SE529254C2

SE529254C2 - Optiskt testsystem

Info

Publication number: SE529254C2
Application number: SE0501397A
Authority: SE
Inventors: Ove Oehman; Tomas Lindstroem; Ib Mendel-Hartvig
Original assignee: Aamic Ab
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2007-06-12
Also published as: WO2006135306A1; SE0501397L; EP1912740A1; AU2006258283A1; EP1912740B1; BRPI0612743A2; US20060289787A1; BRPI0612743B1; EP1912740A4; US7564045B2; CN101180128B; CN101180128A; JP2008546997A; JP2013019907A; AU2006258283B2

Description

UPPFINNINGENS TEKNISKA OMRÅDE Föreliggande uppfinning avser en förbättrad optisk läsare för ett optiskt testarrangemang innefattande ett polymeriskt provsubstrat försett med utskjutande mikrostrukturer t.ex. mikropelare. Uppfinningen avser också ett polymeriskt provsubstrat försett med utskjutande mikrostrukturer, och ett optiskt testarrangemang innefattande en optisk läsare, och ett polymeriskt provsubstrat enligt denna uppfinning.

UPPFINNINGENS BAKGRUND Analytiska och diagnosiska bestämningar kan utföras på flytande prov med hjälp av optiska tester baserade på detekteringen av analyter i ett prov, såsom t.ex. polynukleotida analyter, receptorproteiner eller antiliganda molekyler. En viktig tillämpning av optiska tester är inom området immunologi, där analyten detekteras med hjälp av en speciell antikropp, vilken är kapabel att binda sig till analyten och forma optiskt detekterbara komplex, t.ex. genom märkning av analyten med en fluorofor, eller genom att tillhandahålla ett fluoroformärkt konjugat innan den optiska detekteringen. Detekteringen kan utföras med hjälp av en optisk läsare, vilken är kapabel att belysa teststödsubstratet med en exciterande ljuskälla och att upptäcka det fluorescerande ljus som emitterats från fluoroforesen.

Ett optisk test utförs med ett optiskt testarrangemang innefattande ett provbärarsubstrat och en optisk läsare. Den optiska läsaren innefattar en källa och en detektor för elektromagnetisk strålning inom det optiska våglängdsområdet (dvs. mellan cirka 40 nanometer och 1 mm), och lämplig optisk vågledarenhet för fokusering och filtrering. Provstödet innefattar ett substrat av t.ex. ett polymeriskt material med ett eller flera reaktionsställesområden, innefattande punkter eller linjer av probmolekyler, t.ex. av en antikropp, som tillhandahåller bindningsställen för analytens molekyler, dvs. de målmolekyler, som kan finnas i ett prov. När provet kommer i kontakt med probmolekylerna på stödytan, kommer målmolekylerna i provet att reagera med probmolekylerna på substratets yta och bilda optiskt detekterbara fläckar eller linjer. Luminiscerande ljus kommer att emitteras när substratet belyses med den optiska läsarens exciterande ljuskälla, varvid det indikeras att en reaktion har uppstått mellan provets målmolekyler och reaktionsställenas probmolekyler.

Luminicerande ljus emitteras antingen som fluorescerande ljus eller självlysande ljus, eller som kemiluminiscerande ljus. Fluorescens och fosforescens kan definieras som emissionen av elektromagnetisk strålning som resulterar från absorberad exciterande elektromagnetisk strålning, där det fluorescerande ljuset består kortare tid än 1 x 10"<8>sekunder efter exciteringen, och fosforescerande ljus som består längre, dvs. som klingar av långsammare efter att ha exponerats för det exciterande ljuset, medan kemiluminiscens är den emission av ljus som uppstår genom en kemisk reaktion.

Vid fluorescens (och fosforescens), har den exciterande utstrålningen normalt en kortare våglängd (dvs. högre energi) än den emitterade strålningen, även om det motsatta kan gälla för multifotonfluorescens. Det fluorescenta beteendet kan studeras i ett stabilt tillstånd eller över tiden, och fluorescerande spektroskopi innebär t.ex. enkel- och multifotonfluorescens, FRET (fluorescerande resonansenergiöverföring), och fluorescerande uppkonvertering. I fluorescerande tester, beror våglängden av den exciterande och den emitterade strålningen på typen av fluorofores, vilken kan vara av organiskt eller oorganiskt ursprung, t.ex. cyaninfärgämnen eller nanokristaller. Som ett exempel, exciteras den vanliga fluoroforen Cy5 normalt vid 649 nanometer, och det emitterade ljuset mäts vid 670 nanometer.

Vid optiska tester, kan koncentrationen hos en analyt i ett prov bestämmas genom att man mäter intensiteten hos emitterat fluorescerande eller fosforescerande ljus, med hjälp av en optisk läsares 1jusdetektor, varigenom kvantitativa mätningar kan göras. Följaktligen kommer effektiviteten hos belysningen av ett reaktionsställesområde med exciterat ljus, likväl som effektiviteten av uppsamlandet av det utstrålade ljuset, att ha en effekt på det optiska testets prestanda.

Vidare kommer reaktionsställena på substratytan att kunna förses med en uppsättning av punkter eller linjer med olika probmolekyler, som binder olika målmolekyler. Därför kan en optisk läsare vara utformad för att kunna bestämma närvaron av flera analyter i ett prov, med hjälp av olika fluoroforer.

