CN113993455A - 光学元件或与光学元件有关的改进 - Google Patents

Abstract

提供了一种化验盒，化验盒用于检测流体中的目标成分。化验盒包括光学元件，光学元件包括：光通路，光通路包括输入表面、反射表面和输出表面，输入表面、反射表面和输出表面被配置为使得光能够进入、反射并且在反射表面的附近产生渐逝场以及离开元件；多个捕获成分，多个捕获成分沉积在渐逝场附近的反射表面上；以及透射表面，透射表面被配置为使得来自渐逝场的发射能够离开元件；其中，化验盒是单次性使用的盒。

Description

光学元件或与光学元件有关的改进

技术领域

本发明涉及用于盒中的光学元件或与用于盒中的光学元件有关的改进以及制造多个光学元件的方法。

背景技术

分析或诊断系统通常包括一次性盒和检测器。测试盒包括光学元件，光学元件可用于跟踪关键分析物或生物标志物的水平，关键分析物或生物标志物的水平可作为健康的量度，或者相反地，以识别表示疾病状态的特定生物标志物的存在或不存在。替代地，可能会对其他材料(例如，水)中的污染物水平感兴趣。光学元件构成该测试盒的一部分并且可在至少一个表面上设置捕获成分(例如，抗体)，以便结合样本内的互补目标成分(例如，诸如尿液、唾液、眼泪、汗液或血液的生物流体)。化验通常在例如化验盒的装置上进行，以便检测盒内的样本内的目标成分。如果夹层结构式化验格式(sandwich assay format)与未结合到表面的发射标记的附加抗体一起使用，则可以使用全内反射(TIR，total internalreflection)和更具体地全内反射荧光(TIRF，total internal reflectionfluorescence)来检测目标成分。

TIRF利用延伸到包含样本的盒的区域中的薄光场(厚度约为几百纳米)，盒区域通过全内反射产生。全内反射发生在较高折射率的介质和较低折射率的介质之间的界面处。在通过两种介质的折射率定义的临界角以上，在较高折射率介质中传播的光入射到较低折射率的介质上时会被全反射。该全内反射产生指数衰减的光场，被称为渐逝波。渐逝波可用于激发非常接近两种介质之间的边界的发光分子。因此，这些发光分子将发射特定波长的光，特定波长的光可被选择性地检测以提供关于边界区域的信息。发光可由荧光或磷光引起。

穿透物镜配置是实现全内反射荧光的成熟技术。然而，使用穿透物镜配置需要使用折射率匹配材料以将样本与高数值孔径显微镜物镜接合。由于在每个盒之间以可重复的方式应用和去除折射率匹配材料所涉及的复杂性，这对于非技能化的仪器来说是非常不希望的。当需要高通量测量时，这也可能是个复杂的问题，因为必须定期清洁和更换折射率匹配流体。此外，穿透物镜技术具有有限的视野，因此通常需要单独地询问每个沉积的目标成分(例如，抗体点)，因此需要移动部件以使得系统能够在每个点之间移动。

波导是另一种可用于TIR测量的技术。波导去除了对折射率匹配材料的需求。然而，与使用穿透物镜技术进行的TIRF测量相比，通过波导实现的信噪比显著地降低。这主要是因为多模波导使得能够将在一定角度范围内传播的光撞击到边界表面上，增加了渐逝场的净深度，并且还可能使得低于临界角的光能够传输。

在盒的TIRF测量期间，与波导方法相比，基于棱镜的系统提供了更高的信噪比。然而，基于棱镜的系统需要将棱镜与盖玻片或显微镜载玻片或使用折射率匹配材料的其他光学元件接合，以便使得渐逝波能够被发射到光学元件和包含盒内样本的介质之间的边界中。由于在每个盒之间应用和去除液体折射率匹配材料的复杂性，这是不可取的。此外，移动部件可能与更高的故障率相关。此外，折射率匹配材料的使用增加了污染的风险，例如，气泡或不需要的微粒，气泡或不需要的颗粒会散射光，从而在测量期间会产生噪声，降低了测量的可靠性。替代地，专有的固相指数匹配解决方案是已知的，但使用该方法也会提高制造具有基于棱镜系统的盒的制造成本。

制造光学元件通常涉及将光学元件切割成适当的尺寸，这需要精确的制造机械。此外，在制造过程期间，光学元件的表面经常被光学抛光和精细研磨。这些工艺步骤通常耗费大量时间和资源。因此，制造光学元件所需的成本可能很大，并且当大量制造时，由于这些工艺必须应用于每个光学元件，因此使得不能够大幅节省成本。因此，大量制造廉价的光学元件给制造商和用户带来了巨大的挑战。

因此，识别和/或开发大批量制造工艺以在测试盒内制造光学元件是非常有益的。因此，目的是降低大量制造光学元件的成本。

本发明就是在该背景下产生的。

发明内容

根据本发明，提供了一种光学元件，光学元件包括：

光通路，光通路包括输入表面、反射表面和输出表面，输入表面、反射表面和输出表面被配置为使得光能够进入、反射和离开元件；其中，捕获成分沉积在反射表面上；并且其中，元件进一步包括透射表面，透射表面被配置为使得来自捕获成分的发射能够离开元件。

捕获成分可经由印刷工艺来沉积，印刷工艺涉及液体悬浮液，液体悬浮液包含被直接印刷到反射表面的预定区域上的捕获成分。在一些实施例中，斑点的图案被印刷。每个斑点都被印刷为包含有捕获成分(例如，抗体)的液滴。液滴可留在表面上一段时间，以使得抗体能够物理吸附到表面。然后，任何多余的抗体都可以被洗掉，留下近似“单层”的抗体。

