DE69535229T2

DE69535229T2 - Hochgeschwindigkeitsfluoreszensabtaster

Info

Publication number: DE69535229T2
Application number: DE69535229T
Authority: DE
Inventors: Iain Los Altos Hills HUETON; Ezra Belmont VAN GELDER
Original assignee: GE Healthcare SV Corp
Current assignee: Integenx Acquisition Corp
Priority date: 1994-07-19
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2015-06-21
Also published as: US5459325A; WO1996002824A1; JPH09503308A; JP3715307B2; JP2005201911A; DE69535229D1; EP0724719A4; JP4022255B2; EP0724719A1; EP0724719B1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft optische Abtaster zum Anregen und Lesen einer Fluoreszenzemission von einem Ziel.
Stand der Technik
Fluoreszenzabtaster tasten im Allgemeinen Proben über Anregung durch einen Lichtstrahl mit einer Anregungswellenlänge auf eine ein- oder zweidimensionale Weise ab. Die resultierende angeregte Fluoreszenzemission, die typischerweise bei einer anderen Wellenlänge oder einem anderen Wellenlängenband stattfindet, wird dann erfasst. Eine Art von Abtaster erfordert die Bewegung eines Anregungsstrahls in einer Achse und die Bewegung eines mechanischen Tischs in einer senkrechten Achse, so dass aufeinander folgende Abtastungen in einer geraden Linie nacheinander einen zweidimensionalen Bereich der Probe abdecken. Alternativ kann sich der Tisch in einer festen Position befinden und der Laserstrahl kann entlang zwei Achsen abgetastet werden. Die Probe kann auch auf einem X-Y-Tisch parallel verschoben werden und mit einem Mikroskop oder einer ähnlichen festen optischen Betrachtungsvorrichtung betrachtet werden.
Die Bewegung eines Lichtstrahls zum Durchführen einer Abtastung in den meisten Fluoreszenzabtastern wird im Allgemeinen über Galvanometer-Abtaster und polygonale Drehspiegel durchgeführt. Diese Vorrichtungen eignen sich am besten für die Weitwinkelabtastung, wie sie für das Erfassen einer Fluoreszenzemission von planaren DNA-Sequenzanalysegelen erforderlich ist.
Es ist bei bestimmten Anwendungen wichtig, eine Anregung von Fluoreszenzemission aus einem konstanten Winkel an allen Punkten der abgetasteten Probe zu bewirken. Es bestehen innewohnende Schwierigkeiten bei der Anpassung der obigen Abtastsysteme an eine solche Situation, da die Abtaststrahlen eine gewisse Drehbewegung aufweisen und Verzerrungen der Fluoreszenzabbildung an verschiedenen Stellen der Probe auftreten können. Aberrationen können durch eine fθ-Linse minimiert werden, die in Verbindung mit einem der obigen Abtastmechanismen eine Korrektur des Abtastwinkels und der Geschwindigkeit vorsieht und das Abtasten einer flachen Probe mit einem einfallenden Strahl ermöglicht. Solche Linsen sind jedoch ziemlich teuer. Die Kosten von einigen dieser Abtastmechanismen sind auch sehr hoch.
EP 0 440 342 A1 beschreibt einen durch Laser angeregten konfokalen Mikroskop-Fluoreszenzabtaster. Unter Verwendung von Raumfiltern besteht der Vorteil der konfokalen Mikroskopie darin, dass extrem kleine Probenvolumina abgetastet werden können. Dies ermöglicht die Abtastung eines dreidimensionalen Objekts mit einer zur Probenebene senkrechten Abtastrichtung. Ein Abtastkopf des Abtasters führt eine Bewegung in der x- und y-Richtung durch. Der Kopf enthält alle optischen Elemente, nämlich einen Laser, Raumfilter, einen Strahlteiler/Spiegel, ein Objektiv und eine Erfassungsröhre, die exakt im Brennpunkt des Anregungslaserstrahls und des Fluoreszenzemissionsstrahls angeordnet werden soll.
EP 0 459 214 A1 zeigt einen Abtastkopf, der parallel über eine Probe beweglich ist. Ein extern erzeugter Laserstrahl wird zum Abtastkopf gesandt und durch einen galvanometrisch angetriebenen Spiegel auf die Probe abgelenkt.
US 4 881 812 offenbart einen Abtaster, bei dem das vollständige optische System, einschließlich eines Lasers, in einer zur Ebene des Objekts parallelen Richtung abgetastet wird.
US 5 196 709 A ist auf verschiedene Anregungsverfahren unter Verwendung einer Laserdiode als Lichtquelle gerichtet.
Eine breite Vielfalt von Abtastformaten ist für viele Forschungs- und Diagnoseanwendungen erforderlich. Insbesondere kommen kleinere experimentelle Formate auf, wie z.B. die Abtastung von Nukleinsäureproben auf kleinen Chips und Elektrophorese innerhalb Kapillarröhrchen. Die Miniaturisierung der effektiven Abtastbereiche von existierenden Fluoreszenzabtastern erfordert eine komplizierte und teure Anpassung von optischen Anordnungen und ist daher nicht brauchbar.
