体。包括在本发明的范围内的典型的辐射过程是荧光过程、磷光过程、化学发光过程、光致变色过程等等。
辐射的检测可以用于从生物学上、化学上或者生物化学上分析样本。典型地，这样的检测系统可以应用到生物化学和分子生物物理学中。由于当前的生化协议通常已经合并了荧光标记，因而可以容易地将基于芯片的化验合并到现有的协议中，而不改变生化成分(biochemistry)。例如，蛋白质的荧光标记在生物科学中是相当常见的，并且全世界每年进行数百万荧光免疫分析。此外，诸如双脱氧测序法(Sanger sequencing)和聚合酶链反应(PCR)之类的反应已经适于使用荧光标记方法。事实上，作为用于医疗诊断的快速生长技术的实时定量PCR扩增(amplification)(RQ-PCR)正通过使用荧光标记而以高效率实现。在该技术中，在温度处理期间使用报告分子(例如分子信标)对扩增的产物的存在进行定量的记录，所述报告分子产生在相同设备中实时测量的光学信号。记录的信号是所述存在以及特定核酸分子的浓度的测量，所述特定核酸分子例如(但不限于)细菌或细菌集合。通常，荧光检测可以用在分析芯片的各种应用中，例如DNA扩增期间光学信标的荧光检测、表面上标记的蛋白质以及固定不动的或杂交的(标记的)核酸的荧光检测。
典型地，在生物感测过程或者上述相关过程中，使用诸如发光检测之类的辐射检测的感测过程基于辐射标记，所述辐射标记直接或间接地附着到目标分子上，所述目标分子例如蛋白质、抗体、核酸(例如DNR、RNA)、缩氨酸、低聚糖或多聚糖或者糖、小分子、荷尔蒙、药物、代谢物、细胞或细胞馏分(fraction)、组织馏分等等。典型地，可以在流体中检测这些分子，所述流体可以是原始的样本或者在插入到生物传感器之前已经经过处理，例如被稀释、煮解(digest)、降解(degrade)、生化修改、过滤、溶解到缓冲剂(buffer)中。原始的流体可以是例如几乎任何有机体(例如哺乳动物样本和人类样本)的生物流体，例如唾液、唾沫、血液、血浆、血清、间质流体或尿、肛门和阴道分泌物、汗液和精液，或者其他流体，例如饮用流体、环境流体，或者由样本预处理而产生的流体。它可以例如是环境样本，例如空气、农业的水和土壤样本、生物战剂样本；研究样本。所述流体可以例如包括固体样本材料的成分，其例如来自活组织检查(biopsy)、粪便、食物、饲料、环境样本。例如，在核酸的情况下，所述样本可以是包括目标和信号扩增的扩增反应的产物；净化的样本，例如净化的基因组(genomic)DNA、RNA、蛋白质等等；原始样本(细菌、病毒、基因组DNA等等)。本领域技术人员应当理解的是，事实上，可以对所述样本进行任何的实验操作。
在依照本发明的方面的特定实施例中，所述检测系统可以包括可重复使用的读取系统以及其中输入样本的用完可丢弃单元。因此，该用完可丢弃单元一般适于由所述可重复使用的读取系统进行读出。所述检测系统的不同部件可以是该可重复使用的读取设备的一部分或者可以是该用完可丢弃的筒(cartridge)的一部分。例如，激发辐射源、典型地包括具有结合部位的基底的测量腔室中的样本测量区域、所述光学部件以及检测器元件可以是该用完可丢弃的筒的一部分。本发明在这样的用完可丢弃的检测系统中是特别有用的，因为它提供了使用昂贵的高质量滤波器以便分离激发辐射和来源于样本的辐射发射的可替换方案。