替代地或附加地，反射表面的相关部分或甚至整个反射表面可以通过提供合适的引物来功能化，并且捕获成分可以流过表面或以局部方式沉积。表面的功能化可通过表面处理工艺或通过直接在反射表面上沉积反应性成分来实现。然后，捕获成分可流过反射表面或沉积在反应区域上。

直接在棱镜的反射表面上提供捕获成分将不需要折射率匹配材料。这可能是有利的，因为这可以减少与使用液体折射率匹配材料相关的复杂性和可变性以及使用固定折射率匹配解决方案的成本和可变性。

在使用中，将含有目标成分的样本引入到盒中。样本同时地或依次地接触检测试剂和捕获成分。检测试剂、目标成分和捕获成分之间发生结合以形成夹层结构式化验。由于捕获成分附着到光学元件的反射表面上，夹层结构式化验被定位在该表面上。由于提供附着到检测试剂的标记，或检测试剂的固有发光特性，当光被光通路上的入射光激发时，光将从夹层结构式化验中发射。由于激发只发生在反射表面附近的渐逝场内，所以只有在位于表面上的夹层结构式化验中才会发生发光。没有如此定位的检测试剂或检测试剂的标记将不会接收到该激发，因此不会发光。

在一些实施例中，输入表面和/或输出表面可以是折射表面或衍射表面或透射表面。

折射表面或衍射表面可将光(例如，入射光束)引导到反射表面。折射表面、衍射表面或透射表面的选择可以使得光路能够被最佳地结合到提供光学元件的装置中。

在一些实施例中，来自标签的发射可以是发光。在这些情况下，发光可以由附着在检测试剂上的标记产生，或源自检测试剂本身。通过检测试剂发射的发光可以是荧光或磷光。由于荧光有出色的信噪比和信背比，因此荧光是经由TIRF显微镜检测生物系统中标记样本的常用方法。由于仅在光学元件的反射表面附近形成的渐逝场的穿透深度低，不在表面上的发光团的离焦激发被最小化，因此几乎不会发生任何背景荧光。

在一些实施例中，来自检测试剂或其标记的发射可以是散射的形式，例如，米氏(Mie)散射、瑞利(Rayleigh)散射或拉曼(Raman)散射。在这些情况下，高散射标签可以附着到检测试剂，或散射可以直接源自检测试剂。

在一些实施例中，光可以在反射表面处经历单次反射。入射光束可以通过入射光束在光学元件内的折射产生的角度变化到达目标区域进行单次反射。

替代地，入射光束可以到达目标区域进行单次反射，而不会由于折射而产生角变化。

在一些实施例中，光可以在反射表面处经历多次反射。形成光学元件的材料的几何形状和折射率可以使入射光能够在反射表面上进行少量的离散反射。

替代地，光学元件可以被配置为波导，使得在元件内形成光场，光充满元件并且由于波导经由每个表面进行有效的不可区分数量的反射。

在一些实施例中，光学元件可以是棱镜、或达夫棱镜、或长方体。在一些实施例中，光学元件可以是三角形。输入表面和输出表面的角度可以被设置为布儒斯特角，当布儒斯特(Brewster)角与适当偏振的输入光源结合时，可以导致显著地减少不需要的反射。

输入光束可以以任何角度入射到光学元件上，从而实现全内反射。通过对制造光学元件的材料应用斯涅尔(Snell)定律，可以为任何光学元件确定该角度范围。输入光束可以被配置为垂直于输入表面入射，在这种情况下，输入光束将直接穿过输入表面。替代地，输入光束可以不垂直于输入表面入射，因此输入光束将在输入表面处折射，然后，前进到反射表面，此时，输入光线必须以有助于全内反射的角度入射。

选择输入表面和反射表面之间的角度以优化通过光学元件的光路。角度可以是锐角，即，小于90°，或者也可以是90°。在角度是90°的情况下，棱镜可以被称为长方体。选择反射表面和输出表面之间的角度以符合光学元件的封装要求。反射表面和输出表面之间的角度可以与输入表面和反射表面之间的角度相同。这可能是有利的，因为简化了装置的组装，因为光学元件可以被插入任一作为输入表面的基座。然而，如果元件有封装要求，则可以使用非对称配置。

在一些实施例中，透射表面可是衍射表面或折射表面或非平面表面。非平面表面可以用于辅助光收集或成像应用。这对于由聚合物构成的光学元件可能特别有用，因为与光学玻璃相比，由聚合物构成的光学元件可以更容易地制造复杂的体积。

在一些实施例中，输入和/或输出表面可以进一步包括至少一个衍射光栅，至少一个衍射光栅可以是透射衍射光栅或反射衍射光栅。光学元件的输入和/或输出表面处的光栅可用于将光分成多束沿不同方向传播的光束。

捕获成分可以是抗体。替代地或附加地，捕获成分可以是核酸(例如，DNA、RNA、mRNA或微小RNA)或化学改性的核酸；捕获成分可以是蛋白质或改性的蛋白质；捕获成分可以是激素；或被配置为捕获蛋白质的栓系药物。可以提供单个捕获成分。替代地，可以提供多个捕获成分的组合。多个捕获成分的组合是有利的，因为这使得能够有更强大的诊断能力。在一些实施例中，沉积在反射表面上的多个捕获成分可以是空间上可寻址的。

在本发明的另一方面，提供了一种化验盒，化验盒用于检测生物流体中的目标成分，化验盒包括根据本发明前述方面的光学元件；其中，选择捕获成分以捕获待检测的目标成分。

在一些实施例中，光学元件可以是一次性的。在这种情况下，一次性旨在包括单次或少量使用，包括随着时间的推移对单个生物流体样本进行多次读数，然后处理该元件。该元件也可以是可回收的，但在再次使用之前必须将元件去除并修复。该方法确保了完全消除样本之间交叉污染的风险，因为化验盒只用于单个样本。通过确保元件可回收，来确保可靠地使用资源。