Es ist auch erwünscht, die Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen, ohne die Auflösung zu beeinträchtigen, um viele Proben in einem kurzen Zeitraum abzutasten. Existierende Abtaster sind bezüglich der Abtastgeschwindigkeit und der Auflösung aufgrund ihrer zahlreichen Komponenten und der hohen Masse ihrer optischen Anordnungen und auch, da sie für spezielle Abtastwinkel und Probengrößen optimiert sind, begrenzt.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vielseitigen Fluoreszenzabtaster mit einer einfachen, leichtgewichtigen, kostengünstigen Konstruktion für eine schnelle Abtastung einer Probe im kleinen Format aus einem konstanten Winkel bereitzustellen.
Die Erfindung ist in dem Anspruch 1 bzw. 12 definiert.
Spezielle Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß Anspruch 1 wurde die obige Aufgabe mit einem Hochgeschwindigkeits-Fluoreszenzabtaster gelöst, der für eine schnelle geradlinige Bewegung eines leichtgewichtig konstruierten Abtastkopfs zweckmäßig ist, welcher nur einen einzelnen Reflektor und eine Linsenkombination enthält. Der Anregungsstrahl wird kollimiert und in einem konstanten Winkel auf den Reflektor gerichtet und die Bewegung des Abtastkopfs hält einen gleichmäßigen Winkel der Beleuchtung auf einer Probe oder einem Ziel aufrecht. Der Effekt der Bewegung des Abtastkopfs ist eine kontinuierliche Verlängerung und Verkürzung eines Bereichs des Anregungsstrahlweges, um eine Abtastlinie in einer Bildebene zu erzeugen. Die Fluoreszenzemission von einer innerhalb der Bildebene angeordneten Probe entlang der Abtastlinie des Anregungsstrahls wird durch die Linse des Abtastkopfs gesammelt und im Allgemeinen entlang des optischen Weges des Anregungsstrahls zu einem Detektor zurückgerichtet. Die niedrige Masse des Abtastkopfs ermöglicht bei einem Ausführungsbeispiel eine Hochgeschwindigkeitsabtastung. Der Abtastkopf wird durch ein lineares Stellglied angetrieben, das mit bis zu ungefähr 254 cm (100 Inch) pro Sekunde betätigbar ist. Eine Probe kann für eine zweidimensionale Abtastung senkrecht an der Abtastlinie vorbeibewegt werden, wie durch Parallelverschiebung eines Tischs oder durch Elektrophorese. Der Fluoreszenzabtaster der vorliegenden Erfindung kann durch Austausch von Linsen und Reflektoren mit verschiedenen Größen und entsprechende mechanische Einstellungen angepasst werden, um eine Abtastung und Fluoreszenzabbildung von Proben in einer breiten Vielfalt von Größen und Formaten vorzusehen.
Gemäß Anspruch 12 ordnet ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Lichtquelle in einer Miniaturform direkt am Abtastkopf an. Der Abtastkopf enthält die Lichtquelle und die Linse. Er enthält eine Spektralzerlegungsvorrichtung, vorzugsweise einen dichroitischen Strahlteiler oder ein anderes Mittel, zum Trennen des Anregungsstrahls von der Fluoreszenzemission und zum Richten der Fluoreszenzemission vom Abtastkopf weg und zu einem Detektor hin. Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel kann ein fester Reflektor, der vom Abtastkopf entfernt ist und der zum Empfangen der Fluoreszenzemission und zum Ablenken derselben in Richtung des Detektors angeordnet ist, vorhanden sein. Eine Hin- und Herbewegung des Abtastkopfs durch das lineare Stellglied bewirkt in diesem Fall eine kontinuierliche Verlängerung und Verkürzung des Bereichs des Weges der Fluoreszenzemission zwischen dem Abtastkopf und dem Reflektor.
Die Verwendung des Begriffs "Reflektor" umfasst Spiegel und Pentaprismen. Die Verwendung des Begriffs "Linse" bedeutet eine Ein- oder Mehr-Element-Linse.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber vorherigen Fluoreszenzabtastern ist die schnelle Anregung von Proben in einem konstanten Winkel ohne Zurückgreifen auf eine teure Korrekturoptik. Mit anderen Worten, die relative Position des Abtastkopfs und der Probe wird aufrechterhalten.
Ein weiterer Vorteil ist die einfache, leichtgewichtige Konstruktion des Abtastkopfs und der optischen Wege, die vom Anregungsstrahl und von der Fluoreszenzemission genommen werden, was eine schnelle Abtastbewegung und eine leichte Anpassungsfähigkeit an viele Anwendungen ermöglicht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Abtastkopf mit einem zugehörigen Träger und einen Teil der optischen Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Draufsicht auf den Fluoreszenzabtaster des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit Details der optischen Anordnung.
3A–B zeigen eine perspektivische Ansicht eines Teils des Fluoreszenzabtasters von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, welche Abtastlinien und eine zweidimensionale Fluoreszenzanregung darstellen.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils des Fluoreszenzabtasters von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, welche die Parallelverschiebung in einer Richtung durch Elektrophorese darstellt.
