专利名称：用于非标记光阅读器的可调光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非标记(与标记无关)光阅读器以及用于此种光阅读器的光源。
发明内容
在各实施例中，本发明提供一种可调光源，该可调光源用于询问至少一个具有共振线宽的RWG生物传感器。该可调光源包括宽频带光源，该宽频带光源发射具有第一光谱带宽的光束，且该第一光谱带宽大于RWG生物传感器的共振线宽。该可调光源还包括具有可调中心波长的可调光学滤波器。可调光学滤波器设置成接收并过滤光束，以致使光束具有第二光谱带宽，该第二光谱带宽基本上与RWG生物传感器的共振线宽相同。在各实施例中，本发明提供一种LID光阅读器，该LID光阅读器用于读取由微板支承的至少一个共振RWG生物传感器。该光阅读器包括上述可调光源，该光源发射一系列经过滤的光束，这些光束具有掠过第一光谱带宽的波长。光阅读器还包括照射系统，该照射系统用以将一系列经过滤的光束引向至少一个RWG生物传感器并且形成相对应的一系列反射光束。光阅读器还包括光学成像器和控制器，该光学成像器用以接收一系列反射光束并且形成相对应的一系列数字图像，而该控制器用以处理数字图像，从而为至少一个RWG生物传感器建立共振波长。在各实施例中，本发明提供一种LID光阅读器，该LID光阅读器用于读取由微板支承的至少一个RWG生物传感器。该光阅读器包括上述可调光源，该光源发射经过滤的光束，该光束在第一光谱带宽内具有固定波长。光阅读器还包括照射系统，该照射系统用以将经过滤的光束引向至少一个RWG生物传感器，以形成一系列反射光束。光阅读器还具有光学成像器和控制器，该光学成像器用以接收一系列反射光束并且从这些反射光束中形成数字图像，而该控制器用以处理数字图像，从而为至少一个RWG生物传感器将强度变化转换成共振波长偏移。在各实施例中，本发明提供一种读取至少一个具有共振线宽的RWG生物传感器的方法。该方法包括产生具有第一光谱带宽的光束，且该第一光谱带宽大于RWG生物传感器的共振线宽。该方法还包括使光束穿过可调光学滤波器并且调整可调滤波器，以产生一系列光束，每个光束具有第二光谱带宽，该第二光谱带宽基本上与RWG生物传感器的共振线宽相同，但在共振线宽内具有不同的中心波长。该方法还包括引导一系列经过滤的光束，以使光束入射至至少一个RWG生物传感器并且产生相对应的一系列反射光束。该方法附加地包括根据一系列反射光束形成至少一个RWG生物传感器的一系列数字图像，然后处理一系列数字图像，从而为至少一个RWG生物传感器建立共振波长。
在各实施例中，本发明提供一种读取至少一个具有共振线宽的RWG生物传感器的方法。该方法包括产生具有第一光谱带宽的光束，且该第一光谱带宽大于RWG生物传感器的共振线宽。该方法还包括使光束穿过可调光学滤波器并且调整可调滤波器，以产生光束，该光束具有基本上与RWG生物传感器的共振线宽相同的第二光谱带宽并且在共振线宽内具有固定中心波长。该方法还包括引导经过滤的光束，以使光束入射至至少一个RWG生物传感器，从而产生相对应的反射光束；该方法附加地包括根据一系列反射光束形成至少一个RWG生物传感器的一系列数字图像，然后处理一系列数字图像，从而为至少一个RWG生物传感器建立共振波长。
可参照结合附图的以下详细说明来更完整地理解本发明，附图中图I是适合于用于本发明的可调光源的示例光阅读器系统的总示意图；图2是示例RWG生物传感器的放大示意图；图3是示例微板的正视图，该微板在相关联的区域或“阱”中可操作地支承RWG生物传感器的阵列，该微板由微板保持件所保持；图4是示例微板的一部分的剖切立体图；图5是示出由可调光源提供入射照射的数字图像相关联的不同波长的集合的示意图；图6至图9示出图I所述光阅读器系统的光学成像器的不同实施例；图10是适合于用于图I所示光阅读器系统的单通可调光源的示例实施例的示意图；图11是适合于用于图I所示光阅读器系统的双通可调光源的示例实施例的示意图；图12是由薄玻璃基板和由薄膜形成的光学涂层所制成的示例滤波器的示意分解侧视图；图13是一示例滤波器的示意分解侧视图，该滤波器通过沉积材料以形成夹有空腔层的两个反射层而制成，且沉积层由玻璃基板机械地支承；图14和图15分别对于入射角为0 = 5°和入射角为0 = 14°的示例单通滤波器将滤波器光谱线宽(滤波器函数)绘制成强度与波长；图16对于示例定制可调滤波器在相对较大波长范围内描绘滤波器光谱线宽(强度与波长)，并示出自由光谱范围(FSR)大约是20nm，而目标法线入射透射峰值是838nm，该峰值接近于超发光二极管(SLD)光源的中心波长；图17是可动地支承角度调谐滤波器的基于检流计的滤波器支承装置的控制电压(V)与中心波长(nm)的曲线；图18A和图18B是强度与波长的曲线，示出可调激光器光源的单像素的询问光谱(图18A)，和本发明可调光源的单像素的询问光谱(图18B)； 图19绘制两个示例生物传感器共振线宽，并示出固定于实线生物传感器共振线宽的50%透射点的滤波器中心波长；图20类似于图10并且示出包括角度可调谐光谱整平滤波器的可调光源的示例实施例；图21绘制光源光谱、滤波器函数(滤波器光谱线宽)以及经过滤的光源光谱(幅值与波长)的不例；图22是由来自于可调光源的入射光照射的RWG生物传感器的数字图像，该可调光源使用SLD来用于宽频带光源，且图像示出由于入射光相关而产生的多个斑纹图案；图23是类似于图10的示例可调光源的示意图，除了宽频带光源包括基本上空间不相关的延伸区域宽频带光源以外；图24是形成为基本上空间不相关发射器的阵列的示例基本上不相关宽频带光源的放大视图；图25是示出示例基本上不相关宽频带光源和示例相对应的可转动可调滤波器的尺寸的示意图； 图26绘制来自使用基本上不相关宽频带光源的可调光源中的经过滤光谱的族的相关光谱幅值与波长(nm)，通过将可调滤波器的检流计的控制电压从-8V改变成+8V，在幅值和光谱形状几乎恒定的情形下，光谱调谐过18nm ；图27是类似于图22所示数字图像的数字图像，除了使用具有基本上空间不相关宽频带光源的可调光源106来拍取图27所示照片、使得数字图像不具有斑纹图案以外；以及图28是典型像素的综合谱的相关幅值与波长(nm)的曲线，其中由于可调光源的低时间和空间相关性，在综合谱中不存在光谱波动。