En skannande optisk läsare är en konventionell optisk läsarenhet för belysning av detekteringsställen på ett substrat och för att upptäcka emitterat ljus. Den skannande optiska läsaren innefattar företrädesvis en smalbandig exciterande ljuskälla, såsom en laser, och laserljuset är fokuserat på varje enskilda detekteringsställe. Det emitterade ljuset från varje detekteringsställe fokuseras på en optisk detektor, såsom en fotodiod eller en PMT (multiplikatorfotocell). I en skannande optisk läsare, avsöks stödsubstratets hela yta genom en relativ X-Y-rörelse mellan den optiska enheten och stödet. Den skannande optiska läsarens fokuseringsanordning kan t.ex. bestå av konfokal optik som bara samlar ihop emitterat ljus med objektivlinsens fokaldjup, t.ex. genom att blockera oönskat ljus med en fokuseringsöppning och därigenom reducera det upptäckta bruset.

En bildavläsande optisk läsare är en annan konventionell optisk läsenhet, som är kapabel att detektera en tvådimensionell pixel-array. Den bildavläsande optiska läsaren innefattar en exciterande ljuskälla, t.ex. en xenonlampa, för belysning av en större del av substratets ytarea (eller hela ytarean), och en detektor som är kapabel att detektera emitterat ljus från hela testställesområdet samtidigt, t.ex. en CCD (Charged-Coupled Device)-kamera, som använder sig av MOS (Metal-On-Semiconductor) teknologi, och erbjuder hög kvantverkningsgrad, känslighet och spatial upplösning. Vidare kan en bredbandig ljuskälla vara försedd med våglängdsfilter för att tillhandahålla monokromatisk strålning.

Ett tidigare känt provbärande substrat för vätskebaserade prov är beskrivet i WO 03/103835, där nämnda substrat som är mikrostrukturerat för att bilda en kapillär flödesbana för provet, bildar ett mönster av mikropelare som skjuter ut från substratets yta. Mikropelarnas storlek är i mikrometerområdet, 1 mikrometer (um) = 1 x 10~<6>m, och mellanrummet är anpassat för att inducera kapillär verkan hos vätskan. I ett optiskt testarrangemang innefattande ett provstödsubstrat försett med mikropelare, kommer både det exciterade ljusets och det emitterade ljusets ljusbanor att påverkas av mikropelarna, varigenom det optiska testarrangemangets prestanda påverkas. Substratmaterialets optiska egenskaper, såsom ljusöverföringen, kommer också att påverka det optiska testets prestanda.

En tidigare känd optisk läsare är beskriven i WO 01/575501, som visar optisk avbildning av ett prov på ett transparent substrat, utan några uppskjutande mikrostrukturer. Den optiska läsaren innefattar en exciterande energikälla som stimulerar emission av detekterbart ljus från provet, och substratet är försett med en reflekterande yta belägen under provet för att reflektera det emitterade ljuset mot den detekterande enheten.

Vidare beskrivs ett känt optiskt testarrangemang i WO 2004/104585, vilket avser en mikrostrukturerad mikroarraybärare, i vilket mikrostrukturernas höjd är anpassad till det optiska arrangemangets fokaldjup.

Ett syfte med denna uppfinning är att tillhandahålla en optisk läsare och ett polymeriskt testsubstrat som är lämpat för ett optiskt testarrangemang, för att åstadkomma förbättrade optiska testprestanda, genom att åstadkomma en effektiv belysning av substratets reaktionsställesområde och en effektiv koncentration och detektering av det emitterade ljuset, såväl som en reducering av den detekterade optiska bakgrundssignalen, varigenom det resulterande signal/brusförhållandet ökar.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Dessa och andra syften åstadkoms med hjälp av den optiska läsaren, det polymeriska testsubstratet och det optiska testarrangemanget i enlighet med de bifogade kraven, vilka härmed är inkluderade i sin helhet.

Kraven avser en optisk läsare för ett optiskt testarrangemang, där den optiska läsaren innefattar en ljuskälla för belysning av ett polymeriskt provsubstrat som har en reaktionsställesyta som innefattar åtminstone ett reaktionsställesområde som är utrustad med utskjutande mikrostrukturer. Den optiska läsaren innefattar också en detekteringsenhet för detektering av ljus som emitterats från nämnda åtminstone ena reaktionsställesområde. Ljuskällan är anpassad för att injicera exciterande ljusstrålar in i ett polymeriskt provsubstrat så att ljusstrålarna har en infallsvinkel som gör att det optiska substratets egenskaper leder de exciterande ljusstrålarna i riktning mot ett reaktionsställesområde, där de utskjutande mikrostrukturerna bidrar till nämnda optiska egenskaper hos substratet.

Det polymeriska substratet kan vara åtminstone delvis täckt av ytterligare ett lager med utvalda optiska egenskaper, och detta lager bidrar till det optiska substratets egenskaper.

Det extra lagret kan åtminstone delvis täcka de utskjutande mikrostrukturerna och/eller substratets bäraryta.

Det ytterligare lagret kan arrangeras att absorbera utvalda optiska våglängder, och kan bestå av en tape av ett utvalt material som har applicerats på substratet.

Ljuskällan kan anpassas för att belysa det polymeriska provsubstratet genom en 1jusledaranordning arrangerad för att styra de exciterande ljusstrålarnas infallsvinkel, och ljusledaranordningen kan innefatta ett prisma eller ett gitter applicerat på en substratyta.

Vidare kan ljuskällan ha en position relativt det polymeriska provsubstratet för att belysa reaktionsställesytan, en bäraryta, eller en av det polymeriska provsubstratets kantväggar.

Infallsvinkeln kan väljas så att den kritiska vinkeln för total intern reflektion inom det polymeriska provsubstratet överskrids, och de ljusstrålar som utbreder sig inom substratet kan åstadkomma ett exciterande evanescent fält i reaktionsställesområdet.