单次使用的化验盒的基本原理是，化验盒旨在用于非受控的环境(例如，在护理点、家中、或现场)。因此，化验盒被配置为单次使用以避免性能下降。

在一些实施例中，光学元件的单次使用性质可以通过不可逆斑点的存在来保证。该斑点可以被配置为无论样本的性质如何都点亮，以表明样本已经流过光学元件，因此表明化验盒已经被使用。如果再次使用同一化验盒，该斑点将从一开始就被点亮，这将清楚地证明该化验盒已经被使用过一次以上，因此结果应被视为可疑的。

该斑点可以是链霉亲和素，并且该化验盒可以被配置为在具有样本流的化验盒上携带生物素和荧光团的缀合物。链霉亲和素与生物素之间的结合是最强的非共价相互作用之一，因此一旦发生相互作用，就不能通过洗涤或其他处理来逆转。因此，在化验完成之前，要对读出的数据进行初步检查，以确定该化验盒是否已被再次使用。如果是，结果将无效。

相反地，不可逆斑点可以在化验结束时被漂白，使得不可逆斑点不能通过第二次或后续的使用而被激活。在该实施例中，不可逆斑点仍然可以是链霉亲和素，当第一次合理使用化验盒时，不可逆斑点肯定会被点亮。在化验结束时，斑点将被不可逆转地漂白，以便在随后不合理的使用化验盒时，斑点在化验的任何阶段都不会被点亮。该配置的优点是，只需要根据化验结果对化验盒进行观察。

在一些实施例中，不可逆斑点可以在存在水的情况下被点亮，因为化验盒中使用的所有样本都是水性的。在这些实施例中，不可逆斑点可以不是阵列中的斑点之一，而是在存在水的情况下经历永久变化的带状物。变化可以是颜色的变化，例如，从白色变为红色。替代地或附加地，变化可以是透明度的变化，使得化验盒如果先前已经与水接触，则光不能再通过。除了检测出化验盒已经被不合理使用了两次之外，还将具有检测化验盒意外地被水损坏的优点。

在一些实施例中，光学元件的单次使用性质可以通过身份标签的存在来保证，例如，印刷的条形码或RFID标签。每个身份标签是唯一的，并且只有一组数据可以被接收并且与每个身份标签相关联。因此，如果光学元件被重复使用，则提交到与该身份标签相关联的中央数据库的任何后续数据都将被拒绝。

在一些实施例中，光学元件的单次使用性质可以通过提供单次使用的夹子来保证。在这种情况下，单次使用的夹子是使用夹子关闭一次后，用户无法再次打开的夹子。通过物理地防止化验盒被打开，在提供初始样本之后防止用户触及化验盒的内部。

在一些实施例中，生物流体可以是唾液样本。唾液样本可以是生物样本，因为唾液样本是非侵入性程序。此外，唾液可以快速且容易地从受试者处获得。此外，唾液可以含有与血液样本相似的有用成分。替代地或附加地，生物流体可以是血液或尿液样本。

在一些实施例中，流体可以是例如来自供水、溪流、湖泊、大海或海洋的水的流体样本。

在一些实施例中，反射表面可以被配置为形成微流体流动通道或井的一部分。

在本发明的另一方面，提供了一种设备，该设备用于检测在生物流体中的目标成分的存在和/或量，设备包括：

化验盒，化验盒包括根据本发明前述方面的光学元件，以及

检测器，检测器用于检测所发射的光的存在和/或量，以提供样本内的目标成分的存在和/或量的指示。

样本内存在的目标成分的量可以与样本内目标成分的浓度有关。然而，在一些实施例中，其中，样本是蛋白质，蛋白质与捕获成分的结合可能是不完美的，因此将只检测到存在蛋白质的子集。为了计算样本中存在的目标成分的实际浓度，可以进行校准。在另一个实施例中，检测到的蛋白质水平与样品来源的条件或状态之间的关系可以通过将水平与用于确定蛋白质水平的其他方法相关联来确定，以提供有意义的读数。

在一些实施例中，光学元件进一步包括孔，例如针孔。孔可以用于切断来自样本区域的横向光。

在一些实施例中，设备可以进一步包括激发光源。在一些实施例中，激发光源可以提供入射光束，入射光束可以被配置为在反射表面上被沉积的捕获成分上产生渐逝激发场。

在一些实施例中，检测器可以进一步包括空间滤波器，空间滤波器被配置为增强发射光的信噪比。提供空间滤波器可以是有利的，因为空间滤波器可以被配置为切断不是源自样本区域的光。

此外，空间滤波器可以被配置为减少或消除平面外荧光信号。空间滤波器的使用改善了发射光的信噪比，并且降低了噪音。

在一些实施例中，设备可以进一步包括第一成像透镜，第一成像透镜定位在光学元件和空间滤波器之间。第一成像透镜可以被配置为将所发射的光聚焦到空间滤波器上。

在一些实施例中，设备可以进一步包括第二成像透镜，第二成像透镜定位在空间滤波器和检测器之间。第二成像透镜可以被配置为将所发射的光聚焦到读取器上。

在一些实施例中，设备可以进一步包括滤光片，滤光片被配置为最小化或消除一个或多个散射或发射波长。

根据本发明，提供了一种制造多个光学元件的方法，方法包括以下步骤：将预制件加热到等于或超过预制件的玻璃化转变温度的温度；将预制件拉伸为细长的股线；以及将股线分成多个光学元件。