在第一方面中，本发明涉及辐射检测系统，其适于检测辐射(例如来自样本的发光信号)，从而允许定量和/或定性地分析该样本，例如分析该样本中特定组分的存在。图3中示出了依照本发明第一方面的实施例的示意性表示。它示出了可以包括激发辐射源102并且包括测量腔室中的样本测量区域104的辐射检测系统100，其适于接收激发辐射和容纳至少一个检测器元件106。样本测量区域104可以采取腔室或者基底的形式，样本部位位于其中或者其上。这些部位可以发射待检测的电磁辐射。可替换地，包括所述测量区域的测量腔室可以包括流体，该流体进一步包括所述样本(例如流体中的粒子的形式)，其可以发射待检测的电磁辐射。这样的检测系统可以允许在诸如生物传感器或者PCR反应腔室之类的微流体器件中对从样本中出现的辐射信号(例如荧光信号)进行光学检测。
激发辐射源102可以是用于目标粒子的激发辐射的任何适当的激发源，所述目标粒子例如利用发光标记标记的目标分子。这种激发辐射源102可以产生任何适当的电磁辐射，例如光学的、红外的、远红外的、紫外的或者远紫外的波长范围内的电磁辐射，但是本发明并不限于此。典型的激发辐射源102可以是准直的和非准直的辐射源。激发辐射源102可以例如是发光二极管(LED)、激光系统或者任何其他类型的激发辐射源，其允许提供辐射(例如电磁辐射)以便激发样本或者其粒子。例如，在其中激发辐射为产生光学发光响应的电磁辐射的情况下，激发辐射的光波长典型地可以在例如200nm-2000nm的范围内，或者例如在400nm-1100nm的范围内，本发明并不限于此。激发辐射源102可以是辐射检测系统100的一部分，如图3所示，或者可以在辐射检测系统100的外部。激发辐射源102可以提供对于要立即照射的整个区域的照射，或者可以提供扫描照射。它可以是脉冲源或者连续源。
检测系统100中提供的测量腔室中的测量区域104典型地适于容纳至少一个样本108。测量区域104因而典型地为其中可以分析至少一个样本108的区域。测量区域104典型地位于测量腔室中。该测量腔室可以是所述辐射系统的一部分，但是本发明并不限于此。本发明中的这种分析典型地可以是检测通过使用激发辐射激发样本108或者其部分而获得的辐射。因此，所述至少一个样本108典型地可以包括可由激发辐射激发的辐射部位或中心。这样的辐射部位或中心可以是例如微流体中的发光标记，其耦合到要检测的目标分子或者为要检测的目标分子的一部分。上面较详细地讨论了可以依照本发明的实施例研究的样本的实例以及使用发光标记的特定实例。测量腔室中的测量区域104可以包括用于结合样本的基底110。基底110的表面可以通过将分子附着于其上来修改，其适于结合流体中存在的目标分子。基底110的表面也可以以任何其他适当的方式来修改。如果存在的话，所述基底通常要求是透明的。取决于样本位于哪一侧，要求这种透明性是针对激发辐射、产生的样本辐射或者这两者而言的。可替换地或者与其组合地，也可以在不同于所述检测系统的附加基底110的另一表面上提供适于将目标分子结合于其上的表面。样本108也可以以任何适当的可替换方式存在于测量腔室中的测量区域104中，例如不结合到表面上，而是悬浮在流体中。以上可以应用于例如实时定量PCR扩增(RQ-PCR)中，其是用于医疗诊断的快速生长技术，由此通过使用荧光标记以高的效率实现了检测。在该技术中，在温度处理期间使用报告分子(例如分子信标)对扩增的产物的存在进行定量的记录，所述报告分子产生在相同设备中实时测量的光学信号。该记录的信号典型地为所述存在以及特定核酸分子的浓度的测量，所述特定核酸分子例如(但不限于)细菌或细菌集合。
测量腔室中的测量区域104此外还适于从测量腔室中的测量区域104的第一侧接收激发辐射。这种激发辐射可以例如由激发辐射源102产生，或者它可以是存在的来自另一源并且适合用于激发样本108或者其组分(component)的任何激发辐射。