具体实施例方式基于非标记探测(LID)的光阅读器可例如用于探测药物与诸如蛋白质之类目标分子的粘结或者随着材料在细胞内移置而在活细胞中响应于药物的变化。某些类型的LID光阅读器为一定阵列的共振波导光栅(RWG)生物传感器测量RWG生物传感器表面上的折射率变化。各个RWG生物传感器位于微板的相应阱中。在一种类型的LID光阅读器中，一定光谱的宽频带光从光源引向每个RWG生物传感器。仅仅波长与RWG生物传感器共振的光会很大程度地反射。此种反射的光收集并且在光谱上进行分析，以确定共振波长，而波长偏移代表来自于粘结于RWG生物传感器的折射率变化，或者类似地代表相对于传感器表面不动的细胞内的材料移置。在另一种类型的LID光阅读器中，掠过一定范围波长的窄带光使用窄带可调光源而引向每个RWG生物传感器。迄今为止，此种可调光源已局限于可调激光器。适合于生物传感器询问的可商业购得的可调激光器主要是外部空腔半导体激光器，其具有基于光栅空腔和声光可调滤光器(AOTF)的调谐技术，该光栅空腔产生极其窄的线宽，而声光可调滤光器产生大约50pm的适度较窄线宽。虽然将外部空腔半导体可调激光器作为用于LID光阅读器的可变光源的示范，但它们的相对较高成本限制了它们的使用。垂直腔面发射激光器(VCSEL)提供了低成本的方案，但它们的光强度和调谐范围不足以询问整个微板。现将参照本发明的实施例，附图中示出它们的示例实施例。图I是适合于用于本文所披露的可调光源的示例光阅读器系统(“系统”)100的总示意图。系统100包括成像系统114，该成像系统用于询问一个或多个共振波导光栅(RffG)生物传感器102。成像系统114包括照射光学系统130和成像光学系统(“光学成像器”)140。下文将更详细地描述示例成像系统114。图2是示例RWG生物传感器102的放大示意侧视图，该生物传感器102具有光栅103和表面105，该表面构造成使得选定生物物质104粘附于该表面。RWG生物传感器102需被支承成使得它们能被光学地询问。典型的支承结构被称为“微板”。图3是示例微板170的正视图，该微板包括带有表面173的支承板171，且该表面具有多个形成在其中的阱175。示例支承板171具有上板171U和下板171L的两部分构造，例如在图4的局部视图中示出以及例如在美国专利申请公开号2007/0211245中的描述。图3所示的微板170说明一种示例构造，其中RWG生物传感器102设置成阵列102A并且可操作地支承在阱175中。示例RWG生物传感器阵列102A对于2毫米见方的RWG生物 传感器具有4. 5mm间距，并且每列包括16个RWG生物传感器，而每行包括24个RWG生物传感器。在各实施例中，基准179用于使微板170在系统100中定位、对准或既定位又对准。还示出用于保持微板170的微板保持件174。许多不同类型的板保持件可用作微板保持件174。再次参见图1，系统100包括根据本发明的可调光源106，该光源在下文将进行更详细地描述。可调光源106构造成产生窄波长的光束134，该光束134具有一定光谱带宽并且在预定时间段内具有预定序列的不同中心波长。在各实施例中，可调光源106构造成以0. I纳米/秒(nm/sec)至300nm/sec的调谐速度发射具有在838nm至853nm范围内的相应中心波长的一系列窄带光束134。虽然,可调光源106不作将光束134发射到自由空间中，但还可选择使用光波导(例如，光纤)的导波构造。来自光源106的光束134通至成像系统114并且通至照射光学系统130，该照射光学系统130具有相关联的光轴Al。照射光学系统将光束134转换成至少一个入射光束(入射光)1341。入射光束1341通过分束器126并且入射到微板170的区域135之上，其中区域135包括一个或多个RMG生物传感器102 (例如，形成384个阱的微板170的4X 3讲、仅仅一个RMG生物传感器或者所有的RWG生物传感器)。在一个示例中，通过使扫描照射光学系统130运动或者通过经由微板保持件174而使微板170运动，来使入射光束1341在RWG生物传感器102之上运动(扫描)以覆盖不同的区域135。入射光束1341从一个或多个RWG生物传感器102反射，由此形成反射的光束(即，反射光)134R。反射光束134R由分束器126引向光学成像器140,该光学成像器在一不例中包括成像透镜142和图像传感器144，该图像传感器捕获包括一个或多个RWG生物传感器102的照射区域135的电子(即，数字)图像145 (参见图5)。图像传感器144产生代表所捕获电子图像的未加工的电子图像信号S 145。光学成像器140还包括图像传感器电子器件146，该电子器件146对来自图像传感器的未加工电子图像信号S 145进行预处理，并且产生代表预处理数字图像的预处理电子图像信号S 146。示例图像传感器144是电荷耦合器件(CXD)芯片或者互补式金属氧化物半导体(CMOS)芯片，该C⑶芯片例如是可从纽约罗切斯特的柯达有限公司获得的像素大小为7. 4微米的KAI-0340CXD芯片。光学成像器140的示例是CCD照相机，例如可从加拿大不列颠哥伦比亚省本拿比的普罗西立卡(Prosilica)得到的Prosilica GE680GigE照相机，该照相机在VGA分辨率下具有215fps的最大帧速。在各实施例中，图像传感器144可以是一个或多个光电二极管的阵列。