Den optiska läsarens detektorenhet har en position relativt det polymeriska provsubstratet så att fluorescerande eller fosforescerande ljus som emitterats från ett substrats reaktionsställesområde samlas upp, och det emitterade ljuset kan ledas i riktning mot detektorenheten av det optiska substratets egenskaper.

Detektorenheten kan ha en position relativt det polymeriska provsubstratet så att den mottar emitterat fluorescerande eller fosforescerande ljus som passerar ut från bärarytan eller från en av substratets kantväggar.

Ljuskällan kan också ha en position relativt det polymeriska provsubstratet så att en första yta eller kantvägg hos substratet belyses, och detektorenheten kan ha en position relativt det polymeriska provsubstratet för att mottaga emitterat fluorescerande eller fosforescerande ljus som kommer från samma första yta eller kantvägg, eller någon annan av substratets ytor eller kantväggar.

Den optiska läsaren kan vara en avbildande optisk läsare eller en skannande optisk läsare.

Kraven avser också ett polymeriskt provsubstrat för ett optiskt testarrangemang, där det polymeriska provsubstratet har en reaktionsställesyta som innefattar åtminstone ett reaktionsställesområde försett med utskjutande mikrostrukturer, där substratet åtminstone delvis är täckt med ett extra lager som har utvalda optiska egenskaper.

Det ytterligare lagret täcker åtminstone delvis de utskjutande mikrostrukturerna och/eller substratets bäraryta.

Vidare är det ytterligare lagret arrangerat för att absorbera utvalda optiska våglängder, och kan bestå av en tape av ett lämpligt material som har applicerats på substratet.

En ljusledaranordning för att kontrollera infallsvinkeln hos belysande ljusstrålar kan appliceras på en av substratets ytor, och 1jusledaranordningen kan bestå av ett prisma eller ett gitter.

Kraven avser också ett optiskt testarrangemang innefattande en optisk läsare och ett polymeriskt provsubstrat, enligt kraven.

Andra särdrag och ytterligare fördelar med uppfinningen kommer att framgå från uppfinningens icke begränsande utföringsformer som framgår i följande beskrivning och figurer, och från de bifogade kraven.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas mer detaljerat och med hänvisning till ritningarna, där: Figur la illustrerar ett polymeriskt provsubstrat försett med utskjutande mikrostrukturer som bildar mikropelare, figur lb illustrerar ett polymeriskt provsubstrat försett med mikropelare som delvis är täckta av ett ytterligare lager, figur 21a, b visar exempel på olika mikropelartvärsnitt, figur 3 illustrerar ett optiskt testarrangemang innefattande en skannande optisk läsare och ett polymeriskt substrat, figur 4 illustrerar ett optiskt testarrangemang innefattande en avbildande optisk läsare och ett polymeriskt substrat, figur 5a illustrerar infallsvinkeln hos exciterat ljus som faller in i ett polymeriskt substrat, figur 5b illustrerar exciterade ljusstrålar som faller in i ett polymeriskt substrat i närheten av ett substrats kantvägg, figur 6 illustrerar en optisk läsare arrangerad för att belysa ett provsubstrats kantvägg och att detektera emitterat ljus från substratets reaktionsställesyta, figur 7 illustrerar en optisk läsare arrangerad för att belysa ett provsubstrats kantvägg och för att detektera ljus emitterat från substratets bäraryta, figur 8 illustrerar en avbildande optisk läsare arrangerad för att belysa ett provsubstrat genom gitter, figur 9 illustrerar en optisk läsare arrangerad för att belysa provsubstratet genom ett prisma som är placerat på substratets reaktionsställesyta och för att detektera ljus emitterat från reaktionsställesytan, figur 10 illustrerar en optisk läsare arrangerad för att belysa provsubstratet genom ett prisma placerat på substratets bäraryta och för att detektera ljus som emitterats från substratets bäraryta, och figur 11 illustrerar en optisk läsare arrangerad för att belysa provsubstratets reaktionsställesyta och för att detektera ljus som emitterats från en av substratets kantväggar.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Termer och uttryck som används i beskrivningen och i kraven är avsedda att ha den betydelse som normalt används av en fackman på området.

Dessutom används prefixet "mikro" hädanefter för att definiera en enhet som innefattar åtminstone någon beståndsdel som har en längd, bredd eller höjd som normalt uttrycks i mikrometer (um, lxlO<-6>m) .

I enlighet med denna uppfinning åstadkoms förbättrade prestanda, t.ex. förbättrat signal/brusförhållande, för ett optiskt testarrangemang av ett polymeriskt substrat försett med utskjutande mikrostrukturer och utvalda optiska substrategenskaper, och av en optisk läsare innefattande en ljuskälla och en detektorenhet, där ljuskällan kan injicera exciterande ljusstrålar i substratet med en viss infallsvinkel, varigenom det optiska substratets egenskaper fås att leda de exciterande ljusstrålarna att utbreda sig i riktning mot en av substratets reaktionsställesområden.