检测系统100的所述至少一个检测器元件106可以是适合用于检测来自样本108或者其组分的、由激发辐射产生的辐射的任何类型的检测器元件。要使用哪个检测器元件106取决于样本或者其组分中产生的辐射类型。在样本或者其组分中产生光学荧光辐射的情况下可以使用的检测器元件106的典型实例是例如显微镜、诸如CCD或CMOS相机之类的相机、光学检测器、光电检测器，例如光电二极管、光电晶体管或者其阵列。至少一个检测器元件106可以是一个检测器元件或者可以是多个检测器元件。如果多个检测器元件存在于检测系统100中，那么这些检测器元件可以彼此间隔开来。所述多个检测器元件可以置于单个平面内。这些检测器元件因此可以在其旁边具有其中不存在检测器元件的区域。
依照本发明的实施例，所述至少一个检测器元件106置于测量腔室中的测量区域104的第二侧，该第二侧与测量腔室中的测量区域104的第一侧相对，测量腔室中的所述测量区域工作时从该第一侧接收激发辐射。换言之，所述至少一个检测器元件106置于关于测量腔室中的测量区域104与用于激发辐射的接收侧相对的一侧。激发辐射从面向所述至少一个检测器元件106的检测系统100的一侧入射。
依照本发明的实施例，检测系统100此外还包括适于将激发辐射引导到所述至少一个检测器元件106的旁边的光学装置112，其也称为激发辐射引导装置112。激发辐射引导装置112此外还可以降低撞击到所述至少一个检测器元件106上的激发辐射。该装置此外还可以适于将杂散光引导到所述至少一个检测器元件106的旁边。该激发辐射引导装置112在本发明的一些实施例中可以包括用于激发辐射以免撞击到所述至少一个检测器元件106上的屏蔽装置。这些屏蔽装置可以包括一个或多个屏蔽元件，所述屏蔽元件适于降低撞击到所述至少一个检测器元件106上的激发辐射的，或者如果多个检测器元件存在的话，适于降低撞击到至少这些检测器元件的子集上的激发辐射。这些屏蔽装置的位置可以是可调节的，例如也可以位于由这些屏蔽装置确定的平面的方向上，比如在与其垂直的方向上，以便使得屏蔽特性适于不同的检测器元件或者适于测量的样本的散射特性。因此，这些屏蔽装置典型地也适于将激发光引导到所述至少一个检测器元件106的旁边。在多个检测器元件存在的情况下，这些屏蔽装置可以适于将激发辐射引导到所述检测器元件106之间。这些屏蔽装置可以例如通过散射所述光或者优选地通过吸收或反射将撞击到所述至少一个检测器元件106上的激发辐射来充分地衰减该激发辐射。而且，这些屏蔽装置可以例如通过散射所述光或者优选地通过吸收或反射将撞击到所述至少一个检测器元件106上的所有辐射(即激发辐射和来自样本的得到的所产生的辐射)来充分地衰减所述辐射。后者可以通过使得所述屏蔽装置具有吸收性(例如对于光学辐射为黑色)或者具有反射性(例如通过以金属制造它，所述金属优选地为对于使用的激发辐射具有高的反射系数的金属)来获得。取决于使用的辐射，这样的金属可以是例如铝、银、铬等等。提供屏蔽装置可以以不同的方式来实现。所述屏蔽装置可以例如施加到附加基底或者可以提供给适于容纳样本的基底(如果存在的话)，或者可以提供给施加到所述检测器元件的其他层。在下文中，通过实例说明了包括两个不同屏蔽元件的屏蔽装置的实现。示出的这些实例用于准直光，但是实现屏蔽装置的构思也适用于非准直光，尽管其具有由屏蔽装置提供的不同的屏蔽模式。例如，可以如图4a所示在透明基底150的相对侧上实现两个屏蔽元件202、252，或者可替换地，可以如图4b所示在包括检测器元件的基底152上实现一个屏蔽元件252并且在另一个基底154上实现第二屏蔽元件202层，所述另一个基底154可以是用于结合样本的基底。