系统100还包括控制器150，该控制器具有处理单元(“处理器”)152和记忆单元(“存储器”)154。示例处理器152包括计算机、微处理器、一个或多个中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)等等。存储器154可以是任何类型的用在计算机中的数字存储器，例如固态存储器、磁存储器以及光存储器。控制器150接收来自图像传感器电子器件146的预处理电子图像信号S 146，并且将这些预处理电子图像信号存储在存储器154中。处理器152根据存储在其中或存储器152中的指令(例如，图像处理软件)来对预处理电子信号S146中包含的数字图像145进行分析。在下文将更详细地描述此种处理。在各实施例中，控制器150包括或可操作地连接于显示单元156，该显示单元156显示测量信息，例如光谱曲线、共振波长曲线和其它测量结果以及系统状态和性能参数。在各实施例中，可对光谱进行直接处理，使得仅仅共振波长(例如，根据计算作为所测量光谱的相应质心)存储在存储器154中。示例RWG生物传感器102利用传感器表面105处折射率的变化，允许对RWG生物传感器上的生化物质104(例如，细胞、分子、蛋白质、药物、化合物、核酸、肽、碳水化合物)进行非标记探测，而折射率变化会影响入射光束1341和反射光束134R的波导耦合性能。生 化物质104可位于沉积在RWG生物传感器表面103上的大量流体内，且此种生化物质附连于传感器表面会改变RWG处的折射率。为了探测生化物质104，利用入射光束1341来探测RWG生物传感器102，并且在光学成像器140处接收反射光束134R。光学成像器140与可调光源106同步，从而随着入射光学光束1341的波长扫过一定波长带(以产生具有不同中心波长的一系列光学光束1341)时，光学成像器捕获与不同波长相对应的一系列数字图像145。因此，光学成像器获得一定序列或一系列RWG生物传感器图像145，每个图像与从可调光源106发出的不同波长中的一个相对应。图5示意地示出图像145关于不同(中心)波长入、入2... Aj... An的集合147，该集合构成这些图像的“三维”(3D)数据文件或“数据立方”。图5还包括实际图像145的示例。光学成像器140获取RWG生物传感器102的一定序列或一系列图像或照片，每个图像与从可调光源106发出的一系列光束134的不同中心波长入j中的一个相对应。最后，处理器152接收并处理所收集的图像147，以例如确定在RWG生物传感器102的一个或多个上是否存在生物化学相互反应或其它情形。控制器150构造成(例如，处理器152在存储于存储器154中的软件控制下编程或操作)确定是否存在任何由于生物物质104的存在而产生的RWG生物传感器折射率变化。在各实施例中，RWG生物传感器表面105可例如涂覆有生化复合物(未示出)或者类似的生物或化学活性材料，从而仅仅允许诸如抗体或蛋白质之类的特定互补生化物质104的表面附连，由此使得RWG生物传感器102既是高度灵敏的又是高度专用的。于是，系统100和RWG生物传感器102可用于探测宽范围的生物物质104。类似地，RWG生物传感器102可例如用于探测相对于RWG生物传感器表面103固定的细胞的运动或变化，当细胞相对于RWG生物传感器运动时或者当这些系统包含或喷出材料时，折射率会发生变化。如果多个RWG生物传感器102作为阵列102A可操作地支承在还由微板保持件174支承的微板170的阱175中，则这些生物传感器可用于实现高产量的药物或者化学筛选研究。为了对使用扫描光学阅读系统来探测生物物质104(或生物分子粘结情形)进行更详细地描述，参见美国专利申请系列号11/027547。其它的光学阅读系统在美国专利号7，424，187,7, 599，055和7，576，333以及美国专利申请公开号2006/0205058和2007/0202543 进行了描述。控制器150和其中的存储器154经由关于入射光束1341中每个中心波长的预处理电子图像信号146接收所收集的预处理图像145，所收集的图像147形成图5所示的前述“数据立方”。处理器152然后使用图像处理软件来自动地处理所收集的图像，以例如实现1)确定经照射的RWG生物传感器102的一个或多个上是否存在生物化学相互反应或其它情形；2)在经照射的RWG生物传感器102的每个上定位传感器区域、参照区域或两种区域；3)将经照射的RWG生物传感器102的每个上的缺陷区域移除；4)校准经照射RWG生物传感器102的每个上的表面化学和目标分子固定作用的均匀性；或它们的组合。如果需要的话，处理器152可利用关于传感器区域和参照区域(未示出)在RWG生物传感器102上定位的现有知识而一起容纳多个成像区域(像素)。在此种模式中，多个像素一起组合成单个探测器，且传感器光谱/图像的数量可减小至所容纳区域的数量。于是，可大大地简化数据处理。 为了对于特定询问应用实现IHz的数据率，可调光源106的顺序扫描和由光学成像器140所捕获光谱图像145的顺序获取需在I秒内完成。此种需求正好在可调光源106的现有能力内。当然，为了满足此种能力或任何其它数据率，所希望的波长试样点的数量指定图像传感器144 (以及相关联图像传感器电子器件146)的帧速。例如，为了在单个调谐顺序中获得500个波长试样，帧速应快至500帧每秒(fps)。呈诸如Basler A504k之类CMOS照相机形式的光学成像器140能够在完整1024x1208像素格式下输送500fps，而对于局部区域图像来说更高的帧速也是可能的。在无需实现IHz数据率的应用中，可使用较慢的光学成像器140。示例成像系统现在参见图6至图8来描述四个示例成像系统114及其操作。