5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Details des Abtastkopfs und der optischen Anordnung.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
Mit Bezug auf 1 ist ein Abtastkopf 22 mit niedriger Masse gezeigt, der einen Reflektor 13 und eine Linse 12 enthält. Die Verwendung des Begriffs "Reflektor" umfasst Spiegel und Pentaprismen. Die Verwendung des Begriffs "Linse" bedeutet eine Ein- oder Mehr-Element-Linse. Sowohl der Reflektor 13 als auch die Linse 12 sind in einer gegebenen planaren Orientierung innerhalb des Abtastkopfs 22 gemäß den gewünschten optischen Abtastwinkeln befestigt. Die Linse 12 kann innerhalb der gegebenen planaren Orientierung eingestellt werden, um eine Zentrierung zu erzielen. Der Abtastkopf 22 kann an einem Lager 21 befestigt werden, das verschiebbar an einer Führung 27 befestigt ist. In 1 ist die Führung 27 als U-förmiger Kanal gezeigt, in dem sich der Abtastkopf 22 in der Richtung 20 bewegt. Das lineare Stellglied 23 ist beim bevorzugten Ausführungsbeispiel an einem Ende der Führung 27 angeordnet und steht mit dem Abtastkopf 22 über die Welle 35 in Verbindung, was bewirkt, dass sich der Abtastkopf 22 in der Richtung 20 entlang der Führung 27 hin- und herbewegt, was die Gesamtposition des Reflektors 13 und der Linse 12 verschiebt und eine Abtastung in einer Dimension in der Bildebene 10 durchführt. Ein Anschlag 37 ist an einem Ende der Führung 27 entgegengesetzt zum linearen Stellglied 23 angeordnet und funktioniert einfach zum Halten des Lagers 21 an der Führung 27. Die Führung 27 kann an einem oder beiden entgegengesetzten Enden mechanisch abgestützt sein. Die dargestellte mechanische Anordnung, die gezeigt ist, ist ein Beispiel eines Mittels zum geradlinigen Hin- und Herbewegen des Abtastkopfs 22. Andere Mittel für eine schnelle geradlinige Hin- und Herbewegung können eingesetzt werden, wie z.B. ein länglicher Arm mit einem beweglichen Element, an dem der Abtastkopf 22 angebracht ist.
Mit Bezug auf 2 ist ein vollständiges Diagramm eines Ausführungsbeispiels des optischen Weges gezeigt. Der Fluoreszenzabtaster der vorliegenden Erfindung weist im Allgemeinen einen festen Bereich 24 und einen beweglichen Bereich auf, der durch den Abtastkopf 22 festgelegt ist. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel emittiert ein Laser 11 innerhalb des festen Bereichs 24 einen Strahl 30 mit einer Anregungswellenlänge. Der Anregungsstrahl 30 wird durch eine Linse 8 kollimiert und wahlweise durch eine Durchlauf-Strahlaufweitungsvorrichtung 14 auf geweitet. Eine kollimierte weiße Lichtquelle kann auch für die Anregung verwendet werden. Eine Spektralzerlegungsvorrichtung 16, wie z.B. ein dichroitischer Strahlteiler, ist innerhalb des Weges des Anregungsstrahls 30 angeordnet. Der Anregungsstrahl 30 läuft von der Spektralzerlegungsvorrichtung 16 weg und trifft dann auf einen Reflektor 15 auf, der beim bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem Winkel von ungefähr 45° zum einfallenden Anregungsstrahl 30 orientiert ist. Der Anregungsstrahl 30 wird dann in einer senkrechten Richtung abgelenkt und bewegt sich vom festen Bereich 24 von 2 weg und tritt durch Auftreffen auf den Reflektor 13 in den Abtastkopf 22 ein. Der Reflektor 13 ist auch vorzugsweise in einem Winkel von ungefähr 45° zum einfallenden Anregungsstrahl 30 angeordnet. Der Anregungsstrahl 30 wird dann in einer senkrechten Richtung durch den Reflektor 13 abgelenkt. Die Linse 12, die im Allgemeinen eine freie Öffnung aufweist, die zwischen ein und zwanzigmal größer ist als der Anregungsstrahl 30, ist so angeordnet, dass ihre Achse zu einer Bildebene 10 senkrecht ist, so dass sie den Anregungsstrahl 30 empfängt und auf die Bildebene 10 fokussiert. Der Anregungsstrahl 30 bewirkt eine Anregung einer Fluoreszenzemission von Proben oder Zielen, die innerhalb der Bildebene 10 angeordnet sind.
Die Bewegung des Abtastkopfs 22 in der Richtung 20, wie in 1 und 2 dargestellt, bewirkt eine kontinuierliche Verlängerung und Verkürzung des Bereichs des Weges des kollimierten Strahls zwischen den Reflektoren 15 und 13 und führt zu einer Abtastung entlang einer Achse in der Bildebene 10, während Änderungen an den optischen Eigenschaften des Strahls 30 in der Bildebene 10 minimiert werden. Die resultierende Fluoreszenzabtastung ähnelt einer Abtastung durch einen Lesekopf für optische Platten bei der Bewahrung der Strahleigenschaften. Die Bewegung des Abtastkopfs 22 kann über lange Wege, wie z.B. mehrere Meter in der Länge, oder kann über kurze Wege, wie z.B. weniger als einen Zentimeter, stattfinden.