Figur la illustrerar schematiskt en första utföringsform av ett polymeriskt provsubstrat 1 för ett optiskt testarrangemang, enligt denna uppfinning, där provsubstratet är försett med ett mönster av utskjutande mikrostrukturer 2, vilka kan vara arrangerade så att en kapillär flödesväg bildas för provet. Substratets storlek är företrädesvis anpassat så att en lämplig bärare för en eller flera reaktionsställesområden 5 för ett optiskt prov bildas, och en tidigare känd mikroarrayskiva är rektangulär, med en storlek av 25 mm x 75 mm. Substratets tjocklek kan t.ex. vara ungefär 1 mm och bredden och längden t.ex. mellan ungefär 1 mm och 100 mm, varigenom ett, i det närmaste, rektangulär eller kvadratisk ytområde bildas. Substratets yta som är försedd med reaktionsställen 5 kallas hädanefter för reaktionsställesytan 24, och den andra, motstående ytan kallas hädanefter för bärytan 26. Vidare har substratet ett antal kantväggar, och två kantväggar 27a och 27b indikeras i denna figur. Ett rektangulärt eller kvadratiskt format substrat har fyra raka kantväggar, men ett analytiskt provsubstrat enligt ytterligare utföringsformer hos denna uppfinning kan, alternativt, ha någon annan lämplig form, såväl som t.ex. rundade kantväggar. Substratets material består företrädelsevis av en termoplastpolymer med lämpliga optiska egenskaper, såsom t.ex. en cykloolefinpolymer eller en cykloolefincopolymer, och substratet kan vara tillverkat av en polymerreplika av en masterstruktur, t.ex. genom injektionsgjutning.

Figur 2a, b illustrerar exempel på tvärsnitt hos stödsubstratets utskjutande mikrostrukturer, där mikrostrukturerna bildar mikropelare eller mikrostolpar. Mikropelarna kan ha ett tvärsnitt som är cirkulärt, elliptiskt, rombiskt, triangulärt, kvadratiskt, rektangulärt, heptagonalt, hexagonalt, i en kombination eller som någon del av någon av dessa former.

Föreliggande uppfinning är applicerbar i optiska fluorescerande/fosforescerande bindande tester, och de utskjutande mikrostrukturerna, såväl som andra optiska egenskaper hos substratmaterialet, kommer att påverka det optiska testets prestanda. Det polymeriska substratmaterialet väljs företrädelsevis så att vissa önskvärda optiska egenskaper erhålls, såsom hög optisk transmittans enbart i våglängdsområdena för det exciterande ljuset och det emitterade ljuset, högt och temperaturstabilt brytningsindex för att åstadkomma en förbättrad fokusering, låg ljusdiffusionsspridning och låg dubbelbrytning.

Substratets utskjutande mikrostrukturer bidrar till substratets optiska egenskaper. Mikrostrukturerna utökar ytan, och ökar substratets exciterande kapacitet tack vare att antalet fotoner i ytlagret utökas. När märkningarna är fluorescerande, ökar den emitterande kapaciteten hos stödenheten tack vare en ökning av antalet fotoner som emitterats från det fluorescerande färgämnet och som når det optiska detekteringssystemet, och en minskning av bruset uppnås genom att oönskad bakgrundsfluorescens undviks genom att antalet fotoner som når in i/ut ur stödets substrat reduceras. De optiska egenskaperna hos ett polymeriskt substrat försett med utskjutande mikrostukturer, t.ex. mikropelare kommer således att påverka prestandan hos en optisk test genom att signal/brusförhållandet ökas.

Uppfinningen avser en optisk läsare som är lämplig för ett optiskt testarrangemang som innefattar det ovan beskrivna polymeriska provsubstratet, försett med ett mönster av utskjutande mikrostrukturer, t.ex. mikropelare. Den detekterade signalen förstärks av förstoringen av stödytans område som en följd av mikropelarna, vilket resulterar i fler bindande ställen och, följaktligen, i en högre fluorescerande signal. Mikropelarna medför också mer hydrofoba egenskaper hos substratets yta, då ytspänningsvinkeln är högre för en strukturerad polymer jämfört med en plan polymer, vilket underlättar t.ex. för tryckning av mikroarrayer av probfläckar med hög densitet. Det polymeriska substratets optiska egenskaper påverkas av mikrostrukturernas utformning, såsom t.ex. mikropelarnas profil, höjd, bredd, tjocklek och inbördes mellanrum.

Det polymeriska provsubstratet kan också förses med ett extra lager valt för att åstadkomma en önskad optisk reaktion och valda optiska egenskaper hos substratet. Detta lager kan appliceras på reaktionsställesytan eller på bärarytan, eller på båda, och på en eller flera av substratets kantväggar, så att en hel kantvägg eller yta eller enbart delar av en kantvägg eller yta täcks, och det kan vara applicerat på de utskjutande mikrostrukturerna, som åtminstone delvis täcker mikrostrukturerna. Vidare kan det extra lagret ha valfri form, och det kan vara inhomogent, bestående av t.ex. små partiklar eller pyramider, eller homogent. Materialet, tjockleken och homogeniteten hos detta lager väljs företrädesvis för att åstadkomma en önskvärd reflektionsförmåga, transparens eller absorption hos det exciterande ljuset, det emitterade ljuset, eller hos båda, och ett lager av ett material och tjocklek valt för att åstadkomma en hög optisk absorption kommer att skapa en "strålavledning" för optisk strålning. Det extra lagret kan t.ex. appliceras som en film, en tejp, en färg, en vätska, eller som en gel, och kan innefatta ett organiskt eller oorganiskt material, t.ex. en metall, ett dielektriskt eller halvledande material, en polymer eller en keram och kan också innefatta pigment eller färgämnen.

Figur Ib illustrerar en andra utföringsform av polymeriskt provsubstrat 1 enligt denna uppfinning, som är försett med ett extra lager 31, b, såsom beskrivits ovan, av vilken en första sektion 31a av det extra lagret täcker hela den plana delen av substratets reaktionsställesyta 24, och en andra sektion 31b täcker mikropelarnas 2 övre ytor.