在图6中，所示出的成像系统114在微板170处具有垂直至接近垂直的入射角a，其中照射光学系统130包括透镜132，该透镜132接收光束134并且将光束引向准直透镜133。准直透镜133从光束134形成准直询问光束1341并且将该准直询问光束引向折叠镜137。折叠镜137将准直询问光束1341反射成行进通过分束器126，并且对区域135之上位于微板170的阱174内的预定数量RWG生物传感器102进行照射。或者，照射光学系统130构造成形成多个询问光束1341，其中每个询问光束对位于微板170的阱175内的相对应RWG生物传感器102进行照射。此外，光学成像器140具有远心成像透镜142，该远心成像透镜的视场选定成收集来自经照射RWG生物传感器102的图像145。图7是示例成像系统114的示意图，其中入射光束1341具有倾斜(S卩，非垂直)的入射角a。该非垂直的入射角a消除对于分束器126的需求，并且可以4的因子改进光效率。在该实施例中，照射光学系统130包括透镜132，该透镜132接收光束134并且将该光束以预定角度引向准直透镜133。该准直透镜133接收光束134并且输出准直询问光束1341，该准直询问光束照射位于微板170的阱175内的预定数量RWG生物传感器102。或者，照射光学装置130可构造成形成多个询问光束1341，其中每个询问光束对相对应RWG生物传感器102进行照射。此外，光学成像器140具有远心成像透镜142，该远心成像透镜以预定角度定位并且所具有的视场选定成收集来自经照射RWG生物传感器102的图像145。参见图8,示出示例成像系统114,该成像系统114具有相对较小的覆盖面积,这是由于照射光学装置130和成像光学装置140共享远心透镜142的前透镜(或透镜组)142A。在该实施例中，照射光学装置130的透镜132接收光束134并且将该光束以发散方式引向折叠镜137。折叠镜137对发散光束134进行反射，以使其行进通过分束器126并行进至前透镜142A。前透镜139形成询问光束1341，该询问光束对位于微板170的阱175内的预定数量生物传感器102进行照射。前透镜142A还收集反射光134R并将该反射光引向分束器126。分束器126将反射光134R引向透镜142B，该透镜142B如上所述将反射光134R成像在图像传感器144上。图9是示例成像系统114的示意图，其中照射光学装置130和成像光学装置140共享远心透镜142的前透镜142A。照射光学系统130的透镜132接收光束134并且将该光束引导穿过分束器126，并经由折叠镜137引向前透镜142A。前透镜142A使光束134准直，并形成询问光束1341。前透镜142A还收集来自微板170和其中的RWG生物传感器102 的反射光134R，并且将该反射光经由折叠镜137引回分束器126。分束器126然后将反射光134R引向光学成像器142的第二透镜142B，并且如上所述将反射光134R成像在图像传感器144上。可调光源图10是示例可调光源106的示意图，该可调光源106包括宽频带光源200，例如可从俄罗斯莫斯科的超发光二极管公司(Superlum Diodes, Ltd.)获得的超发光二极管(SLD)。示例SLD光源200具有20nm的光谱带宽W和大约840nm的中心波长。假若光被充分地准直，则一个或多个传统宽频带LED也可用作宽频带光源200。下文将更详细地描述基于LED的光源200的示例。宽频带光源200沿着光源轴A2发散宽频带光束210。在各实施例中，宽频带光源200具有在IOnm至40nm范围内的光谱带宽W。可调光源106还包括沿轴线A2设置的可调波长滤波器(“可调滤波器”)216。示例可调滤波器216包括滤波器部件217和滤波器支承件226。示例可调滤波器包括具有可调(例如，机动)衍射光栅的单色仪、使用致动器(例如，压电或MEMS致动器)的可调法布里-珀罗标准具、液晶可调滤波器、声光可调滤波器以及角度可调的法布里-珀罗标准具。这些示例可调滤波器中，角度可调滤波器在性能和成本方面提供较佳的平衡。下文结合可调光源106来描述此种类型的可调滤波器216。可调滤波器216构造成透射超过具有中心波长的光谱线宽的光，且其“可调性”指代在维持光谱线宽基本恒定的同时调整中心波长的能力。因此，可调滤波器216的透射函数基本上连同中心波长而偏移。在一个示例中，可调光源106包括偏振器214，该偏振器沿着光轴A2设置在宽频带光源200和可调滤波器216之间，以使宽频带光束210线性地偏振，以具有P偏振或S偏振。在一些情形中，对于偏振器214使用S偏振构造，这是由于与P偏振构造相比，S偏振构造适应较宽的入射光束角度。滤波器部件217相对于轴线A2 (入射宽频带光束210沿着该轴线行进)具有角度(P，且该角度9相对于可调滤波器的表面法线N测得。在一示例实施例中，宽频带光束210使用准直透镜202准直。可调滤波器216构造成在宽频带光束穿过滤波器部件217时，宽频带光束210转换成窄频带(经滤波的)光束134。在一示例中，滤波器部件217由滤波器支承装置216支承，该滤波器支承装置在一个示例中适合于调整滤波器部件217相对于光轴A2的定向(即，角度(P)，以调整窄频带准直光束134的波长。下文将更详细地描述示例可调滤波器216。图11是可调光源106的另一实施例的示意图，该可调光源类似于图10所示的可调光源并且还包括沿着光轴A2设置在宽频带光源200和可调滤波器216之间的偏振分束器250和四分之一波片260。折叠镜270沿着光轴A2设置在可调滤波器206附近，但设置在与四分之一波片260相对的侧部上(即，可调滤波器驻留在四分之一波片和折叠镜之间)。在图11所示的可调光源106中，准直宽频带光束210通过穿过P偏振器214而P偏振，形成P偏振光束210P。