在后一种情况下，屏蔽元件252可以(本发明并不限于此)例如使用透明分隔器156或者可替换地使用可以进一步用作滤波器层的材料158与所述传感器分离，所述透明分隔器在这里示为在一般情况下在横向方向偏移地放置，但是对于准直光的情况优选地置于传感器的正上方，例如光阻层。在如针对图4b的右边示出的两个检测器元件106所示的分隔器完全覆盖传感器的情况下，后者工作良好。下面将更加详细地讨论其中激发引导装置112包括屏蔽装置的若干特定实施例。
一些实施例中的激发引导装置112可以包括用于将激发辐射引导到所述至少一个检测器元件的旁边的辐射折射装置。在后一种情况下，所述辐射折射装置基本上将激发辐射聚焦到所述至少一个检测器元件106的旁边，从而降低了撞击到所述至少一个检测器元件106上的激发光。当多个检测器元件存在时，这些折射元件典型地适于将所述光聚焦到这些检测器元件之间的区域中，后者典型地彼此分开。所述辐射折射装置可以例如是微透镜阵列，本发明并不限于此。下面将更详细地讨论若干特定实施例。
尽管在依照本发明的实施例中，降低了撞击到检测器元件106上的激发辐射，但是样本108的分析仍然是可能的，因为激发的样本或样本组分在不同的方向(例如所有方向)上是辐射的，从而产生的样本辐射能够到达所述至少一个检测器元件。
在依照本发明的实施例中，充分地抑制激发辐射对于检测器元件106的直接的照射以及可能还有间接的照射，以便允许实现产生的样本辐射的良好的检测，尽管产生的样本辐射强度典型地可能比由所述源产生的初始激发辐射弱得多。
尽管滤波器仍然可能用在所述至少一个检测器元件106的顶部以便选择性地允许产生的样本辐射在所述检测器元件中并且遮挡激发辐射，后者不是严格所需的以便获得充分的信/噪比。这导致以下优点：可以避免经济和劳动密集的成本昂贵的滤波器。然而，这样的光学滤波器(图3中未示出)，例如二向色滤波器，抑制入射到所述检测器元件上的激发辐射，同时允许产生的样本辐射通过。这些滤波器可以具有比图1和图2的配置中使用的滤波器低得多的质量以及因而低得多的成本。此外，激发辐射源102也可以包括激发滤波器(图3中未示出)以便通过避免来自激发辐射源102的非合适的辐射进一步增强所述系统的性能。
本发明实施例的优点在于，支撑所述至少一个检测器元件106的样本可以是非透明的，例如金属或半导体基底。该基底也可以是柔性的。
现在将使用不同的实施例来进一步说明本发明的上述第一方面，其示出了可以获得的不同优点。在可应用的情况下，可以组合这些不同实施例的特征。
在依照本发明第一方面的第一实施例中，希望的是这样的检测系统200，其包括如上所述的相同的特征，具有相同的选项和相同的优点，但是其中所述激发辐射引导装置包括具有单个屏蔽元件202以便抑制所述至少一个检测器元件106上的激发辐射的强度的屏蔽装置。图5中更加详细地示出了一个示例性系统。该系统示出了激发辐射源102、测量腔室中的测量区域104、至少一个检测器元件106以及所述单个屏蔽元件202。该单个屏蔽元件202因此可以是单层辐射屏蔽物。它可以被整形和放置，使得基本上不可能有辐射直接撞击到检测器元件106上。后者通过在所述屏蔽元件中在其中否则将直接到达所述至少一个检测器元件的激发辐射通过的位置处，即在其中存在激发辐射源与所述至少一个检测器元件之间的单线连接的位置处提供屏蔽部分204来获得，所述屏蔽部分即散射部分、吸收部分、反射部分或者组合了吸收和反射特性的部分。所述屏蔽元件此外典型地还可以包括非屏蔽部分206，即非衰减或者基本上非衰减的部分，其在该屏蔽元件中在其中没有可以直接到达所述至少一个检测器元件106的激发辐射通过的位置处。这些非屏蔽部分可以由非衰减材料制成或者可以是其中没有提供材料的部分。可替换地，所述单个屏蔽元件可以包括若干位于单个平面内的分离的子屏蔽物。