För att dra nytta av de utvalda optiska egenskaperna hos det polymeriska substratet som beskrivits ovan, konfigureras emellertid den optiska läsaren enligt denna uppfinning med en ljuskälla som är kapabel att injicera exciterande ljusstrålar in i det polymeriska substratet med en specifik infallsvinkel, vilken är vald för att åstadkomma att de optiska egenskaperna hos det optiska testarrangemangets polymeriska substrat leder ljuset så att det propagerar mot reaktionsställesområdet, vilket därigenom medför effektivare belysning av reaktionsställena med exciterat ljus, för att förbättra prestandan hos det optiska testet.

Enligt en ytterligare utformning av den optiska läsaren enligt denna uppfinning, förbättras den optiska testens prestanda av att den optiska läsarens detekteringsenhet är kapabel att detektera emitterat ljus som leds av optiska egenskaper hos det polymeriska substratet i riktning mot detekteringsenheten.

Figur 3 beskriver ett exempel på en uppställning av ett optiskt testarrangemang innefattande en skannande optisk läsare 3 och ett polymeriskt provsubstrat 1, försett med ett mikrostrukturerad reaktionsställesområde 5. Provsubstratet är arrangerat för att vara rörligt relativt den optiska läsaren, så att hela provsubstratets reaktionsställesområde 5 skannas. Den skannande optiska läsaren innefattar en exciterande ljuskälla 6 placerad så att substratets bäraryta 26 belyses och en detektorenhet 7, t.ex. en PMT, placerad för att samla in ljus som emitteras från reaktionsställesytan 24. Den optiska läsaren innefattar också linser 8 och 9 för att fokusera det exciterande ljuset in i substratet och för att fokusera det emitterade ljuset in i detektorn, och optiska filter 10.

Figur 4 beskriver ett exempel på en uppställning av ett optiskt testarrangemang innefattande en avbildande optisk läsare 13 och ett polymeriskt provsubstrat 1, försett med ett reaktionsställesområde 5 med utskjutande mikropelare 2. Den avbildande optiska läsaren innefattar en exciterande ljuskälla 11 placerad för att belysa substratets hela bäraryta 26 och en detektorenhet 12, t.ex. en CCD, placerad för att detektera emitterat ljus från hela reaktionsställesområdet 5 samtidigt. Den avbildande optiska läsaren är också försedd med en lins 13 för att samla in och fokusera det emitterade ljuset till detektorn 12, och till ett optiskt filter 14.

För att åstadkomma förbättrade prestanda hos ett optiskt testarrangemang, är den optiska läsaren enligt föreliggande uppfinning kapabel att positioneras i förhållande till ett polymeriskt provsubstrat så att exciterande ljusstrålar injiceras in i nämnda substrat vid en infallsvinkel som är vald så att substratets optiska egenskaper leder de excitetande ljusstrålarna i riktning mot reaktionsställena.

Enligt en utföringsform av den optiska läsaren, belyses substratet genom en 1jusledarenhet så att önskad infallsvinkel erhålls, såsom ett prisma eller ett gitter, som skall vara belägen på reaktionsställesytan, på bärarytan, eller på en av substratets kantväggar.

Enligt ytterligare en utföringsform av den optiska läsaren enligt denna uppfinning, kan detekteringsenheten placeras i förhållande till ett polymeriska provsubstrat så att emitterat ljus som har letts av nämnda substrats optiska egenskaper detekteras i den detekterande enhetens riktning.

För att förklara ett koncept för denna uppfinning, illustrerar figur 5a ljusstrålar 28 som har injicerats in i ett polymeriskt provsubstrat 1, där ljusstrålen 28 bildar en infallsvinkel 29 med substratytans 24 normal 25, där infallsvinkeln 29 är beroende av ljuskällans position (ej visad i figuren) i förhållande till substratet. Den injicerade ljusstrålen kommer att brytas mot det polymeriska substratet så att en brytningsvinkel 30 bildas i förhållande till normalen 25, beroende av substratmaterialets brytningsindex. När infallsvinkeln 29 är vald så att brytande ljusstrålar överskrider den kritiska vinkeln för att total intern reflektion skall uppstå inom substratet, kommer de exciterande ljusstrålarna att fortplanta sig inom substratet genom total intern reflektion, såsom visas med pilarna.

Figur 5b beskriver två exempel på utformningar som ytterligare beskriver denna uppfinnings koncept, med hjälp av ljuskällor 6a, 6b arrangerade för att injicera exciterande ljusstrålar in i substratet la, lb i närheten av en av substratets kantväggar 27a, 27b.

Den första ljuskällan 6a är placerad så att ljusstrålar injiceras direkt in i en av det första substratets la kantväggar 27a, och så att ljusstrålens infallsvinkel åstadkommer total intern reflektion för de exciterande ljusstrålarna inom substratet.

Den andra ljuskällan 6b är placerad så att ljusstrålar faller in i det andra substratets lb toppyta 24b. Ljusstrålarna injiceras i det andra substratet lb vid en plats nära substratets kantvägg 27b, genom ett prisma 22, som är placerat på ytan 24b för att styra ljusstrålarnas infallsvinkel, vilket ger upphov till att total intern reflektion för de exciterande ljusstrålarna uppstår inne i substratet lb.

Den totala interna reflektionen som uppstår inom substratet la och lb kommer att skapa ett evanescent fält i gränsen mellan det polymeriska substratet och luften, med en utvidgning av approximativt 300-400 nanometer i luft, och med kapacitet att effektivt alstra reaktionsställesfluorofores (ej visad), som kan tillhandahållas på substratet.

Enligt ytterligare en av denna uppfinnings utföringsformer väljs emellertid inte infallsvinkeln så att den kritiska vinkeln för total intern reflektion överskrids, och infallsvinkeln kan t.ex. väljas till noll i förhållande till normalen, dvs. den infallande vinkeln är parallell med normalen 25.