该光束直接穿过偏振分束器250并通至四分之一波片260，该四分之一波片260对P偏振宽频带光束210P的偏振进行转换，以形成圆形偏振的宽频带光束210C。此种圆形偏振光束然后行进通过滤波器部件217，由此形成同为圆形偏振的窄频带光束134C。此种窄频带光束从折叠镜170反射出并保持圆形偏振。窄频带光束134 C返回行进通过已使该光束变为窄频带的滤波器部件217，然后该窄频带光束穿过四分之一波片260，该四分之一波片转换此种偏振，以形成S偏振窄频带光束134S。此种光束由偏振分束器250沿着轴线A3反射，该轴线A3相对于光轴A2成直角。注意到轴线A2在穿过滤波器部件217的情形下发生的偏移由通过滤波器部件的双通光程来补偿。可调光源106可构造成宽频带光束210的偏振可起始于S偏振并且形成输出P偏振窄频带光束134P，只要被询问的RWG生物传感器102定向成横向磁性(TM)询问，并且只要偏振分束器250适当地构造即可。如上所述，宽频带光源200具有一光谱带宽W，该光谱带宽足以覆盖待询问RWG传感器102的动态范围和波长变化。示例最小光谱带宽是W = 10nm。可调滤波器216的光谱线宽(既，带通)较佳地选定成用于实现较佳的RWG传感器询问性能。较宽的滤波器光谱线宽增大总体光强度，但增宽所测量的传感器光谱，由此降低探测灵敏度。通常，询问光谱(S卩，反射光134R的光谱线宽)是“滤波器函数”(即，可调滤波器216的光谱线宽)和RWG传感器共振函数的卷积。为了简化起见，对于这两个函数采用高斯线型，滤波器和生物传感器的光谱线宽分别是Wf和wg。所测得的光谱S通过如下方式给出
o r力’ (((义’-义)2)S= c/A'exp ——r exp ~^
J I wJ I wf )(I)
WfWg所得到的函数还是所具有的宽度为I2 ^ 2且所具有的幅值与I'a,2 + J成正比
^w/+wgVW/+Wg
的高斯曲线。由于波长质心(即，共振波长Xr)的探测灵敏度与幅值的平方根成正比而与宽度的平方根成反比，因而探测优值函数M可表述成
M= wfwsw) + wI(2)使该优值函数最大化的条件是wf = Wg.(3)
因此，较佳的滤波器光谱线宽与RWG生物传感器共振的光谱线宽(“生物传感器共振线宽”)相同。RWG生物传感器共振线宽的示例半峰全宽(FWHM)是^ = 0. 8nm，这在与IOnm和40nm之间的光源光谱线宽W相比时相对较小。实际上，滤波器光谱线宽和生物传感器共振线宽可与高斯线型不同。然而，等式
(3)的条件提供有用的引导，这是由于两种函数都是钟形的，且它们与高斯曲线的不同较小。注意到，由于生物传感器共振线宽和滤波器光谱线宽具有非零谱宽，因而经过滤的光束134的“波长”指代其中心波长 。在各实施例中，可调滤波器216的FSR可设计成至少与宽频带光源200的光谱带宽W—样宽。由于用于生物传感器询问的调谐波长范围需求仅仅是大约10nm，因而滤波器光谱线宽形状在入射角辦的小范围内几乎恒定。在需要较佳产出的应用中，单空腔滤波器会优于较复杂的多空腔设计。在需要较大范围的入射角识来用于波长调谐的情形下，最佳的是使用具有较小角度敏感性的S偏振光。示例窄范围的入射角是0°和6°之间的…而示例较宽范围的入射角是0°和14°之间的识。宽频带光源的设计如果宽频带光源200的总输出功率是P且光谱带宽是W，则在光束134穿过可调滤波器216之后光束中的峰值总输出功率p通过以下方式给出
wfWWf
_] P (4)上述近似假定W >> wf。从RWG传感器102反射下的峰值功率是;^P这是窄频带可调激光器的等效功
率。在20mW和IOOmW的功率水平处具有20nmFWHM的SLD宽频带光源200可在商业上购得。具有0. 8nm的生物传感器共振线宽的RWG生物传感器102的等效功率分别是0. 56mff和2.8mW。这些功率水平足以用于扫掠波长探测。角度调谐滤波器法布里-珀罗标准具的光谱透射可表述成
/ =__l + (2F/^)2sin2f^l
(5)其中，锐度通过以下方式给出
尸k4rF = -~-
I-及(6)且自由光谱范围FSR通过以下方式给出FSR 為
(7)其中A是光程长度差并且可表述成A = 2ndcos 9 . (8)在此，0是空腔中的内部入射角(参见插图，图11)，n是折射率，而d是空腔厚度。滤波器光谱线宽的FWHM简化成FSR/F。图12是示例滤波器部件217的示意分解侧视图，该滤波器部件217由具有相对两个侧部242的薄玻璃基板240制成。用于挠性显示器的薄玻璃板可用作玻璃基板240。为了维持机械刚度，在一示例中，基板240的厚度TH较佳地超过25微米，这转换成9. 3nm的FSR0反射涂层246较佳地沉积在一个或两个侧部242上，且反射率设计成在给定角度范围内产生所希望的滤波器光谱线宽。反射涂层246通常包括一个或多个薄膜层248。图13是示出另一示例滤波器部件216的类似于图12的示意分解侧视图，其中相对较厚的玻璃基板240用于机械地支承用作可调滤波器的沉积材料的薄膜堆叠。两个反射层260夹有固体空腔层262，由此形成单空腔滤波器部件217。可使用类似的层来制造所具有的正方形带通类似于密集波分复用(DWDM)滤波器的带通的多空腔滤波器。图13所示的薄膜堆叠滤波器部件217具有如下优点沉积工艺允许良好地控制各层260和262的厚度和均匀性，并由此较佳地控制滤波器光谱线宽。 在图13所示的滤波器部件217用于图11所示的双通可调光源设计的示例实施例中，反射层260包括处于HL-HL-HL( S卩，(HL)3)构造的高反射率H和低反射率L的涂层(膜)堆叠，同时空腔层262包括二氧化硅(SiO2)层，且在一个示例实施例中是12微米厚。在各实施例中，氟化镁(MgF2)可用于低指数的四分之一波涂层L，而二氧化钛(TiO2)用于高指数的四分之一波涂层H。示例滤波器部件217具有大约2mm的厚度，并且可切成IOX 10mm2。