对于给定的材料，可以凭经验测量玻璃化转变温度。例如，二氧化硅的玻璃化转变温度约为2000℃，而一些聚合物的玻璃化转变温度约为300℃。预制件可以加热到足以改变预制件粘度的温度，从而适合于拉伸成细长的股线。该拉伸温度高于玻璃化转变温度，并且低于结晶温度(如果存在于材料中)。

该方法提供了各种优点。首先，单个加工过的预制件在拉伸为细长的股线时可以产生成千上万个光学元件。此外，每单元所需材料的物理体积显著减少，因此，降低了每单元的散装材料成本。同样显著地，通过该工艺产生的表面可以是具有光学质量的，不需要进一步抛光表面。

在一些实施例中，将股线分成多个光学元件可涉及切割股线。在此所使用的切割是指用于切割股线以留下具有光学质量的表面光洁度的任何机械工艺。

在一些实施例中，将股线分成多个光学元件可涉及烧蚀和随后抛光的组合。在一些实施例中，该工艺可由CO₂或其它激光执行，因为二氧化硅在CO₂激光的发射波长下表现出极高的吸收率，而其他高功率短脉冲激光可用于通过多光子电离来烧蚀玻璃。

在一些实施例中，分割步骤可以垂直于预制件的拉伸方向进行。这可以提供一系列长方体光学元件。

在一些实施例中，分割步骤可以与预制件的拉伸方向成大于75°的角度进行。预制件的拉伸方向的75°夹角与竖直方向的“小于15°”相同。这通常是商业上可用的机械切割方法所能达到的最大角度。

角度将根据将股线分成多个光学元件的方法以及光学元件在盒中的封装以及该施加在穿过元件的光束路径上的约束来选择。

在一些实施例中，切割步骤可以从股线的每一侧交替地发生，使得每个光学元件都具有梯形的横截面。

在一些实施例中，可以以大体相同的角度提供两个切割步骤。这将提供具有等长侧边的梯形。将光学元件封装到盒中而不强制不对称的配置是优选地。对称元件可以以两种可能的定向中的任一种被插入到盒中。由于两种配置同样有效，因此不可能以错误的方式插入元件。

然而，当通过盒的光路径是不寻常的并且因此可以选择角度以实现穿过形成盒的一部分的光学元件的最佳光路径时，不对称的配置可以提供优势。

在一些实施例中，预制件可以是熔融二氧化硅，熔融二氧化硅被选择为低杂质。低杂质的熔融二氧化硅是有利的，因为低杂质的熔融二氧化硅具有低自发荧光。

在一些实施例中，股线的尺寸由股线的拉伸率来决定。例如，股线可以从大体正方形横截面的预制件中拉伸，大体正方形横截面的预制件的边长介于20mm到50mm范围内。预制件的高度介于20cm到30cm的范围内。股线可以是1mm×1mm横截面的股线，尽管也可以使用2mm×2mm或甚至3mm×3mm的股线。横截面可以保持尽可能小，以最大限度地减少材料成本。在一些实施例中，细长的股线的横截面可以是500μm×500μm、400μm×400μm或300μm×300μm。

在本发明的另一方面，提供了一种制造芯片的方法，方法包括以下步骤：使用根据本发明前述方面的方法制造多个光学元件，将至少一个光学元件安装在基座中，基座在一些实施例中可以由聚合物或聚合物混合物制成。

在一些实施例中，安装步骤可涉及在聚合物基座中安装多个光学元件。

在一些实施例中，安装光学元件的步骤可涉及将多个光学元件彼此平行地安装。

在一些实施例中，方法可以进一步包括将至少一个捕获成分斑点沉积到光学元件的基座中的一个基座上的步骤。

捕获成分的沉积可以通过印刷工艺或经由表面部分的功能化来发生，随通过在包含相关成分的流体上流动，然后洗去未结合的成分。捕获成分可以是一个或多个抗体、核酸(例如，DNA、RNA、mRNA或微小RNA)、或一个或多个改性的核酸。附加的或替代地，捕获成分可以是蛋白质、或改性的蛋白质、激素、或被配置为捕获蛋白质的栓系药物。可以提供单个捕获成分。替代地，可以提供多个捕获成分的组合。多个捕获成分的组合是有利的，因为这使得能够有更强大的诊断能力。

在一些实施例中，可以在光学元件的基座上印刷多于一个的捕获成分。

在一些实施例中，捕获成分可以沿光学元件的基座以重复的图案印刷。

在一些实施例中，捕获成分可以以不同的重复图案印刷在每个光学元件上。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式进一步且更具体地描述本发明，在附图中：