Figur 6 illustrerar en första utföringsform av en optisk läsare 33 enligt denna uppfinning, som beskriver ett polymeriskt provsubstrat 1 som har en reaktionsställesyta 24, som är försedd med ett mikrostrukturerat reaktionsställesområde 5, och en kantvägg 27. Den optiska läsaren 33 innefattar linser 8, 9 och filter 10, och en ljuskälla 6 som är placerad att injicera exciterande ljusstrålar in i substratets kant 27, där ljusstrålarna fokuserats på kanten av linsen 8. Ljuskällans 6 konfiguration, substratets 1 brytningsindex och linsens 8 ljusledaregenskaper kommer att påverka ljusstrålarna, så att ljusstrålar injiceras in i substratet med en styrd infallsvinkel. De injicerade ljusstrålarna kommer att ledas i substratet, t.ex. genom reflektion mot substratets innerväggar, så att de utbreder sig mot reaktionsställesområdet 5 och så att de exciterar reaktionsställesfluorofores. Ljuset som emitterats från reaktionsställesområdet kommer att fokuseras av linsen 9, filtreras av filterenheten 10 och samlas in av ljusdetektorenheten 7, vilken t.ex. kan vara en PMT.

Figur 7 illustrerar en andra utföringsform av en optisk läsare 43 enligt denna uppfinning, som visar en liknande uppställning som den optiska läsaren 33 som beskrivs i figur 6. Enligt denna andra utföringsform har emellertid detekteringsenheten 7 en position i förhållande till det polymeriska provsubstratet 1 så att den detekterar emitterat ljus som passerar ut från substratets 1 bäraryta 26, i stället för från reaktionsställesytan 24. Enligt denna andra utföringsform kommer de infallande ljusstrålarna att utbreda sig mot reaktionsställesområdet 5, excitera reaktionsställesfluorofores, och det ljus som emitteras från fluoroforesen kommer att samlas upp av linsen 9, filterenheten 10 och ljusdetekteringsenheten 7, t.ex. en PMT, efter transmission genom substratet 1. Genom detektorn som är placerad för att detektera emitterat ljus som överförts genom substratet och som passerar från bärarytan 25, kan en förstärkt fluorescerande signal detekteras, varigenom signal/brusförhållandet ökar. Detta uppnås tack vare att en större mängd fluorescerande ljus från fluoroforesen under speciella förhållanden kommer att emitteras inuti substratet än i luften.

Figur 8 illustrerar en tredje utföringsform av en optisk läsare 53 enligt denna uppfinning, som är en avbildande optisk läsare i ett optiskt testarrangemang, vilket innefattar ett polymeriskt provsubstrat 1 enligt en tredje utföringsform av uppfinningen, som har en reaktionsställesyta 24 och en bäraryta 26. Reaktionsställesytan innefattar ett reaktionsställesområde 5 som är försedd med mikropelare 2, och bärarytan 26 är försedd med gitter 21a, 21b för att styra de exciterande ljusstrålarnas infallsvinkel. Ljuskällan 11 är arrangerad för att belysa i princip hela bärarytans 26 area, genom nämnda gitter 21a och 21, vilka är placerade i anslutning till kantväggarna 27a och 27b, och gittrens optiska egenskaper kommer att påverka infallsvinkeln hos ljusstrålarna som sänds genom nämnda gitter 21a, 21b. Gittren kommer således att bryta ljusstrålarna, och åstadkomma en styrd infallsvinkel för ljusstrålarna, så att de infallande ljusstrålarna kommer att ledas inom substratet mot reaktionsställesområdet 5. Ljusstrålarna som infaller mot ytan 26 mellan nämnda gitter, placerat i anslutning till reaktionsställesområdet 5, kommer emellertid att vara i det närmaste parallella med ytnormalen och kommer att överföras rakt genom substratet till reaktionsställesområdet. Härigenom kommer mycket effektiv belysning av reaktionsställesområdet att uppnås.

Figur 9 illustrerar en fjärde utföringsform av en optisk läsare 63 enligt denna uppfinning, i ett optiskt testarrangemang som omfattar en fjärde utföringsform av ett polymeriskt provsubstrat 1, som har en reaktionsställesyta 24, en bäraryta 26 och en kantvägg 27, där substratet 1 är försett med ett mikrostrukturerat reaktionsställesområde 5 på reaktionsställesytan 24, och ett ytterligare lager 31 applicerat på en del av bärarytan 26. Ljuskällan 6 har en position relativt det polymeriska provsubstratet så att substratets reaktionsställesyta 24 belyses genom ett 1jusledarsprisma 22 placerat på ytan 24, i anslutning till kantväggen 27. Ljuskällans 6 utformning och prismats ljusbrytningsegenskaper kommer att åstadkomma injicerade ljusstrålar med en styrd infallsvinkel som leds i riktning mot reaktionsställesområdet 5 av substratet och av det ytterligare lagret 31. Ljuset som emitteras från reaktionsställena kommer att samlas upp och detekteras av lins 9, filter 10 och detektor 7.