3A–B stellen deutlicher die Erzeugung von Abtastlinien dar. Wenn der weg des Anregungsstrahls 30 zwischen den Reflektoren 15 und 13 durch die Bewegung des Abtastkopfs 22 in Verbindung mit dem linearen Stellglied 23 in der Richtung 20a verlängert wird, bewegt sich die Kombination aus Reflektor 13 und Linse 12 in der Richtung 20a, um die Abtastlinie 25 zu bilden, wie in 3A gezeigt. Auf dieselbe Weise wird, wenn der Weg des Anregungsstrahls 30 durch die Bewegung des Abtastkopfs 22 in der Richtung 20b verkürzt wird, die Abtastlinie 26 gebildet. Die Abtastlinie 26 kann auf die Abtastlinie 25 überlagert werden. Wenn eine Verschiebung der Probe innerhalb der Bildebene 10 in einer zur Abtastlinie 25 senkrechten Richtung besteht, wie durch den Pfeil 29 angegeben, dann ist jedoch die Abtastlinie 26 zur Abtastlinie 25 parallel, wie in 3B dargestellt. Kontinuierliche kleine Verschiebungen der Probe in der Richtung 29 verursachen die Bildung von aufeinander folgenden Abtastlinien und führen zu einer zweidimensionalen Fluoreszenzanregung der Probe in der Bildebene 10.
Die Bewegung der Probe in der Richtung 29 kann durch Vorsehen eines Tischs zur Anordnung der Probe innerhalb der Bildebene 10 und dann durch Parallelverschieben des Tischs, wie durch eine mit einem Motor oder einer anderen Art von linearem Stellglied verbundenen Leitspindel, durchgeführt werden. Alternativ kann die Probe in der Bildebene 10 über die Abtastlinie durch elektrophoretische oder andere Mittel parallel verschoben werden. 4 gibt ein Beispiel für die Bewegung einer Probe in einer Dimension durch Elektrophorese. Verschiedene Komponenten 32a–d der Probe werden in der Richtung 31 durch eine Matrix 34 innerhalb der Bahn 28 durch Anlegen eines elektrischen Feldes angetrieben. Die Abtastlinie 25 stellt eine Abtastung in der zur Richtung 31 der Probenbewegung senkrechten Richtung 20 dar. Eine fortgeführte elektrophoretische Bewegung der Probenkomponenten über die Abtastlinie ermöglicht eine Fluoreszenzerfassung der gesamten Probe über einen Zeitraum. Der Einfachheit halber wurde 4 nur mit einigen weit beabstandeten Probenbändern dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch gleichermaßen auf die Fluoreszenzabtastung von mehreren eng beabstandeten Probenbändern und auf mehrere Bahnen von Proben anwendbar.
Wenn man zu 2 zurückkehrt, wird die Fluoreszenzemission von einer Probe, die innerhalb der Bildebene 10 angeordnet ist und gemäß der vorliegenden Erfindung abgetastet wird, beim bevorzugten Ausführungsbeispiel durch eine Linse 12 gesammelt, die eine hohe numerische Apertur aufweist und die Fluoreszenz über einen großen Winkel sammelt. Der Begriff "hohe numerische Apertur" bedeutet, dass die Linse im Vergleich zu ihrer Brennweite einen breiten Durchmesser für gesammeltes Licht aufweist, der vom eingehenden Strahl nur teilweise verwendet wird. Die gesammelte Fluoreszenz wird entlang eines Weges gerichtet, der den Weg des Anregungsstrahls 30 im wesentlichen zurückverfolgt. Die Fluoreszenzemission 33 läuft zum Reflektor 13 und dann zum Reflektor 15. Dann wird sie auf die Spektralzerlegungsvorrichtung 16 gerichtet, die im Weg sowohl des Anregungsstrahls 30 als auch der Fluoreszenzemission 33 angeordnet ist und ein Trennen der Anregung von der Fluoreszenzemission über ihre eindeutigen Spektralcharakteristiken bewirkt. Nachdem die Fluoreszenzemission 33 durch die Spektralzerlegungsvorrichtung 16 getrennt ist, wird sie durch eine Linse 17 geleitet und dann innerhalb einer Öffnung 44 eines Raumfilters 18 fokussiert und von einem lichtempfindlichen Detektor 19 wie z.B. einer Photovervielfacherröhre oder einer Photozelle erfasst. Die Verwendung des Raumfilters 18 ist optional und hängt von den Arten von abgetasteten Proben und von den für solche Proben erforderlichen speziellen Parametern der Fluoreszenzerfassung ab.