图1提供了根据本发明的一方面的光学元件；

图2示出了长方体光学元件；

图3示出了达夫棱镜(dove-prism)光学元件，

图4示出了在根据图1的光学元件的输入和/或输出表面处的衍射光栅；

图5示出了在根据图1的光学元件的透射表面处的衍射光栅；

图6示出了具有反射光栅的根据图1的光学元件；

图7示出了具有菲涅耳(Fresnel)透镜结构的根据图1的光学元件；

图8提供了使用根据图1的光学元件的波导场景的图示；

图9示出了具有非平面透射表面的根据图1的光学元件；

图10示出了根据本发明的一方面设置的设备；

图11示出了具有空间滤波器的根据图10的设备；

图12A提供了空间滤波器布置的图示；

图12B提供了空间滤波器的替代的图示；

图13提供了一种坐标图，该坐标图示出了根据图1的光学元件的信背比；以及

图14提供了一种坐标图，该坐标图示出了两个测试盒之间的比较；以及

图15示出了与图1的光学元件结合的盒的横截面视图；以及

图16示意性地示出了制造多个根据本发明的光学元件的方法中的步骤；

图17A示意性地示出了拉伸工艺之前的预制件，拉伸工艺之前的预制件形成了图16所示的方法的一部分；

图17B示意性地示出了拉伸工艺之后的细长的股线，拉伸工艺形成了图16所示的方法的一部分；

图18A和图18B分别地提供了在图16所示的方法中制造的单个光学元件的侧视图和俯视图；

图19A和图19B分别地示出包含图18A和图18B所示的光学元件的芯片的俯视图和侧视图；

图20A示出了具有多个光学元件的芯片的俯视图；以及

图20B示出了根据图20A的芯片的主视图。

具体实施方式

参照图1到图7，提供了光学元件10，光学元件包括光路12，光路包括输入表面14、反射表面16和输出表面18。输入表面14使得光12(例如，入射光束)能够进入光学元件10。输入表面14和/或输出表面18可以是折射表面或衍射表面或透射表面。在一些情况下，入射光束在进入光学元件10时，在输入表面14处被折射。光被导向反射表面16，一个或多个捕获成分22(例如，抗体)被沉积到反射表面16上。如图1所示，捕获成分被直接印刷到光学元件10的反射表面16上。

参照图1到图7，反射表面16能够通过全内反射来反射光12。当光到达反射表面16时，光可以被配置为激发捕获成分22。这可能会导致捕获成分22发射特定波长的光。在反射表面16处，光可以经历单次反射或者光可以经历多次反射。如图1到图7所示，提供了透射表面20，透射表面被配置为使得来自捕获成分22的发射能够离开元件10。透射表面20可是衍射表面或折射表面或非平面表面。来自捕获组件的发射可以是发光(例如，荧光或磷光)。反射光12可通过输出表面18离开光学元件10。

参照图1到图3，光学元件10可以是棱镜的形式，或达夫棱镜或长方体或任何其他合适的配置，以使得光能够进入、反射和离开光学元件。光学元件可由塑性、聚合物或玻璃或任何其他合适的材料制成。

如图1和图2所示，棱镜或长方体光学元件10引入入射光束12，用于在反射表面16处进行单次反射，通过折射导致的角度变化，在反射表面处沉积目标成分22。替代地，如图3所示，棱镜光学元件10可引入入射光束12，用于在反射表面16处进行单次反射而不会由折射导致角度变化。

参照图4，提供了至少一个衍射光栅28，至少一个衍射光栅在输入表面14处或在输出表面18处或在输入表面和输出表面处。根据光的位置和所需路径，衍射光栅28可在透射或反射中工作。衍射光栅28可以被配置为将光衍射为沿不同方向传播的多个光束。作为示例，位于输入表面14处的衍射光栅28可在入射光束进入光学元件10时衍射入射光束。在一些实施例中，衍射光栅可用于将入射光束衍射到反射表面16上。在另一示例中，衍射光栅28可在输出表面18处衍射反射光。如图4所示，光学元件10可以是长方体光学元件，光学元件引入入射光束12，通过在透射中工作的衍射光栅28引起入射光束的角度变化，在反射表面16处进行单次反射。参照图5，提供了至少一个衍射光栅28，衍射光栅位于透射表面20处。

参照图6，示出了光学元件10，光学元件引入入射光束，通过在反射中工作的至少一个衍射光栅引起入射光束的角度变化，在反射表面16处进行单次反射。为了反射光学元件10内的光而提供衍射光栅28。在一些实施例中，衍射光栅可以被配置为提供光的全内反射。如图6所示，衍射光栅28可定位在输出表面18处。附加地或替代地，衍射光栅可以设置在光学元件的输入表面和/或透射表面处。

在替代的实施例中(附图中未示出)，光束采取与图6所示的路径相似的路径，但是反射不是来自光栅，而是来自由施加到光学元件表面的反射材料提供的反射表面。在一些示例中，该反射表面是镀银的表面。

如图6所示，输入表面14可与具有许多不同的功能。在一些情况下，输入表面14可以被配置为使得入射光束能够进入24光学元件10中以及使得入射光束能够离开26光学元件。附加地或替代地，输出表面18可以被配置为使得入射光束能够离开光学元件以及使得入射光束能够进入光学元件。在一些实施例中(附图中未示出)，其中，光学元件的横截面为三角形，透射表面20可用作光学元件的输入表面和/或输出表面。例如，透射表面20可以被配置为使得光能够进入和/或离开光学元件。

参照图7，提供了光学元件10，光学元件引入入射光束，通过位于透射表面20处的光学透镜结构(即，菲涅尔透镜结构)引起入射光束的角度变化，在反射表面16处进行单次反射。入射光束在透射表面20处并且通过菲涅耳透镜结构32进入24，在此，光被导向反射表面16。然后，光在反射表面16处经历全内反射。入射光束在透射表面20处通过菲涅耳透镜结构32能够离开26。此外，用聚合物制成的光学元件比用玻璃制成的光学元件可以更容易地制造菲涅耳结构32。

参照图8，提供了一种光学元件10，光学元件使得光能够进入24和离开26。光学元件10包括反射表面16，目标成分22被沉积在该反射表面处。图8示出了波导场景。

如图9所示，示出了具有非平面透射表面20的光学元件10。非平面表面20可用于辅助光收集或成像应用。这对于由聚合物构成的光学元件可能特别有用，因为与由玻璃构成的光学元件相比，由聚合物构成的光学元件可以更容易和以更低的成本制造复杂的体积。

如图1到图9所示的光学元件可形成用于检测生物流体中(例如，唾液或尿液或全血、血浆或血清样本)的目标成分的化验盒的一部分。可以选择沉积在光学元件的反射表面上的捕获成分以捕获待检测的目标成分。此外，光学元件可以是一次性的，旨在使用一次或几次。

