用于芯片实验室诊断的集成波导激光器
专利汇可以提供用于芯片实验室诊断的集成波导激光器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种用于对样品中的目标物质进行检测的检测设备。该设备包括衬底(1)，在所述衬底(1)内或在所述衬底(1)上具有至少一个平面 波导 激光器 (2)，所述波导激光器(2)具有用于上转换或下转换的增益介质(5)。所述波导激光器(2)的顶层(3)形成所述衬底(1)表面的至少一部分并允许在 接触 所述表面的样品中形成迅衰波。在所述顶层(3)上施加一种结构以在所述顶层(3)上限定探测器区域(4)阵列，所述探测器区域(4)包括用于检测待检测目标物质的探测器材料涂层。本检测设备允许以高度集成设计对目标物质进行并行检测。，下面是用于芯片实验室诊断的集成波导激光器专利的具体信息内容。
1.用于对样品中的目标物质进行检测的检测设备，所述设备包括：衬底(1)， 在所述衬底(1)内或在所述衬底(1)上具有至少一个平面波导激光器(2)， 所述波导激光器(2)具有用于上转换或下转换的增益介质(5)，其中所述波导 激光器(2)的顶层(3)形成所述衬底(1)表面的至少一部分并允许在接触所 述表面的样品中形成迅衰波，其中在所述顶层(3)上施加一种结构以在所述顶 层(3)上限定探测器区域(4)阵列，所述探测器区域(4)包括用于检测待检 测目标物质的探测器材料涂层。
2.如权利要求1所述的检测设备，其特征在于：所述增益介质(5)被嵌 入在折射率低于增益介质(5)的材料中，其中所述顶层(3)由所述材料形成 且在探测器区域(4)中的厚度小于或等于波导激光器(2)的激光波长。
3.如权利要求1或2所述的检测设备，其特征在于：所述增益介质(5) 为稀土掺杂材料。
4.如权利要求1或2所述的检测设备，其特征在于：所述波导激光器(2) 包括两个端镜(6)，它们对于所述波导激光器的波长都具有高反射率，并因此 形成共振器，其中所述端镜(6)之一至少部分透过泵浦激光器(7)的辐射。
5.如权利要求4所述的检测设备，其特征在于：端镜(6)形成在所述衬 底(1)的侧面上。
6.如权利要求4或5所述的检测设备，其特征在：端镜(6)由电介质 涂层形成。
7.如权利要求6所述的检测设备，其特征在于：至少两个波导激光器(2) 包括不同电介质涂层的端镜(6)和/或包括导致该至少两个波导激光器(2)的 不同激光波长的不同增益介质。
8.如权利要求1或2所述的检测设备，其特征在于：设计至少两个波导激 光器(2)，使得该至少两个波导激光器(2)中的一个产生的激光波长不同于该 至少两个波导激光器(2)中的另一个的激光波长。
9.如权利要求1至8中任一项所述的检测设备，其特征在于：几个波导激 光器(2)平行地设置在所述衬底(1)上或在所述衬底(1)内。
10.如权利要求1至9中任一项所述的检测设备，其特征在于：一个或几 个泵浦激光器(7)被设置在承载元件(9)上，其中固定和/或定位装置(10) 被设置在所述承载元件(9)上，用于以正确的位置和对准关系在所述承载元件 (9)上装配所述衬底(1)。
11.如权利要求10所述的检测设备，其特征在于：通过与所述固定和/或 定位装置(10)连接的反馈电路(11，12)，所述固定和/或定位装置(10)允许 将所述衬底(1)主动地对准在所述承载元件(9)上。
12.如权利要求11所述的检测设备，其特征在于：所述反馈电路(11，12) 包括用于对所述波导激光器(2)的激光或施加在所述衬底(1)上的样品的荧 光进行检测的光电检测器(12)，以及驱动所述固定和/或定位装置(10)直至所 述光电检测器(12)检测到所述激光或荧光的最大强度的控制电路(11)。
13.如权利要求10至12中任一项所述的检测设备，其特征在于：所述一 个或几个泵浦激光器(7)为半导体激光器或半导体激光棒。
14.如权利要求1至13中任一项所述的检测设备，其特征在于：所述顶层 (3)被构造成提高耦合到所述样品中的所述波导激光器(2)的激光量。
15.如权利要求1至14中任一项所述的检测设备，其特征在于：不同的探 测器区域(4)或所述不同探测器区域(4)的至少一些涂覆有不同的探测器材 料。
16.使用根据权利要求1至15中任一项所述的检测设备的诊断仪器。
技术领域
本发明涉及一种用于借助于在所述样品中形成的迅衰波对所述样品中的目 标物质进行检测的检测设备。
背景技术
在生物医学应用中，微阵列允许并行地对许多特性进行非常小样品量的研 究。在实验上，这种微阵列包括设置在衬底上的不同探测器。包含一个或几个 目标物质的样品被施加在微阵列上，在那里可与不同的探测器进行反应。在为 本发明的检测设备的优选应用的荧光分析中，目标物质或探测器用荧光进行标 记。根据是否与不同探测器发生了反应，相应的探测器将发出荧光或不发出荧 光。已知几种用于微阵列读出的技术。本发明涉及一种利用激光诱导荧光的光 学读出技术。在这种情况下，用激光照射微阵列并对来自每个探测器的荧光信 号进行检测。