Zur Erläuterung können Lichtquellen für die vorliegende Erfindung Halbleiter- oder Gaslaser, Laserdioden, umfassen und können sogar gepulst sein. Eine Leuchtdiode kann auch verwendet werden. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine Miniaturlichtquelle wie z.B. eine Laserdiode, eine LED, eine Halogenlampe oder eine Xenonlampe verwendet. Wenn die Lichtquelle in einer Miniaturform vorliegt und daher eine geringe Masse besitzt, kann sie direkt am Abtastkopf montiert werden, anstatt sich in einer festen Position vom Abtastkopf entfernt zu befinden. Die Laserdiode 43 ist in 5 als ein Beispiel einer für das zweite Ausführungsbeispiel geeigneten Lichtquelle gezeigt. Der von der Laserdiode 43 emittierte Anregungsstrahl 41 muss in diesem Fall nicht kollimiert werden. Der Anregungsstrahl 41 durchläuft eine Spektralzerlegungsvorrichtung 40, wie z.B. einen dichroitischen Strahlteiler, und läuft dann durch die Linse 12. Die Linse 12 fokussiert den Anregungsstrahl 41 auf die Bildebene, um die Fluoreszenzemission anzuregen. Die resultierende Emission wird im Allgemeinen durch den weiten Sammelwinkel der Linse 12 gesammelt und dann kollimiert. Die Fluoreszenzemission 33 wird dann vorzugsweise durch die Spektralzerlegungsvorrichtung 40, die die Fluoreszenzemission 33 vom Anregungsstrahl 41 trennt, aus dem Abtastkopf 22 heraus gerichtet. Ein Reflektor 15 ist im Weg der Fluoreszenzemission 33, vorzugsweise in einem Winkel von ungefähr 45°, angeordnet und dient zum Ablenken der Fluoreszenzemission 33 auf die Linse 17 zur Erfassung wie beim ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Hin- und Herbewegung des Abtastkopfs 22 durch das lineare Stellglied 23 bewirkt eine Abtastung in einer Achse und die Probe kann in einer anderen Achse parallel verschoben werden, wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die Fluoreszenzemission 33 wird folglich entlang der Bewegungsachse des Abtastkopfs übertragen.
Innerhalb der optischen Anordnung können die Strahlfleckgröße und -form durch die Verwendung von speziellen Strahlaufweitungsvorrichtungen und Linsen verändert werden. Die Tiefenschärfe des Anregungsstrahls hängt von der Strahlfleckgröße und den Fokussierungseigenschaften der Linse 12 ab. Die Abtastung kann bei der vorliegenden Erfindung in einem konfokalen oder nicht-konfokalen Format stattfinden. Außerdem kann die Fluoreszenzerfassung auf eine Weise stattfinden, die kein Zurückverfolgen der Fluoreszenzemission entlang im Wesentlichen desselben optischen Weges, wie vom Anregungsstrahl genommen, erfordert.
Obwohl Strahlwege, die zur Bildebene parallel und senkrecht sind, der Einfachheit halber dargestellt wurden, können die Positionen der optischen Komponenten und der Bildebene in Abhängigkeit von der Anwendung geändert werden. Die Richtung, aus der der Anregungsstrahl 30 auf den Reflektor 13 auftrifft, und die Orientierungen des Reflektors 13 und der Linse 12 innerhalb des Abtastkopfs 22 können beispielsweise geändert werden. Die Bildebene 10 kann auch so verschoben werden, dass sie zur Richtung der geradlinigen Bewegung des Abtastkopfs 22 nicht mehr parallel ist oder dass sie den Anregungsstrahl 30 in allen Abtastpunkten aus einer anderen als senkrechten Richtung empfängt. Solange der Reflektor 13 den Anregungsstrahl 30 in einem konstanten Winkel empfängt und die Abtastkopfkomponenten so orientiert wurden, dass er auf eine in einer Bildebene angeordnete Probe auftrifft, dann bewirkt die geradlinige Hin- und Herbewegung des Abtastkopfs in bestimmten Richtungen eine Abtastung der Probe.
Innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche 1 und 12 können die Gesamtpositionen der Komponenten des Fluoreszenzabtasters der vorliegenden Erfindung auch verschoben werden. Eine Probe kann beispielsweise in einer vertikalen Bildebene montiert werden, der feste Bereich 24 kann entlang einer horizontalen optischen Basisplatte angeordnet werden und der in 1 dargestellte Hin- und Herbewegungsmechanismus kann an der Basisplatte über einen starren Halter montiert werden, so dass das lineare Stellglied 23 bewirkt, dass sich der Abtastkopf 22 vertikal bewegt. Dies ist die bevorzugte Anordnung zum Abtasten von Proben wie z.B. vertikalen Elektrophoresegelen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann sich der Abtastkopf 22 auf eine kontinuierliche Weise hin- und herbewegen und der Laserabtaster kann für eine einfache Erfassung von Fluoreszenzemission arbeiten. Der Abtastkopf 22 beschleunigt und erreicht eine optimale Abtastgeschwindigkeit beispielsweise in einer bekannten Position entlang der Führung 27. In 1 arbeiten ein Sensor 38, der an der Führung 27 angeordnet ist, und ein Kennzeichen 39, das am Abtastkopf 22 befestigt ist, zusammen, um den bekannten Bezugspunkt der optimalen Abtastgeschwindigkeit zu markieren. Die Anregung und das Lesen von Fluoreszenz finden dann für einen Zeitraum entlang der Länge einer Abtastlinie statt, wonach sich der Abtastkopf verlangsamt und eine neue abzutastende Probe oder Linie innerhalb der Abtastlinie des Anregungsstrahls 30 innerhalb der Bildebene 10 z.B. über Verschiebung der Probe in der Richtung 29 von 3B angeordnet werden kann. Aufeinander folgende, eng beabstandete Abtastungen decken nacheinander zwei Dimensionen in der Bildebene 10 ab. Alternativ kann der Laserabtaster mit einem Bildverarbeitungsmittel in Verbindung stehen, wodurch der Abtastmechanismus Fluoreszenzinformationen von der Probe auf eine ortsspezifische Weise sammelt, wie durch Ermittlung der Fluoreszenzintensität in Pixeln, die die Strahlfleckgröße annähern. Diese Informationen können dann verarbeitet werden, z.B. um eine Anzeige der Fluoreszenzstellen zu erzeugen. Die Hin- und Herbewegung des Abtastkopfs 22 auf eine kontinuierliche, schwingende oder schrittweise Art wird erwartet.