在一些实施例中，光学元件的反射表面可以被配置为形成微流体流动通道的一部分。目标成分可是液体的形式，目标成分可以经由直接印刷被直接沉积到光学元件的反射表面上。在一些实施例中，捕获成分在被直接沉积到反射表面上之前，可以与检测试剂预混合。在一些实施例中，受体分子可以被沉积到反射表面上。附加地或替代地，试剂和受体分子可以被沉积到反射表面上，或检测试剂和受体分子可以在扩散距离内被沉积到反射表面上。

此外，光学元件的反射表面可以进一步包括一个或多个固体层(例如，聚合物膜或玻璃板、端口、井、通道、腔室、阀、泵、加热器或电极)。该结构可以可被集成到光学元件的反射表面中和/或被集成到光学元件的反射表面上的一个或多个材料层中。

光学元件和/或固体层可以使用模制(例如，注射模制)、软光刻或复制模制、热压印或纳米压印光刻、3D打印(例如，立体光刻)、喷墨打印液滴的光固化、熔融沉积模制或双光子聚合、微米或纳米加工(例如，光刻或电子束曝光)、阳极铝氧化、激光切割、激光烧蚀和/或机械加工来制造。

可以使用接触压力、热、粘合剂和/或表面活化(紫外线(UV，ultra violet)/臭氧/等离子体)中的一个或任何组合来组装或层压光学元件的反射表面的顶部上的任何固体层。激光束穿过的材料优选地具有相似的折射率。

对于典型的生物测定，捕获成分可能需要沉积到渐逝区域中的反射表面上，在作为光学元件的一部分或光学元件上方的固体层的一部分的界面上；试剂可以设置在受体的上游流体路径中的壁或多孔介质上。用于沉积或分配捕获成分和/或受体的方法可以包括但不限于非接触沉积，例如，喷墨和/或接触沉积，例如，使用浸笔光刻、毛细管、溢出针或油墨戳。附加地或替代地，捕获成分可以被直接沉积、分配或印刷到光学元件的未处理表面上。在一些实施例中，(例如，使用UV/臭氧)通过功能化(例如，使用硅烷化和/或活化)来制备光学元件的表面可能是有益的或需要的。附加地或替代地，功能化可用于固定捕获成分或钝化表面(例如，使用牛血清白蛋白和/或聚乙二醇钝化光学元件的反射表面)以防止非特异性结合。

参照图10，提供了一种设备40，该设备用于检测在生物流体中的目标成分22的存在和/或量。设备40包括化验盒，化验盒包括光学元件10和检测器42，检测器用于检测所发射的光的存在和/或量，以提供样本内的目标成分22的存在和/或量的指示。此外，提供了成像透镜44，成像透镜可以位于光学元件10和检测器42之间。在一些情况下，可以提供一个或多个成像透镜。如图10所示，成像透镜44可以用于将从目标成分发射的光聚焦到探测器上42。

图11示出了具有光学元件的设备40。发射(例如，来自目标成分22的荧光发射)通过光学元件的透射表面离开光学元件。提供了第一成像透镜44，第一成像透镜可以被配置为将所发射的光聚焦到孔46(即，空间滤波器)上。包含空间滤波器可以用于消除平面外信号(例如，平面外荧光信号)。提供了第二成像透镜48，第二成像透镜可以被配置为聚焦剩余的发射信号(即，检测器42(例如，CCD)上的平面内荧光信号)以形成样本的图像。

图12A和图12B展示了空间滤波器46如何能够显著地减少或消除平面外荧光信号。图12A示出了源自目标成分的荧光信号可由成像透镜44引导到空间滤波器(孔)46上。如图12A所示，导向空间滤光器的光可被称为平面内荧光。在该示例中，如图12A所示，来自目标成分的所有荧光都能够穿过空间滤波器46被检测器42检测，以提供目标成分的数据。

如图12B所示，来自光学元件10的荧光信号都是平面外的。因此，平面外荧光有助于背景和/或噪音级，并且因此降低了信背比和/或信噪比。因此，如图12B所示，空间滤波器46被配置为消除平面外荧光，因此只有一部分荧光穿过空间滤波器(孔)46。消除平面外荧光可以导致信背比和/或信噪比得到改善。

示例1-基于棱镜的光学元件

图13示出了在示例性端部发射(非棱镜光学元件)和基于棱镜的光学元件系统上测量的四个盒的测量信背比。如图13所示，基于棱镜的光学元件系统产生了更高的信背比，从而导致了更灵敏的配置。

该数据比较了特定的端部发射配置，该特定的端部发射配置部署了现成的具有成本效益的衬底。不可能将该数据集的结论推广到所有端部发射配置。在该特定的实验中，基于棱镜的配置中的信背比高出20倍到40倍。在不受特定理论约束的情况下，认为棱镜配置的表现更好，因为当入射光束在两种不同的光学介质之间的边界处经历全内反射时，在较低折射率的介质中产生渐逝场，激发近距离(即，表面的几百纳米内)的荧光团。然而，一小部分光也在反射表面散射，因此污染了纯渐逝场，穿透样本溶液，导致溶液中发光团的背景发光。背景的另一来源是来自入射光经过的光学元件的自发荧光。与产生不需要的自发荧光的光强度的部分相比，考虑有助于所需渐逝场的光强度的部分是有用的。这被定义为渐逝-自发荧光比。棱镜光学元件能够产生具有很少或没有散射光污染的消逝场，这是因为与实际上发生多次反射的波导相比，棱镜光学元件在高质量的反射表面处只经历单次反射，其中每单次反射均产生散射分量。此外，在波导期间，光能的一小部分会散射到更高的角度，使得光不再被波导引导并且处于临界角之外。该未被引导的光将直接穿过样本溶液，从而有助于背景。此外，由于波导配置的光学限制，棱镜光学元件配置具有固有地较高的渐逝-自发荧光比。图13中展示的数据是基于使用折射率匹配材料与显微镜载玻片接合的棱镜。