“直接到达所述至少一个检测器元件”在这里指的是其中从激发辐射源到所述至少一个检测器元件或者从外部辐射源经由激发辐射进入所述检测系统的位置到所述至少一个检测器元件106的辐射路径是单个线并且在该激发辐射路径的方向上不存在变化的情形。例如，在荧光测量的情况下，所述单个屏蔽元件202可以是单层光学屏蔽物，其适于减少来自激发光源的直接入射到所述至少一个检测器元件上的激发光。该屏蔽物可以由吸收材料或反射材料或者其组合制成。在图5中，示出了针对非准直光源的情形，但是所述系统也可以适用于准直光源。在后一种情况下，将不同地定位屏蔽和非屏蔽部分的确切位置，以便允许屏蔽所述检测器元件以免受到直接撞击。
在当前实施例中，所述系统通过减少落入到所述至少一个检测器元件106上的激发辐射的数量来操作，这是通过使用屏蔽装置屏蔽所述检测器元件106以免受到激发辐射的照射同时允许激发辐射激发位于例如所述屏蔽装置与所述检测器元件之间的剩余液体中的可激发的样本材料来实现的。由于产生的样本辐射在所有方向上发射，因而产生的样本辐射的相当部分将落入到所述检测器元件上。通过这种方式，可以实现信噪比的相当大的增益。图5此外还示出了用来进一步降低由所述至少一个检测器元件106检测的激发辐射的强度的光学滤波器208的使用。
在依照第一方面的第二和第三实施例中，本发明涉及如依照第一方面的第一实施例中所描述的但是其中屏蔽装置包括至少两个屏蔽元件202、252的检测系统。通过使用至少两个屏蔽元件202、252，解决了来源于激发辐射在单个屏蔽元件202、252的边缘处的反射的激发辐射的不希望的检测的问题。在两个屏蔽元件202、252之间可能不存在样本。例如，透明基底(例如玻璃基底)可以存在于这两个屏蔽元件202、252之间。两个屏蔽元件的使用因而提供了激发辐射的不希望的检测的改进的抑制。图6中示出了单个屏蔽元件202处的激发辐射的反射的问题。在所述第二和第三实施例中，这个问题因而通过提供包括至少两个屏蔽元件202、252的屏蔽装置而被克服。
在第二实施例中，第二屏蔽元件252可以置于第一屏蔽元件202与激发辐射源102之间(或者激发辐射进入所述检测系统的点)，如图7所示。在这种情况下，放置第二屏蔽元件252以便抑制如图6所示激发辐射在第一屏蔽元件202的边缘处的反射，由此来自激发辐射源102的较少的反射的激发辐射到达中心检测器元件106。这将提高该检测器元件的信噪比。如图7可以看出，对于所述第二屏蔽元件252的当前位置而言，激发辐射的不希望的反射仍然能够到达其他的检测器元件，例如在当前图示中，在第一屏蔽元件202处反射的激发光仍然可以到达图7中所示检测系统的右边的检测器元件。在该第二实施例中，后者可以通过控制作为第二屏蔽元件252的屏蔽部分的位置的函数的检测器元件的激励和检测动作来解决。换言之，在第二实施例中，第二屏蔽元件252可以是部分可变的第二屏蔽元件252，从而允许改变该第二屏蔽元件252的屏蔽部分的位置。对于第二屏蔽元件252的屏蔽部分的第一空间位置，激励基本上被屏蔽掉激发辐射的不希望的反射的至少第一检测器元件，同时不激励没有被充分屏蔽掉激发辐射的不希望的反射的至少第二检测器元件。随后，可以改变第二屏蔽元件252的屏蔽部分的空间位置，使得先前没有被屏蔽掉激发辐射的不希望的反射的检测器现在变成被屏蔽，而先前被屏蔽的元件可以变成不被屏蔽。然后，可以实现使用先前没有被屏蔽的检测器元件的检测。可以执行这些步骤中的若干，使得每个检测器元件可以用于检测，尽管在不同的时机进行检测。