在各实施例中，滤波器部件217的中心波长可在滤波器部件的区域上均匀至+/-0. Inm内。用于示例可调滤波器216的单通滤波器光谱线宽(即，透射)对于相应的入射角￠9=5°和^=14°在图14和图15中描绘成强度与波长。在滤波器光谱线宽的形状保持基本上恒定的同时，实现IOnm的调谐范围(即，仅仅显著的滤波器光谱线宽变化会产生中心波长变化)。在识=5°时，P偏振和S偏振的曲线基本上如图所示交迭成单根迹线。在识=14°时，由于对于P偏振，镜面折射率减�。蚨鳳偏振曲线略微变宽。虽然角度调谐并非是线性的,如图15中所示出的透射曲线中S偏振曲线150和P偏振曲线155中的略微不同，改变角度扫描的速度可补偿非线性度并且产生恒定的波长扫描速率。对于需要补偿光束平移的应用，图11所示可调光源106的双通实施例对于所有的调谐角度P提供此种补偿。在各实施例中，光束210进入偏振分束器250，借助线性偏振器214使偏振对准成实现全透射。在小角度…滤波器光谱线宽独立地偏振。由于光穿过滤波器部件217两次，因而单通滤波器光谱线宽(滤波器函数)的设计宽度增大V 2的因子。图16对于示例定制可调滤波器216在相对较大波长范围内描绘滤波器光谱线宽，并示出FSR160大约是20nm，而目标法线入射透射峰值是838nm，该峰值非常接近于840nm的SLD中心波长。如上文结合图11的描述，滤波器部件217由滤波器支承装置226支承，该滤波器支承装置在各实施例中可适合于调整滤波器部件217相对于光轴A2的定向(即，角度CP )，以调整窄频带准直光束134的中心波长(图I)。示例滤波器支承装置226包括旋转阶段或检流计扫描器。检流计扫描器广泛地用在工业应用中并且高度可靠且成本有效。商业上可购得的检流计扫描器具有2微弧度至8微弧度的角度重复性，其与0. 51pm至0. 13pm的波长重复性相对应。此种误差对于传感器询问误差增添大约51fm至大约13fm的干扰，而这是可忽略的。基于闭环检流计扫描器的滤波器支承装置226可在高达2kHz的频率下操作，并且对于±5V的控制电压具有12°的机械角度扫描范围以及200微秒的较小阶跃相应时间。在图17中示出根据用于支承滤波器216的基于检流计的滤波器支承装置226的控制电压校准而得的滤波器光谱线宽的中心波长。在各实施例中，滤波器支承装置226的角度运动由控制器150中数据采集卡(未示出)产生的16位缓冲模拟电压波形所控制。此种电压波形产生线性波长扫描，该线性波长扫描在一个不例中花费大约2秒并覆盖826nm至836nm的波长范围。光学成像器140可与模拟电压输出波形的起始同步。在各实施例中，在可调滤波器216线性地扫过调谐范围时，获取总共400个电子图像145。根据例如图17所示的校准曲线来设计基于检流计的滤波器支承装置226的数字电压缓升函数，以产生线性波长扫描。由于等式⑴的卷积，无需对电子图像(即，传感器光谱)145进行数字过滤。为了说明低时间相关可调光源106的有益效果，通过基于本发明的高时间相关可调激光器光源和低时间相关可调激光器光源106、测量RMG生物传感器102的一系列反射光束135R获得从图像传感器144的单像素测得的询问光谱(强度与波长)。相应的结果绘制在图18A和图18B中。注意到在图18B的曲线中缺少干涉条纹，这简化了 图像处理,例如无需任何数据过滤来移除数字图像145中的附加干涉条纹。此外，系统100的更新速率对于双核处理器152来说是相对较快的3秒。由于滤波器光谱线宽而缺乏干涉条纹。在没有光谱和空间附加条纹的情形下，图像处理器144能以强度模式操作，这提供非常高的更新速率，例如高达200Hz。图18B所示的曲线代表等式(I)的卷积。在各实施例中，共振波长Ak(在曲线中通过虚线示出)通过应用质心算法(例如，一阶瞬时质心算法)的处理器152从图18B所示的数据中确定。图19绘制两个示例生物传感器共振光谱，并示出固定于实线生物传感器共振线宽的50%透射点的滤波器中心波长。RWG生物传感器共振波长的偏移(虚线曲线)探测为传感器反射率的变化和图像传感器144处所探测强度的变化。在此种模式下，非标记成像的速度可与图像传感器144的帧速一样快，且图像传感器电子器件146会允许。此种操作模式适合于具有较小动态范围的试验。所探测的图像强度和共振波长之间的关系根据操作点的选择、在-0. 6nm至I. 5nm或-I. 5nm至0. 6nm的有效动态范围内计算。此种范围对于最大程度基于细胞的试验是充分的。由于相对较窄的动态范围，此种技术适合于对单个或较少数量的RWG生物传感器进行成像，其中共振均匀性和试验波长偏移位于动态范围内。较宽的动态范围可通过设计较宽的生物传感器共振线宽或者滤波器光谱线宽来实现。在各实施例中，人工波长调谐可替代自动(例如，基于检流计)调谐，且图像强度可直接转换成数字图像145。这使得非标记的成像速度能与CXD或CMOS照相机的成像速度匹配，并且可高达IkHz。此种简单且高速的光阅读器通过可调光源106来实现。在一示例中，控制器150包括软件界面并且在显示器156上显示以下方面中的至少一个实时更新的非标记图像、非标记图像与初始图像的区别、以及每个阱中平均共振波长的运动学。非标记图像145在试验中的顺序保存在存储器154中的二进制文件中，用以进行进一步数据处理。光谱整平滤波器