示例2-单次使用的光学元件

图14示出了基于以相同方式制备的显微镜载玻片的两个测试盒之间的比较。一个盒可以在每次测量之间去除和更换，而另一个盒可以直接保持在棱镜光学元件的反射表面上进行所有测量。由于荧光团的光漂白，可以合理地预期荧光信号会随着测量次数的增加而衰减。如图14所示，来自保持在棱镜上的盒的信号以平稳的方式衰减，而来自在每次测量之间去除和更换的盒的信号以不一致的方式衰减。

缓解该问题的可能途径是在棱镜上研制可变形的聚合物层以提供折射率匹配。该盒的显微镜载玻片成分可以压入聚合物中，聚合物将变形以提供光学接触。然而，研制出具有所有所需特性(即，折射率、光学质量、弹性特性和低自发荧光)的此类聚合物是一项艰巨的任务，并且仍然遭受一些困扰折射率匹配流体的问题(即，清洁度、污染物)，并且被证明还会伴随使用寿命的问题。替代的途径是提供棱镜光学元件(或类似的光学元件)作为可消耗的单次使用光学元件。这将消除折射率匹配材料的问题，因为不再需要折射率匹配材料。

参照图15，提供了盒10，盒包括样本管理模块11，样本管理模块用于收集流体样本。样本是液体样本，例如，唾液样本。

样本管理模块11进一步包括盖子22。盖子设置有夹子23。夹子23是防打开的，使得在正常情况下，一旦盖子关闭，用户将不能轻易重新打开盖子。盖子22可以经由用户的动作或任何其他方式关闭。

参照图16，提供了在加热腔室102内的预制件100。预制件100可以被拉伸，预制件通常沿向下的方向104被拉伸成细长的股线116。预制件10沿向下的方向114的拉伸可受重力影响，或受致动器的使用影响。在一些情况下，也可以施加压力以沿向下的方向拉伸预制件。细长的股线116可以被分为多个光学元件118。如图16所示，分割细长的股线116可以涉及使用切割设备来切割股线，或者可以涉及通过激光120(可以是CO₂激光)处理股线。

预制件100可以由任何材料制成(例如，玻璃或聚合物)。在一些情况下，熔融二氧化硅是预制件的理想材料，因为熔融二氧化硅表现出低自发荧光特性。

预制件100可以被保持在加热腔室112(例如，拉伸塔上的熔炉)中，加热腔室通常有几米高。预制件110被熔炉加热到等于或超过预制件转变温度的温度。例如，二氧化硅的转变温度约为2000℃，而一些聚合物的转变温度约为300℃。预制件可加热到转变温度或略高于转变温度的温度，但低于结晶温度，因为这将有助于将预制件110拉伸成细长的股线116。

然后，细长的股线116可附接到塔底部处的旋转滚筒或装罐机(图中未示出)，旋转滚筒和装罐机可以被设置为以受控和指定的速率向下拉细长的股线。控制拉动和进料速率可以精确控制细长的股线的尺寸。然后，细长的股线可以卷绕到滚筒上，并且转移到绕线管进行储存。替代地，将细长的股线切成适当的长度并储存在长的玻璃毛细管中。

参照图17A和图17B，提供了预制件100和细长的股线116。如图17A所示，预制件可以具有比细长的股线更长的边长。参照图17A，预制件具有正方形的横截面，预制件的边长可以介于50mm到100mm之间，或者可以大于10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm或90mm。在一些实施例中，预制件的边长可以小于100mm、90mm、80mm、70mm、60mm、50mm、40mm、30mm或20mm。例如，预制件的深度和/或宽度可以是50mm。也可以使用矩形横截面的预制件，其中每个边都落入上述正方形横截面的预制件的示例范围内。

在一些实施例中，预制件的高度可以介于100mm到1000mm，也可以超过100mm、200mm、300mm、400mm、500mm、600mm、700mm、800mm或900mm。在一些实施例中，预制件的高度可以小于1000mm、900mm、800mm、700mm、600mm、500mm、400mm、300mm或200mm。例如，预制件的高度是500mm。

预制件可以是任何形状，例如，正方形、圆形或矩形。预制件的横截面尺寸可以是任何合适的尺寸，然后可以被拉伸成细长的股线。作为示例，预制件的尺寸可以是50mm×50mm×500mm。

参照图17B，细长的股线的横截面尺寸可以是任何合适的尺寸。作为示例，细长的股线的横截面尺寸可以是1mm×1mm×1.25km。在另一示例中，细长的股线的横截面可以大于1mm×1mm、2mm×2mm、4mm×4mm、6mm×6mm或8mm×8mm。在一些实施例中，股线的横截面尺寸可以小于10mm×10mm、8mm×8mm、6mm×6mm、4mm×4mm或2mm×2mm。

然后，细长的股线可以被加工为单个光学元件。这可以通过使用机械切割器来实现，机械切割器基本上控制细长的股线的断裂以产生光学表面。例如，可以使用市售的机械切割器以高达15°的角度切割细长的股线以产生光学元件(例如，诸如微型达夫棱镜的棱镜光学元件)。在一些实施例中，光学元件(附图中未示出)可以是长方体、矩形或三角形光学元件。此外，细长的股线可以被机械切割器以任何角度切割以产生多个光学元件。