空间可变的第二屏蔽元件可以是具有相对于第二屏蔽元件252的固定屏蔽部分的屏蔽元件252，其中第二屏蔽元件252是可移动的。第二屏蔽元件252可以是可控地移动的。这样的运动可以在横向方向上实现，即在所述屏蔽元件的平面内的方向上实现。可替换地，第二屏蔽元件252的位置可以是固定的，但是第二屏蔽元件252可以是可设置的屏蔽元件252，使得可以随着时间而提供屏蔽部分或非屏蔽部分的不同位置。这种可设置屏蔽元件252可以例如基于透射式显示设备，例如液晶显示器。通过向所述可设置屏蔽元件提供特定的模式，可以提供特定的屏蔽模式，其可以通过例如写入用于显示设备的不同像素的不同设置改变所述可设置屏蔽元件上的模式来随着时间而改变。可替换地，这种可设置屏蔽元件可以用于单个屏蔽元件方法中，其中调节所述屏蔽模式，直到达到希望的信号或背景水平。
因此，在第二实施例中，附加反射的问题可以通过控制第二屏蔽元件252的屏蔽部分的空间位置并结合检测器元件106的适当激励来解决。在第二实施例中，所述检测系统可以设有控制器254，该控制器适于控制第二屏蔽元件252的屏蔽部分的空间位置并且相应地激励不同的检测器元件106。因此，控制第二屏蔽元件252的屏蔽部分的空间位置可以包括设置所述可设置屏蔽元件上的屏蔽模式或者将第二屏蔽元件移动到适当位置。
在第一方面的第三实施例中，描述了如第一方面的第二实施例中所描述的检测系统，其包括相同的特征和优点，但是其中通过应用于不同的屏蔽元件202、252的特定模式避免了激发辐射的附加的反射。在第一方面的第三实施例中，选择更靠近所述检测器元件的屏蔽元件(例如第二屏蔽元件252)的屏蔽部分的尺寸和位置，使得完整的屏蔽部分位于由更远离所述检测器元件106的屏蔽元件(例如第一屏蔽元件202)产生的阴影区域内。换言之，不能利用激发辐射直接照射更靠近所述检测器元件的屏蔽元件252的屏蔽部分，而是仅屏蔽在反射之后，例如在更远离所述检测器元件106的屏蔽元件202的屏蔽部分的边缘处的反射之后撞击到其上的激发辐射。后者示于图8中。屏蔽元件202、252的这种选择导致基本上没有激发辐射入射到所述检测器元件106上并且导致同时激励所有检测器元件的可能性。到达样本并且允许激发的激发辐射的数量可以比第二实施例中的更小。
在依照第一方面的第四实施例中，本发明涉及前面的实施例中的任何一个，其包括相同的特征并且具有相同的选项和优点，但是其中激发辐射源被准直，使得激发辐射的初始入射方向垂直于所述屏蔽装置。后者在图9中通过实例示出。图9表示如第三实施例中所描述的具有两个屏蔽元件202、252的屏蔽装置，其中通过在第一屏蔽元件202的阴影中具有屏蔽部分的第二屏蔽元件252从检测器元件106中抑制最靠近激发辐射源102的屏蔽元件202的屏蔽部分的所有边缘处的反射。通过这种方式，没有来自所述激发源的反射的激发辐射到达检测器元件106中的任何一个。这提高了所有检测器元件106的信噪比，所述检测器元件在本实例中可以同时被激励。在依照第一方面的第四实施例中，在使用了多个检测器元件106的情况下，可以在所述多个检测器元件106之间提供光学吸收装置或抗反射装置272，以便减少引导到检测器元件106的旁边的激发辐射的不希望的反射。后者同样允许提高信噪比。这种光学吸收装置或抗反射装置272在图9中通过实例示出。