Figur 10 illustrerar en femte utföringsform av en optisk läsare 73 enligt denna uppfinning, som innefattar ett optiskt testarrangemang som har en liknande sammansättning som den optiska läsaren 63 enligt den fjärde utföringsformen, som visas i figur 9. Enligt den fjärde utföringsformen har emellertid detekteringsenheten 7 en position relativt det polymeriska provsubstratet 1 så att ljus som emitterats från substratets 1 bäraryta 26, i stället för från reaktionsställesytan 24, upptäcks, och substratet är inte försett med något semireflekterande lager. Ljuskällan 6 har också en position relativt det polymeriska provsubstratet 1 så att substratets bäraryta 26 belyses (i stället för reaktionsställesytan 24), genom ett ljusledningsprisma 22 placerat på ytan 26 i anslutning till kantväggen 27. Ljuskällans 6 utformning och prismats brytningsegenskaper kommer att åstadkomma injicerade ljusstrålar med en styrd infallsvinkel som kommer att ledas mot reaktionsställesområdet 5 av substratet, så att fluoroforer som anordnats på reaktionsställena exciteras. Då det mesta av det fluorescerande ljuset emitteras inuti substratet, och inte i luften, kommer en betydande del av det ljus som emitteras från fluoroforesen att överföras genom substratet 1, samlas upp av linsen 9, filterenheten 10 och ljusdetekteringsenheten 7, t.ex. en PMT.

Figur 11 illustrerar en sjätte utföringsform av en optisk läsare 83 enligt denna uppfinning, och en femte utföringsform av ett polymeriskt provsubstrat 1, som har en reaktionsställesyta 24 som är försedd med en mikrostrukturerad reaktionsställesyta 5, och hela bärarytan 26 täckt med ett ytterligare lager 31. Den optiska läsaren 83 innefattar en ljuskälla 6 placerad relativt det polymeriska provsubstratet 1 så att exciterande ljusstrålar injiceras direkt in i reaktionsställesområdet 5, och en detekteringsenhet 7 placerad relativt det polymeriska provsubstratet 1 så att den tar emot emitterat fluorescerande ljus som passerar från kantväggen 27. De exciterande ljusstrålarna från ljuskällan faller in på ytan 24 riktade via linsen 8 med en riktning approximativt i enlighet med ytans 24 normal, dvs. med en relativt liten infallsvinkel, såsom t.ex. mindre än 10°. Ljusstrålarna kommer att excitera fluoroforesen i reaktionsställena, och en stor andel av det emitterade fluorescerande ljuset kommer att överföras i olika, varierande riktningar inom substratet. Det emitterade ljuset kommer att reflekteras från substratets inre ytor, och av det ytterligare, semireflekterande lagret 31 som har applicerats på substratets bäraryta 26, vilket leder till att en del av det emitterade fluorescerande ljuset leds i riktning mot kantväggen 27, för att samlas upp av detektorenheten 7 som är arrangerad att motta ljus som passerar ut från kantväggen 27, genom en lins 9 och ett filter 10.

Enligt en sjätte utföringsform av ett polymeriskt provsubstrat enligt denna uppfinning är ett ljusledande prisma 22 applicerat på en av substratets ytor.

De sex utföringsformerna av optiska läsare enligt denna uppfinning beskrivna i figur 6-11 visar konfigurationsexempel på ljuskällans 6 och detektorenhetens 7 position, i förhållande till ett polymeriskt provsubstrats 1 position.

Enligt andra utföringsformer av denna uppfinning kan emellertid ljuskällan 6 placeras så att exciterande ljusstrålar injiceras in i en av de två ytorna 24, 26 eller in i någon av substratets kantväggar 27. Enligt ytterligare utföringsformer av denna uppfinning kan detekteringsenheten 6 också placeras så att den detekterar fluorescerande eller fosforescerande ljus som passerar ut från någon av de två ytorna 24 eller 2 6 eller från någon av kantväggarna 27.

Ljuskällan 6 och detektorenheten 7 kan dessutom antingen vara placerade så att de injicerar exciterande ljusstrålar och detekterar emitterat ljus från samma yta eller kantvägg, eller från olika ytor eller kantväggar.

Således är uppfinningen inte begränsad till att beskriva utföringsformerna i figurerna, utan kan varieras fritt inom ramen för de bifogade kraven.

Claims

1. Optisk läsare (33, 43, 53, 63, 73, 83) för ett optiskt testarrangemang, där den optiska läsaren innefattar en ljuskälla (6, 11) för att belysa ett polymeriskt provsubstrat (1) som har en reaktionsställesyta (24) innefattande åtminstone ett reaktionsställesområde (5) försett med utskjutande mikrostrukturer (2), där den optiska läsaren även innefattar en detektorenhet (7, 12) för detektering av ljus som emitterats från nämnda åtminstone en reaktionsställesarea, kännetecknad av att nämnda ljuskälla (6, 11) är anpassad för att injicera exciterande ljusstrålar (28) in i ett polymeriskt provsubstrat (1), med en styrd infallsvinkel (29) som är vald så att det optiska substratets egenskaper leder de exciterande ljusstrålarna i riktning mot en reaktionsställesarea (5) , där nämnda utskjutande mikrostrukturer (2) bidrar till nämnda optiska substrats egenskaper.

2. Optisk läsare enligt krav 1, kännetecknad av att det polymeriska provsubstratet (1) åtminstone delvis är täckt av ett extra lager (31) som har utvalda optiska egenskaper, där nämnda lager (31a, 31b, 31) bidrar till nämnda optiska substrats egenskaper.

3. Optisk läsare enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att nämnda extra lager (31b) åtminstone delvis täcker de utskjutande mikrostrukturerna (2) .

4. Optisk läsare enligt något av krav 1 till 3, kännetecknad av att nämnda extra lager (31) åtminstone delvis täcker substratets (1) bäraryta (26).

5. Optisk läsare enligt något av kraven 2-4, kännetecknad av att nämnda ytterligare lager (31a, 31b, 31) är arrangerat att absorbera utvalda optiska våglängder.

6. Optisk läsare enligt något av kraven 2-5, kännetecknad av att nämnda ytterligare lager (31a, 31b, 31) består av en tejp av ett lämpligt material applicerad på substratet (1).