Der Abtastkopf 22 und das vorzugsweise lineare Stellglied 23 der vorliegenden Erfindung arbeiten vorzugsweise in einer Betriebsart in offener Schleife für die Datenerfassung zur Bildverarbeitung. Ein Befehlsmodul kann beispielsweise am linearen Stellglied 23 angebracht sein, das den Abtastkopf 22 in einer Richtung, wie in der Richtung 20a von 3A, zu einer festgelegten Fleckstelle, d.h. einer Adresse, aussendet, dann den Abtastkopf 22 stoppt und ihn in der Richtung 20b von 3B zurücksendet. Eine Betriebsart in geschlossener Schleife kann auch in Abhängigkeit von der erforderlichen Genauigkeit verwendet werden. Das Stellglied kann vom linearen Typ sein, der in Leseköpfen für optische Platten verwendet wird, außer dass der Kopf vielmehr an den entgegengesetzten Enden abgestützt sein kann, als freitragend oder nur an einem Ende anderweitig abgestützt zu sein. Die Suchzeit für einen einzelnen Fleck liegt vorzugsweise unter 500 Millisekunden und bevorzugter unter 50 Millisekunden.
Die einfache, leichtgewichtige Konstruktion und hohe Abtastgeschwindigkeit der vorliegenden Erfindung stellen einen signifikanten Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik dar. Der Abtastkopf 22 ist der einzige Teil der optischen Anordnung, der sich während der Abtastung bewegt. Die Lichtstrahlquelle, der Derektor und die verschiedenen Filter, Linsen und Reflektoren liegen in einer festen Position, vom Abtastkopf 22 entfernt. Das Gewicht des Abtastkopfs 22 liegt vorzugsweise unter fünfhundert Gramm. Die Verwendung einer Miniaturlinse 12 und eines Miniaturreflektors 13 trägt weiter zum leichten Gewicht und folglich zur schnellen Abtastgeschwindigkeit bei. Das lineare Stellglied 23 ist dazu ausgelegt, im Bereich von 3 bis 25 Hz zu arbeiten und eine Abtastgeschwindigkeit von ungefähr 254 cm (100 Inch) pro Sekunde mit aktuellen linearen Stellgliedern bereitzustellen. Beispiele von linearen Stellgliedern, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, umfassen Schwingspulen, Nocken, Riemen, Kurbeln oder Leitspindeln, die mit einem Motor verbunden sind, um den Abtastkopf 22 vorzugsweise in der durch den Pfeil 20 dargestellten Achse hin und her zu bewegen. Diese linearen Stellglieder sind vorzugsweise in der Geschwindigkeit, Genauigkeit und Bewahrung der Strahleigenschaften ähnlich zu den in Leseköpfen für optische Platten verwendeten.
Die Konfiguration der vorliegenden Erfindung auf der Achse besitzt auch den Vorteil, dass sichergestellt wird, dass das Anregungslicht auf die Probe im gleichen Winkel für alle Punkte der Probe in der Bildebene 10 auftrifft. Dies ist bei Galvanometer-Abtastern, polygonalen Spiegeln oder Rastersystemen nicht der Fall. Die vorliegende Konfiguration ermöglicht die Verwendung von weniger teuren Linsen und beseitigt Aberrationen, die mit kissenförmigen Verzerrungen, einer Feldkrümmung und Beugungsbegrenzungslinsen verbunden sind.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um die Fluoreszenz von Proben innerhalb Gelen, Objektträgern, Schalen, Kapillarröhrchen, Mikrotiterplatten, Küvetten oder anderen Formaten, bei denen eine schnelle Abtastung mit hoher Auflösung erforderlich ist, zu erfassen. Obwohl ein Hochgeschwindigkeits-Mikroabtaster genauer beschrieben wurde, kann die vorliegende Erfindung so ausgelegt werden, dass sie an größeren Proben arbeitet. Mit der optischen Konfiguration der vorliegenden Erfindung und unbedeutenden Anpassungen an Größen und Geschwindigkeiten der verschiedenen Komponenten ist die Fluoreszenzabtastung von Proben in einer breiten Vielfalt von Formaten möglich.