在第一方面的第五实施例中，本发明涉及依照前面的实施例中的任何一个的检测系统，其包括相同的特征并且具有相同的选项和优点，其中可以改变最靠近所述至少一个检测器元件的屏蔽元件的距离。后者同样示于图9中。最靠近所述至少一个检测器元件的屏蔽元件252的距离，即间隔D为可以由激发辐射产生的并且可以由所述至少一个检测器元件106检测的产生的样本辐射的数量的测量。最近的屏蔽元件252放置得离所述至少一个检测器元件106越远，在最近的屏蔽元件252与所述至少一个检测器元件106之间存在的可激发样本或样本组分越多，从而导致可以由检测器元件106检测的更多的产生的样本辐射。间隔D可以取决于流体的光学散射特性，其中如果流体的散射特性提高，则优选地可以减少间隔D。
换言之，通过改变最近的屏蔽元件252与所述至少一个检测器元件106之间的间隔，可以最大化光学激发的流体的容积。例如，在后者应用于准直激发辐射源102的情况下，来自准直激发辐射源102的散射的激发辐射尤其在所述间隔增加并且散射的程度提高时对于检测器元件106的直接照射的机会可能变成一个问题。在这种情况下，降低最近的屏蔽元件252与检测器元件106之间的距离可以减小散射的光撞击到所述检测器上的问题。同样的考虑对于非准直光源的情况成立，其中同样地散射可以引起不希望的光撞击到所述检测器上。
在第一方面的第六实施例中，本发明涉及如上所述的检测系统，其中适于将激发辐射引导到所述至少一个检测器元件106的旁边的激发引导装置112包括辐射折射装置。图10中示出了这种检测系统300。辐射折射装置302可以例如是置于所述至少一个检测器元件106与激发辐射源102之间的透镜阵列。辐射折射装置302通过将激发辐射引导到所述检测器元件106的旁边来降低激发辐射对于检测器元件106的直接照射。在使用了多个检测器元件106的情况下，将激发辐射引导到这些检测器元件106之间。后者通过辐射折射装置302将激发辐射聚焦到所述至少一个检测器元件106的旁边或者检测器元件106之间来获得。这相比于前面的实施例允许增大检测器元件106的尺寸，而无需辐射折射装置。后者允许产生的样本辐射收集效率可以提高。优选地，辐射折射装置302，例如微透镜阵列中的透镜，具有高的数值孔径，从而允许照射位于所述检测器元件106之上的样本的更大容积。
可选地，辐射折射装置302可以将激发辐射聚焦到漫反射装置304上。这种漫反射装置304可以是例如漫反射膜或漫散射表面，本发明并不限于此。于是，撞击到漫反射装置304上的激发辐射可以典型地再次被引导通过样本，由此增大产生的样本辐射。通过这种方式，将进一步提高用于检测产生的样本辐射的效率。为了避免辐射折射装置302将漫反射的激发辐射反射回所述检测器元件，可以将抗反射涂层施加到辐射折射装置302。同样地，通过这种方式，没有反射的激发辐射到达任何所述检测器元件，从而提高了所有检测器元件106的信噪比，所述检测器元件可以同时被激励。
在第二方面中，本发明涉及用于检测来自利用激发辐射激发的样本的产生的样本辐射的方法。该方法典型地可以包括在腔室中的测量区域中提供样本。依照本发明的方法包括利用激发辐射照射样本，从而形成待检测的产生的样本辐射，以及在进一步将激发辐射引导到至少一个检测器元件的旁边的同时利用所述至少一个检测器元件检测产生的样本辐射。照射以及检测因而在样本的不同侧完成，即使用了前照射方法。图11中通过实例进一步说明了这种方法400，其示出了用于辐射检测的示例性方法的标准和可选的步骤。