7. Optisk läsare enligt något av kraven 1-6, kännetecknad av att nämnda ljuskälla (6) är utformad att belysa ett polymeriskt provsubstrat (1) via en ljusledarenhet (21, 22) arrangerad för att styra de exciterande ljusstrålarnas infallsvinkel (29).

8. Optisk läsare enligt krav 7, kännetecknad av att nämnda ljusledarenhet innefattar ett prisma (22) placerad på en substratyta (22, 26).

9. Optisk läsare enligt krav 7, kännetecknad av att nämnda ljusledarenhet innefattar ett gitter (21) applicerat på substratets yta (24, 26).

10.Optisk läsare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att ljuskällan (6, 11) har en position relativt det polymeriska provsubstratet (1) så att substratets reaktionsställesyta (24) belyses.

11.Optisk läsare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att ljuskällan (6, 11) har en position relativt det polymeriska provsubstratet (1) så att en av substratets bärarytor (26) belyses.

12.Optisk läsare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda ljuskälla (6) har en position relativt det polymeriska provsubstratet (1) så att en av substratets kantväggar (27) belyses.

13.Optisk läsare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda infallsvinkel (29) överskrider den kritiska vinkeln för att total intern reflektion skall uppstå i det polymeriska provsubstratet (1) .

14.Optisk läsare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda detektorenhet (7, 12) har en position relativt det polymeriska provsubstratet (1) för att samla in fluorescerande eller fosforescerande ljus emitterat från en av substratets (1) reaktionsställesareor (5), där nämnda emitterade ljus leds i riktning mot detektorenheten av det optiska substratets egenskaper.

15.Optisk läsare enligt något av kraven 1-13, kännetecknad av att nämnda detektorenhet (7, 12) har en position relativt det polymeriska provsubstratet (1) för att motta emitterat fluorescerande eller fosforescerande ljus som passerar från substratets bäraryta (26).

16.Optisk läsare enligt något kraven 1-13, kännetecknad av att nämnda mottagarenhet (7, 12) har en position relativt det polymeriska provsubstratet (1) så att den mottar fluorescerande eller fosforescerande ljus som passerar från en av substratets kantväggar (27) .

17.Optisk läsare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att ljuskällan (6) har en position relativt det polymeriska provsubstratet (1) så att en första yta (24, 26) eller kantvägg (27) belyses, och så att detektorenheten (7, 12) har en position relativt det polymeriska provsubstratet (1) så att den mottar emitterat fluorescerande eller fosforescerande ljus som passerar från samma första yta (24, 26) eller kantvägg (27).

18.Optisk läsare enligt krav 1-16, kännetecknad av att ljuskällan (6) har en position relativt det polymeriska provsubstratet (1) för att belysa en första yta (24, 26) eller kantvägg (27), och detektorenheten (7, 12) har en position relativt det polymeriska provsubstratet (1) för att motta emitterat fluorescerande eller fosforescerande ljus som passerar från någon annan yta (24, 26) eller kantvägg (27) .

19.Optisk läsare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den optiska läsaren är en avbildande optisk läsare.

20.Optisk läsare enligt något av kraven 1-18, kännetecknad av att den optiska läsaren är en skannande optisk läsare.

21. Polymeriskt provsubstrat (1) för ett optisk testarrangemang, där det polymeriska provsubstratet har en reaktionsställesyta (24) innefattande åtminstone en reaktionsställesarea (5) som är försedd med utskjutande mikrostrukturer (2), att substratet (1) är åtminstone delvis täckt av ytterligare ett lager (31, 31a, 31b) som har utvalda optiska egenskaper, där de utskjutande mikrostrukturerna och det ytterligare lagret bidrar till det optiska substratets egenskaper, kännetecknat av att en ljusledarenhet (21,22) är fäst vid en yta (24,26) för att styra infallsvinkeln (29) hos ljusstrålar som belyser substratet (29).

22. Polymeriskt provsubstrat (1) enligt krav 21, karaktäriserat av att nämnda ytterligare lager (31b) åtminstone delvis täcker substratets (1) utskjutande mikrostrukturer (2).

23. Polymeriskt provsubstrat (1) enligt krav 21 eller 22, karaktäriserat av att nämnda ytterligare lager (31) åtminstone delvis täcker substratets (1) bäraryta (26).

24. Polymeriskt provsubstrat (1) enligt något av kraven 21-23, karaktäriserat av att nämna ytterligare lager (31, 31b) är arrangerat att absorbera utvalda optiska våglängder.

25. Polymeriskt provsubstrat (1) enligt något av kraven 21-24, karaktäriserat av att nämnda ytterligare lager (31a, 31b, 31) består av en tejp av lämpligt material applicerat på substratet (1).

26. Polymeriskt provsubstrat (1) enligt något av kraven 21-25, karaktäriserat av att nämnda ljusledarenhet innefattar ett prisma (22).

27. Polymeriskt provsubstrat enligt något av kraven 21-25, karaktäriserat av att nämnda ljusledarenhet innefattar ett gitter (21).

28. Polymeriskt provsubstrat (1) försett med utskjutande mikrostrukturer (2) och utvalda optiska substrategenskaper, där det polymeriska provsubstratet (1) är utformat för en optisk läsare (33, 43, 53, 63, 73, 83) enligt något av kraven 1-20.

29.Optisk testarrangemang innefattande en optisk läsare (33, 43, 53, 63, 73, 83) enligt något av kraven 1-20 och ett polymeriskt provsubstrat (1) försett med utskjutande mikrostrukturer (2), enligt något av kraven 21-28.