Eine einfache Anpassung an die vorliegende Erfindung kann auch durchgeführt werden, um die Fluoreszenzerfassung in der Z-Richtung oder in der Tiefe durch die Probe zu ermöglichen. Dies kann z.B. durch Verschieben des Probentischs zu Ebenen, die zur Bildebene 10 parallel sind, oder durch Hinzufügen einer Bewegung des oder innerhalb des Abtastkopfs 22, um ein Anheben oder Absenken des Strahlflecks durch die Probe zu bewirken, bewerkstelligt werden.

Claims

Optische Abtastanordnung, die dazu ausgelegt ist, einen Strahl in gleichen Winkeln auf eine Vielzahl von Stellen auf einer Probe in einer Bildebene (10) zu richten, aufweisend: ein Mittel (11, 8), das dazu ausgelegt ist, einen kollimierten Anregungsstrahl (30) von Licht mit einer ersten Spektralcharakteristik zu erzeugen; einen Abtastkopf (22) mit (i) einem Reflektor (13), der so angeordnet ist, dass er den Anregungsstrahl (30) in einem konstanten Winkel empfängt und den Anregungsstrahl ablenkt, und (ii) einer Linse (12), die so angeordnet ist, dass sie den vom Reflektor (13) abgelenkten Anregungsstrahl (30) abfängt, und so ausgelegt ist, dass sie den Anregungsstrahl auf eine Stelle auf der Probe in der Bildebene (10) fokussiert, um eine Fluoreszenzemission (33) mit einer zweiten Spektralcharakteristik von der Probe hervorzurufen, und wobei die Linse (12) ferner dazu ausgelegt ist, die Fluoreszenzemission von der Probe zu sammeln und die Fluoreszenzemission (33) zum Reflektor (13) zu richten, und eine Spektralzerlegungsvorrichtung (16), die dazu ausgelegt ist, die Spektralcharakteristiken der Fluoreszenzemission (33) von den Spektralcharakteristiken des Anregungsstrahls (30) zu trennen; gekennzeichnet durch ein Stellgliedmittel (23, 27, 35), das dazu ausgelegt ist, den Abtastkopf (22) in einer linearen Richtung (20) parallel zur Bildebene (10) hin und her zu bewegen, wobei der Anregungsstrahl (30) auf die Probe innerhalb der Bildebene (10) in einer Abtastlinie auftrifft; wobei in der Abtastanordnung das Mittel (11, 8), das dazu ausgelegt ist, den kollimierten Strahl zu erzeugen, und die Spektralzerlegungsvorrichtung (16) in einem festen Bereich (24) angeordnet sind und der kollimierte Strahl vom festen Bereich (24) zum Reflektor (13) im beweglichen Abtastkopf (22) auf einer Linie geleitet wird, die zur linearen Richtung (20) parallel ist; und wobei sich die Fluoreszenzemission (33) vom Reflektor (13) zum festen Bereich (24) auf einer Linie bewegt, die zur linearen Richtung (20) parallel ist.
Abtastanordnung nach Anspruch 1, wobei der Reflektor (13) den Anregungsstrahl (30) von einer zur linearen Richtung (20) parallelen Richtung empfängt.
Abtastanordnung nach Anspruch 2, wobei der Reflektor (13) in einem 45°-Winkel zur Bildebene (10) ausgerichtet ist und die Linse (12) so angeordnet ist, dass ihre optische Achse zur Bildebene senkrecht ist, wobei der Anregungsstrahl (30) auf die Probe innerhalb der Bildebene (10) an allen Punkten in der Abtastlinie aus einer senkrechten Richtung auftrifft.
Abtastanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Stellgliedmittel (23, 27, 35) durch eine Abtastgeschwindigkeit von bis zu 254 cm pro Sekunde gekennzeichnet ist.
Abtastanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Stellgliedmittel (23, 27, 35) einen Motor und eine Welle (35) aufweist, die mit dem Abtastkopf (22) mechanisch gekoppelt ist, wobei die Welle vom Motor axial angetrieben wird.
Abtastanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche ferner ein Mittel aufweist, das dazu ausgelegt ist, die Probe in der Bildebene (10) in einer zur linearen Richtung (20) senkrechten Richtung (31) parallel zu verschieben, so dass aufeinander folgende Abtastungen des Anregungsstrahls (30) nacheinander zwei Dimensionen in der Bildebene abdecken.
Abtastanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche ferner ein elektrophoretisches Mittel aufweist, das dazu ausgelegt ist, die Probe in einer zur linearen Richtung (20) senkrechten Richtung (31) zu bewegen.
Abtastanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Stellgliedmittel (23, 27, 35) ein lineares Stellglied aufweist.
Abtastanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mittel (11, 8), das dazu ausgelegt ist, einen kollimierten Anregungsstrahl (30) zu erzeugen, aufweist einen Laser (11), der dazu ausgelegt ist, einen Anregungsstrahl zu emittieren, und eine Kollimationslinse (8), die im weg des Anregungsstrahls angeordnet ist.
Abtastanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche ferner aufweist: eine zweite Linse (17), die nahe der Spektralzerlegungsvorrichtung (16) angeordnet und dazu ausgelegt ist, die Fluoreszenzemission (33) zu fokussieren, die vom Anregungsstrahl durch die Spektralzerlegungsvorrichtung getrennt wurde, und einen Lichtdetektor (19), der auf die Fluoreszenzemission anspricht.
Abtastanordnung nach Anspruch 10, welche ferner ein Raumfilter (18) aufweist, das zwischen der zweiten Linse (17) und dem Lichtdetektor (19) angeordnet ist und eine Lochblende aufweist, wobei die Lochblende angeordnet ist, um die Fluoreszenzemission abzufangen und einen Teil von dieser einzulassen.
Optischer Abtaster, der dazu ausgelegt ist, einen Strahl in gleichen Winkeln auf eine Vielzahl von Stellen auf einer Probe in einer Bildebene (10) zu richten, aufweisend: einen Abtastkopf (22) mit einem Miniatur-Lichtquellenmittel (43), das dazu ausgelegt ist, einen Anregungsstrahl (41) von Licht mit einer ersten Spektralcharakteristik zu erzeugen, einer Linse (12), die so angeordnet ist, dass sie den Anregungsstrahl (41) abfängt und den Anregungsstrahl auf eine Stelle auf der Probe in der Bildebene (10) fokussiert, um eine Fluoreszenzemission (33) mit einer zweiten Spektralcharakteristik von der Probe hervorzurufen und um die Fluoreszenzemission von der Probe zu sammeln, und einer Spektralzerlegungsvorrichtung (40), die dazu ausgelegt ist, die Spektralcharakteristiken der Fluoreszenzemission (33) von den Spektralcharakteristiken der Anregung zu trennen; und einen Lichtdetektor (19), der auf die Fluoreszenzemission (33) anspricht; gekennzeichnet durch ein Stellgliedmittel (23, 27, 35), das dazu ausgelegt ist, den Abtastkopf (22) in einer linearen Richtung (20) parallel zur Bildebene (10) hin und her zu bewegen, wobei der Anregungsstrahl (41) auf die Probe innerhalb der Bildebene (10) in einer Abtastlinie auftrifft; wobei der Abtastkopf (22) ferner ein Mittel (40) aufweist, das dazu ausgelegt ist, die Fluoreszenzemission (33) aus dem Abtastkopf (22) zu richten; wobei die Fluoreszenzemission (33) durch die Linse (12) zu einem kollimierten Strahl geformt wird und das Richtmittel (40) den kollimierten Strahl in einer zur linearen Richtung (20) parallelen Richtung leitet; wobei der Lichtdetektor (19) in einer festen Position am optischen Abtaster angeordnet ist.
Abtaster nach Anspruch 12, wobei das Richtmittel (40) und die Spektralzerlegungsvorrichtung (40) ein einzelner dichroitischer Strahlteiler sind, wobei der dichroitische Strahlteiler zwischen der Linse (12) und dem Mittel (43), das dazu ausgelegt ist, einen Anregungsstrahl (41) zu erzeugen, angeordnet ist.
Abtaster nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Mittel (43), das dazu ausgelegt ist, einen Anregungsstrahl zu erzeugen, eine Lichtquelle ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Laserdiode, einer LED, einer Halogenlampe und einer Xenonlampe besteht.
Abtaster nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei das Stellgliedmittel (23, 27, 35) durch eine Abtastgeschwindigkeit von bis zu 254 cm pro Sekunde gekennzeichnet ist.
Abtaster nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Stellgliedmittel (23, 27, 35) einen Motor und eine Welle aufweist, die mit dem Abtastkopf (22) mechanisch gekoppelt ist, wobei die Welle durch den Motor axial angetrieben wird.
Abtaster nach einem der Ansprüche 12 bis 16, welcher ferner aufweist ein Mittel, das dazu ausgelegt ist, die Probe in der Bildebene (10) in einer zur linearen Richtung (20) senkrechten Richtung parallel zu verschieben, so dass aufeinander folgende Abtastungen des Anregungsstrahls nacheinander zwei Dimensionen in der Bildebene abdecken.
Abtaster nach einem der Ansprüche 12 bis 16, welcher ferner ein elektrophoretisches Mittel aufweist, das dazu ausgelegt ist, die Probe in einer zur linearen Richtung (20) senkrechten Richtung zu bewegen.
Abtaster nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei das Stellgliedmittel ein lineares Stellglied aufweist.
Abtaster nach einem der Ansprüche 12 bis 19, welcher ferner aufweist eine zweite Linse (17), die im Weg der Fluoreszenzemission (33) zwischen dem Abtastkopf (22) und dem Lichtdetektor (19) angeordnet und dazu ausgelegt ist, die Fluoreszenzemission in Richtung des Lichtdetektors zu fokussieren.
Abtaster nach Anspruch 20, welcher ferner aufweist ein Raumfilter (18), das zwischen der zweiten Linse (17) und dem Lichtdetektor (19) angeordnet ist und eine Lochblende aufweist, wobei die Lochblende so angeordnet ist, dass sie die Fluoreszenzemission abfängt und einen Teil von dieser einlässt.