在第一步骤402中，在检测系统的测量区域中提供样本。后者可以包括利用样本填充测量腔室中的测量区域。通常，在微流体测试中，可以执行待分析的分析物混合体与包括捕获探测器(probe)的基底之间的接触步骤以及移除轻度结合的成分的冲洗步骤。这些步骤根据现有技术是已知的，专用于结合的辐射标记并且不进一步详细地进行讨论。第一步骤402可以是所述方法的一部分或者可以是可选的。
在第二步骤404中，利用激发辐射照射样本。这种辐射可以来源于在所述检测系统的外部的激发辐射源或者为所述检测系统的一部分的激发辐射源。典型地，照射样本被执行以便激发样本中的辐射粒子。后者可以例如是结合到目标分子上的发光或荧光标记，或者可以是包括目标分子的发光或荧光粒子。可以以连续的模式、以脉冲模式、以扫描模式、以允许同时激发可不同地激发的标记的复用模式、其组合或者以任何其他适当的方式实现这种照射。
在典型地在与第二步骤404基本上相同的时段内实现的第三步骤406中，检测来自样本的辐射响应，它是来源于样本中的辐射粒子的辐射。后者在将激发辐射引导到使用的所述至少一个检测器元件的旁边的同时被实现。将激发辐射引导到使用的所述至少一个检测器元件的旁边可以包括屏蔽所述至少一个检测器元件以免直接撞击激发辐射和/或屏蔽所述至少一个检测器元件以免在激发辐射在例如使用的屏蔽物的边缘处的反射之后受到激发辐射的撞击。将激发辐射引导到所述至少一个检测器元件的旁边也可以包括将激发辐射聚焦到所述至少一个检测器元件的旁边。后者可以例如通过折射激发辐射来获得。检测是从与其中初始时激发辐射撞击的样本的一侧相对的样本的一侧执行的，换言之，使用了前照射方法。
在第二方面的特定实施例中，屏蔽所述至少一个检测器元件以便受到激发辐射的直接撞击可以通过使用第一屏蔽装置和第二屏蔽装置来实现。在第二方面的特定实施例中，屏蔽所述至少一个检测器元件可以包括控制不同检测器元件的激励以及控制至少一个屏蔽设备的屏蔽部分的空间位置，使得对于每个检测器元件而言，在激励和检测时间期间，所述至少一个屏蔽元件的屏蔽部分的空间位置适于遮挡激发辐射到达该检测器元件。后者可以包括根据要激励的并且用于检测的检测器元件随着时间而修改所述至少一个屏蔽设备的屏蔽部分的空间位置。修改所述至少一个屏蔽设备的屏蔽部分的空间位置可以包括移动所述至少一个屏蔽设备或者设置所述至少一个屏蔽元件，条件是该屏蔽元件是允许设置该设备的屏蔽模式的可设置设备。
如第一方面的实施例中所描述的检测可以适合用于依照第二方面的实施例的方法中。
在第二方面的特定实施例中，屏蔽所述至少一个检测器元件还可以包括调节屏蔽元件与所述至少一个检测器元件之间的距离以便适应所研究的样本的散射效率。
在依照本发明的实施例中，所述检测系统可以合并作为部件的基于有源矩阵原理的阵列。这种设备优选地由公知的大面积电子器件技术制造，所述技术例如非晶硅(a-Si)、低温多晶硅(LTPS)或者有机技术。TFT、二极管或者MIM(金属-绝缘体-金属)可以用作有源元件。有源矩阵技术用于平板显示器领域中以便驱动许多显示效果(例如LCD、OLED)以及电泳显示器。它提供了制造用完可丢弃的生化模块的成本有效方法。这是有利的，因为生物芯片或者类似的系统可以包括各种各样的部件，其数量仅随着所述设备变得更加有效和更加多功能而增大。
用于实现采用了本发明的检测系统的目的的其他装置对于本领域技术人员将是显然的。
应当理解的是，尽管本文已经针对依照本发明的设备讨论了优选的实施例、特定的构造和配置以及材料，但是在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化或修改。例如，尽管本发明的实施例说明了用于检测的检测系统和方法，但是本发明也可以涉及如第一方面的第二实施例中所描述的控制器。