诸如SLD和LED之类的宽频带光源200具有可由高斯函数近似的钟形光谱。在需要超出调谐范围的恒定功率的应用中，宽频带光源的光谱线型需整平。參见图21，在类似于图10所示实施例的实施例中，这使用具有滤波器部件217和滤波器支承装置226的光谱整平滤波器218来实现，其中例如滤波器部件217包括角度调谐固体标准具。例如，如果宽频带光源具有20nm的FWHM光谱带宽，基于标准具的光谱整平滤波器218可设计成具有I. 5的锐度和23nm的FSR。基于标准具的光谱整平滤波器218的中心波长通过角度调谐来优化。光源光谱2100、滤波器函数2110 (滤波器光谱线宽)以及经整平的光源光谱2120的示例在图21所示的幅值与波长的曲线中进行比较。具有低空间相关性的可调光源如上所述，示例高亮度宽频带光源包括SLD和非线性光纤。这些光源虽然时间不相关但仍具有显著的空间相关性。于是，由于沿着光程的任何缺陷产生的散射波与主波前相关地干渉，产生干涉条纹或斑纹图案，即使时间相关长度短于RWG传感器基板的厚度仍如此。
图22是由来自可调光源106的入射光1341照射的RWG生物传感器102的数字图像，该可调光源106使用SLD来用于宽频带光源200。白圈302封围有示例斑纹图案304，并且在图像中存在多个其它的斑纹图案304。斑纹图案304通过强加会调节经询问RWG传感器响应的慢速变化光谱线型而不利地影响光阅读器系统的性能。此外，斑纹图案的干涉仪特性致使线型对于温度和漂移高度敏感，从而在传感器读数中产生人为偏移。这些结果会不利地影响光阅读器系统的精度。图23是类似于图10的示例可调光源的示意图，除了宽频带光源200包括基本上空间不相关的延伸区域宽频带光源201。在一示例中，基本上不相关的宽频带光源201包括ー个或多个基本上空间不相关的诸如LED的光发射器203，例如在图24所示的宽频带光源201的放大视图中示出。在其它示例中，基本上空间不相关的宽频带光源201包括基于灯丝的光源或灯。此外在一示例中，透镜202具有基于基本上空间不相关宽频带光源202的尺寸和发射型式的焦距。将LED用作光发射器203的有利之处在于LED是高度可靠的、相对低成本的、紧凑的、消耗相对较低的功率并且发射在相对较宽的光谱范围内基本上不相关的光。基本上空间不相关宽频带光源202可包括如图24所示的光发射器203的线性阵列，或者可构造成具有各种形状(正方形、圆形、矩形等等)的ニ维阵列。图25是示出示例基本上空间不相关宽频带光源202的尺寸(长度L、宽度D)并且示出可调滤波器216具有宽度w的相对应滤波器部件217的示意图。在一个示例中，2D彡L彡10D，而在相关示例中，L = 8D。示例基本上空间不相关宽频带光源201可通过包装0. 3X0. 3mm2的LED模具来形成ー维LED阵列而形成。该示例的变型包括在一个或多个较大LED发射器上设置狭缝孔(未示出)，并且使ー个或多个LED的输出投影至具有狭缝孔的平面，由此产生虚拟细长光源201。在另ー示例中，可使用超发光二极管和旋转漫射器(未示出)来产生基本上空间不相关的宽频带光源201的各种几何形状。不同于空间相关的点光源，延伸区域的光源无法较佳地准直，这是由于光源的不同角度部分经受不同的滤波器函数。因此，当在可调光源106中使用基本上空间不相关宽频带光源201时，存在附加的光谱增宽效果。对于较佳准直的光束210，此种角度减小的光束增宽理想地是不超过可调滤波器216的光谱宽度wf。在一个示例中，经滤波的光束134的优化光谱宽度大约与RWG生物传感器102的光谱宽度相同。因此，如果角度减小的光谱增宽等于可调滤波器216的光谱宽度，则可调滤波器的优化光谱宽度是RWG生物传感器102的共振宽度I/ V 2倍。再次參见图23至图25，示例基本上空间不相关宽频带光源201具有长度L和宽度D，且准直透镜202具有焦距f。滤波器部件217具有宽度w >> D。这些光源尺寸可以是光源201的实际大小或者光源的光学图像的大小。对于f>>D，(基本上)准直的光束210具有如下角展度，该角展度在X方向和
y方向具有
权利要求
1.一种光源，所述光源用于询问至少一个具有共振线宽的共振波导光栅(RWG)生物传感器，且所述光源包括 宽频带光源，所述宽频带光源发射具有第一光谱带宽的光束，且所述第一光谱带宽大于所述RWG生物传感器的共振线宽；以及 可调光学滤波器，所述可调光学滤波器具有可调中心波长和光谱线宽并且设置成接收并过滤所述光束，以致使所述光束具有第二光谱带宽，所述第二光谱带宽基本上与所述RWG生物传感器的共振线宽相同。
2.如权利要求I所述的光源，其特征在于，所述中心波长可根据所述可调光学滤波器相对于所述光束的角度调谐。
3.如权利要求I或2所述的光源，其特征在于，所述光学滤波器包括单空腔，所述单空腔夹在相对的两个反射层之间。
4.如权利要求I至3中任一项所述的光源，其特征在于，所述光学滤波器具有自由光谱范围(FSR)，所述自由光谱范围与所述第一光谱带宽相同或大于所述第一光谱带宽。
5.如权利要求I至4中任一项所述的光源，其特征在于，所述RWG生物传感器共振线宽在半峰全宽处测得是O. 8nm。
6.如权利要求I至5中任一项所述的光源，其特征在于，所述宽频带光源包括超发光二极管(SLD)或发光二极管(LED)。
7.如权利要求I至6中任一项所述的光源，其特征在于，所述宽频带光源包括基本上空间不相关的光源。
8.如权利要求7所述的光源，其特征在于，所述宽频带光源包括一个或多个基本上空间不相关光发射器的阵列。
9.如权利要求8所述的光源，其特征在于，还包括包含一个或多个LED的一个或多个基本上空间不相关的光发射器。
10.如权利要求I至9中任一项所述的光源，其特征在于，还包括在所述可调光学滤波器附近的角度调谐光谱整平滤波器，以将所述宽频带光源的第一光谱带宽整平。
11.如权利要求I至10中任一项所述的光源，其特征在于，还包括 偏振分束器和四分之一波片以及折叠镜，所述偏振分束器和四分之一波片位于所述宽频带光源和所述可调光学滤波器之间，而所述折叠镜与所述四分之一波片相对地位于所述可调滤波器附近，且所述光束两次穿过所述可调光学滤波器并且在线性偏振下离开所述偏振分束器。