附加地或替代地，CO₂或其它激光工艺可以用于将细长的股线加工成多个光学元件。使用激光来分割细长的股线可以产生优异的表面光洁度，当在上下文中使用化验盒的成分时，可能不需要进一步抛光。

制造工艺还可以包括对预制件的表面、细长的股线和/或光学元件进行抛光和/或清洁的步骤。

尽管所示的实施例示出了直线预制件和相应的细长的股线，但在不脱离所描述的方法的情况下，其他几何形状也是可能的。例如，可以拉伸三角形或八角形的预制件，然后正交切割以产生横截面为三角形或八角形的光学元件。

如图18A和图18B所示，分别地提供了光学元件118的侧视图和俯视图。光学元件118可以接收入射光束122并且入射光束可以经由在渐逝区域124处的全内反射被反射。光学元件的长度可以介于1mm到30mm之间，或者可以大于1mm、5mm、10mm、15mm、20mm或25mm。在一些实施例中，光学元件的长度可以小于30mm、25mm、20mm、15mm、10mm或5mm。在一些实施例中，光学元件的长度介于10mm到20mm之间。在一些实施例中，光学元件的长度约为13mm。

进入或离开光学元件的光束宽度可以介于0.1mm到2mm之间，或者可以大于0.1mm、0.5mm、1mm或1.5mm。在一些实施例中，光束宽度可以小于2mm、1.5mm、1mm或0.5mm。例如，光束宽度小于或等于0.5mm。

根据预制件的形状和切割的角度，在预制件的横截面是三角形或八角形的情况下，光学元件可以具有邻近反射表面的渐逝区域，该反射表面是切割表面；或者在预制件的横截面是直线的情况下，反射表面是拉伸表面。

参照图19A和图19B，图19A和图19B示出了与测试盒/芯片126接合的光学元件118的俯视图(图19A)和主视图(图19B)。输入光束128可以进入芯片接口上的光学元件。芯片接口可以由注射模制聚合物制成。

参照图20A和图20B，提供了芯片接口126的俯视图(图20A)和主视图(图20B)。如图20A和图20B所示，多个光学元件118可以被接合在单个芯片中126中，从而使询问区域最大化。可以在芯片126中接合的光学元件118的数量可以有很大的变化。孔或掩模130也可用于对输入的准直激光束进行空间整形，以照射所需的目标区域。

鉴于本公开，本发明的不同的其他方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。

在此，使用的“和/或”将被视为两个特定特征或成分中的每一个的特定公开，有或没有另一个。例如，“A和/或B”将被视为(i)A、(ii)B和(iii)A和B中每一个的特定公开，就像在此单独列出每一个一样。

除非上下文另有规定，否则上述特征的描述和定义不限于本发明的任何特定方面或实施例，并且同样适用于所描述的所有方面和实施例。

本领域技术人员将进一步理解，尽管本发明已经参考了多个实施例以示例的方式进行了描述。本发明不限于所公开的实施例，并且可在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下构造替代实施例。

Claims (20)

1.一种化验盒，所述化验盒用于检测流体中的目标成分，所述化验盒包括光学元件，所述光学元件包括：

光通路，所述光通路包括输入表面、反射表面和输出表面，所述输入表面、所述反射表面和所述输出表面被配置为使得光能够进入、反射并且在所述反射表面附近产生渐逝场以及离开所述元件；

多个捕获成分，所述多个捕获成分沉积在所述渐逝场附近的所述反射表面上；以及

透射表面，所述透射表面被配置为使得来自所述渐逝场的发射能够离开所述元件；

其中，所述化验盒是单次使用的盒。

2.根据权利要求1所述的化验盒，其中，所述盒的单次使用特性是通过物理约束来实现的。

3.根据权利要求2所述的化验盒，所述化验盒进一步包括单向夹子，所述单向夹子确保所述盒是单次使用的。

4.根据权利要求1所述的化验盒，其中，所述盒的单次使用特性是通过化学约束来实现的。

5.根据权利要求4所述的化验盒，所述化验盒进一步包括不可逆斑点，所述不可逆斑点确保所述盒是单次使用的。

6.根据权利要求1所述的化验盒，其中，所述化验盒的单次使用特性是通过数据管理来实现的。

7.根据权利要求6所述的化验盒，所述化验盒进一步包括身份标签，以确保所述盒是单次使用的。

8.根据权利要求7所述的化验盒，其中，所述身份标签被印刷到所述盒上。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的化验盒，其中，所述身份标签选自包括条形码或QR码的组。

10.根据权利要求7所述的化验盒，其中，所述身份标签是RFID标签。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的化验盒，其中，来自所述渐逝场的发射是米氏散射、拉曼散射或瑞利散射。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的化验盒，其中，所述捕获成分中的至少一个是DNA或抗体或蛋白质。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的化验盒，其中，所述流体是唾液。

14.一种制造化验盒的阵列的方法，每个盒是根据权利要求1至13中任一项所述的化验盒，所述方法包括以下步骤：

通过以下步骤制造多个光学元件：

将预制件加热到等于或超过预制件的玻璃化转变温度的温度；

将所述预制件拉伸成细长的股线；以及

将所述股线分成所述多个光学元件；

在每个化验盒中安装至少一个所述光学元件；以及

在每个光学元件的反射表面上沉积至少一个捕获成分。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述股线分成所述多个光学元件涉及切割所述股线。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述股线分成所述多个光学元件涉及用激光器加工所述股线。

17.根据权利要求14、15或16所述的方法，其中，所述股线的分割垂直于所述预制件的拉伸方向进行。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，切割步骤从所述股线的每一侧交替地发生，使得所述每个光学元件都具有梯形的横截面。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中，所述化验盒包括多个光学元件。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其中，所述捕获成分的沉积通过印刷发生。

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