12.—种非标记的光阅读器，所述光阅读器用于读取由微板支承的至少一个共振波导光栅(RWG)生物传感器，并且包括 如权利要求I所述的光源，所述光源用以发射经过滤的光束，所述光束具有掠过所述第一光谱带宽的波长； 照射系统，所述照射系统用以将所述经过滤的光束引向所述至少一个RWG生物传感器并且形成相对应的反射光束； 光学成像器，所述光学成像器用以接收所述反射光束并形成数字图像；以及 控制器，所述控制器用以处理所述数字图像，从而为所述至少一个RWG生物传感器建立共振波长。
13.一种非标记的光阅读器，所述光阅读器用于读取由微板支承的至少一个共振波导光栅(RWG)生物传感器，并且包括 如权利要求I所述的光源，所述光源用以发射经过滤的光束，所述光束具有所述第一光谱带宽内的固定波长； 照射系统，所述照射系统用以将所述经过滤的光束引向所述至少一个RWG生物传感器并且形成相对应的反射光束； 光学成像器，所述光学成像器用以接收任何反射光束并形成数字图像；以及 控制器，所述控制器用以处理所述数字图像，从而为所述至少一个RWG生物传感器将强度变化转换成共振波长偏移。
14.一种读取至少一个具有共振线宽的共振波导光栅(RWG)生物传感器的方法，所述方法包括 产生具有第一光谱带宽的光束，且所述第一光谱带宽大于所述RWG生物传感器的共振线宽； 使所述光束穿过可调光学滤波器并且调整所述可调滤波器，以产生一系列光束，每个光束具有第二光谱带宽，所述第二光谱带宽基本上与所述RWG生物传感器的共振线宽相同，但在所述共振线宽内具有不同的中心波长； 引导一系列经过滤的光束，以使所述光束入射至所述至少一个RWG生物传感器并且产生相对应的一系列反射光束； 根据所述一系列反射光束形成所述至少一个RWG生物传感器的一系列数字图像；以及 处理所述一系列数字图像，从而为所述至少一个RWG生物传感器建立共振波长。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括使用超发光二极管(SLD)和发光二极管(LED)中的一种来产生所述光束。
16.如权利要求14至15中任一项所述的方法，其特征在于，调整所述可调光学滤波器包括改变所述滤波器相对于穿过其中的所述光束的角度。
17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，还包括使所述光束穿过角度调谐的整平滤波器，以将所述宽频带光源的第一光谱带宽整平。
18.如权利要求14至17中任一项所述的方法，其特征在于，还包括在滤波器支承装置中支承所述可调滤波器，并且通过提供给所述滤波器支承装置的控制信号来调整所述滤波器角度。
19.如权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，所述产生所述光束包括从基本上空间不相关的宽频带光源发射光。
20.如权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，还包括形成具有一个或多个发光二极管(LED)的基本上空间不相关宽频带光源。
21.一种读取至少一个具有共振线宽的共振波导光栅(RWG)生物传感器的方法，所述方法包括 产生具有第一光谱带宽的光束，且所述第一光谱带宽大于所述RWG生物传感器的共振线宽； 使所述光束穿过可调光学滤波器并且调整所述可调滤波器，以产生光束，所述光束具有基本上与所述RWG生物传感器的共振线宽相同的第二光谱带宽并且在所述共振线宽内具有固定中心波长； 引导经过滤的光束，以使所述光束入射至所述至少一个RWG生物传感器，从而产生相对应的反射光束； 根据所述反射光束形成所述至少一个RWG生物传感器的一系列数字图像；以及 处理所述一系列数字图像，从而为所述至少一个RWG生物传感器建立共振波长。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，调整所述可调光学滤波器还包括改变所述滤波器相对于穿过其中的所述光束的滤波器角度。
23.如权利要求21至22中任一项所述的方法，其特征在于，处理所述一系列数字图像包括将强度变化转换成所述共振波长中的偏移。
24.如权利要求21至23中任一项所述的光源，其特征在于，还包括使所述光束穿过角度调谐的整平滤波器，以将所述宽频带光源的第一光谱带宽整平。
25.如权利要求21至24中任一项所述的方法，其特征在于，还包括使用超发光二极管(SLD)和发光二极管(LED)中的一种来产生所述光束。
26.如权利要求21至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述产生所述光束包括从基本上空间不相关的宽频带光源发射光。
27.如权利要求21至26中任一项所述的方法，其特征在于，还包括形成具有一个或多个发光二极管(LED)的基本上空间不相关宽频带光源。
全文摘要
一种可调光源(106)，该可调光源用于询问至少一个具有共振线宽的共振波导光栅(RWG)生物传感器。该可调光源(106)包括宽频带光源(200)，该宽频带光源发射具有第一光谱带宽的光束(134)，且该第一光谱带宽大于RWG生物传感器的共振线宽。宽频带光源(200)可以是基本上空间不相关的。具有可调光谱线宽的可调光学滤波器(216)设置成接收并过滤光束，以致使光束具有第二光谱带宽，该第二光谱带宽基本上与RWG生物传感器的共振线宽相同。还披露使用可调光源(106)的非标记光阅读器(100)。
文档编号G01J3/26GK102713542SQ201080051606
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月9日 优先权日2009年11月10日
发明者邬起 申请人:康宁股份有限公司
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