例如可以从EP0 677 734 A2中了解到一种用于利用这种荧光检测对样品中 的目标物质进行检测的仪器。这种仪器包括光源和光学共振器，该光学共振器 包括用于由光源产生的光的共振腔。内全反射构件位于共振腔内以提供具有大 于临界角的入射角的全内发射表面。该表面包括将样品放置其中的迅衰场区域。 迅衰场激发样品中的荧光，然后这可通过合适的光学检测器来检测该荧光。内 反射构件可以是诸如棱镜、波导或光纤的无源设备，或是诸如掺杂光纤的有源 增益元件。在该文献的其中一个实施例中，共振器包括作为增益介质的光纤激 光器，其中通过去除一部分典型包围光纤的包层来形成内全反射表面。在这种 情况下，样品不得不被直接施加在已经将包层去除的光纤区域上。
发明内容
该目的通过根据权利要求1的检测设备来实现。该检测设备的有利实施例 为从属权利要求的主题或在随后的描述中被公开。
所提出的检测设备包括衬底，在所述衬底内或在所述衬底上具有至少一个 平面波导激光器，所述波导激光器具有用于上转换或下转换的增益介质。所述 波导激光器的顶层形成所述衬底表面的至少一部分，并允许迅衰波形成于接触 所述表面的样品中。在所述顶层上施加一种结构以限定在所述顶层上的探测器 区域阵列，所述探测器区域包括用于对待检测的目标物质进行检测的探测器材 料涂层。
在本发明中，用于激发荧光的激光器设置为限定阵列或微阵列的衬底内或 衬底上的平面波导激光器，而不使用现有技术中的独立波导或纤维。这意味着 在所提出的检测设备的衬底中，一个或几个平面波导激光器被合并在探测器区 域阵列下面用于对一个或几个样品中的不同目标物质进行并行检测。该一个或 几个波导激光器中的激光辐射激发带有荧光标记的样品中的荧光标记，其中这 些样品通过从波导中泄漏出来的迅衰电磁波与衬底表面上的探测器区域接触。 在目标物质前发出的荧光可以以已知的方式进行检测，例如借助于监视衬底表 面的CCD相机。由于几个探测器区域的限定方式和平面波导激光器的集成方 式，可以实现高度集成。所提出的检测设备的另一个优点在于激光腔内的高光 子密度导致更高密度的迅衰波以激发荧光。
用于波导激光器的增益介质优选为稀上掺杂材料。合适的掺杂物可以是例 如Er、Yb、Tm、Ho、Sm、Pr、Dy、Nd、Pm、Eu、Gd或Tb。用于掺杂的合 适基质材料包括例如ZBLAN这样的重金属氟化物玻璃，例如碲酸盐玻璃这样 的重金属氧化物玻璃，或例如LiLuF、YAG、YLF或YVO这样的晶体基质。
这种波导激光器的增益介质被嵌入其折射率低于增益介质的材料中。在本 检测设备中，所述材料所形成的顶层至少在探测器区域中具有小于或等于波导 激光器的激光波长的厚度以允许在样品中形成迅衰波。这意味着波导激光器的 顶层在波导激光器的整个长度上、或在替换实施例里仅在限定的探测器区域中 具有这样小的厚度。然而波导激光器还能够仅嵌在所述低折射率材料的两个或 三个侧面上、或附连在具有这种低折射率的衬底上的一个侧面上以使得增益介 质的上侧形成顶层。在这种情况下，迅衰波在所述样品中具有最大的穿透深度。
所提出的检测设备的波导激光器在波导的端面上具有两个端镜，所述端镜 优选地形成在所述衬底的侧表面上。两个端镜对所述波导激光器的波长都是高 度反射的，优选地具有R≥99.9％的反射率一个或几个泵浦激光器的泵浦光优 选地从波导激光器的一个端侧耦合到增益介质。该泵浦激光器优选为半导体激 光器，或在几个平行波导激光器的情况下为半导体激光棒。
在另一个优选实施例中，端镜由电介质涂层形成，其中在泵浦激光器的进 入耦合侧上的一个端镜对于泵浦激光器的波长具有高透射率，对波导激光器的 波长具有高反射率，优选地R≥99.9％。另一侧的端镜应当对于波导激光器的波 长也具有高反射率，且优选地对于泵浦激光器的波长也具有高反射率。激光器 技术领域的普通技术人员熟悉满是上述要求的不同电介质涂层。通过这种设计， 可以实现波导激光器的激光腔内部的高光子密度。理论上，共振器的唯一损耗 是由迅衰波引起的，因此提高了耦合到样品中的光量。波导激光器的增益介质 可以是基于上转换或下转换材料的，这取决于所使用的泵浦激光器的波长和激 发目标物质的荧光所要求的波长。
在本检测设备的一个实施例中，该一个或几个泵浦激光器被设置在装配于 承载盘上的散热器上。固定和/或定位装置被设置在该承载盘上，用于将所述衬 底装配在所述承载盘上相对于泵浦激光器的一个预定位置上。该固定和/或定位 装置也可被设计成对衬底相对泵浦激光器的对准进行调节。在这种情况下，这 些调节装置为例如与反馈环连接以使衬底与泵浦激光器正确对准的压电式换能 器。反馈环可被设计成例如检测由波导激光器的一个端镜发出的波导激光器激 光，其中驱动压电式换能器以获得被检测激光的最大强度。另一种可能性是检 测所施加的样品的荧光，在这种情况下也对衬底进行调节以获得最大的荧光强 度。在具有波导激光器的衬底不得不被更换以及该衬底是一次性的情况下，这 种反馈环是特别有利的。
在所提出的检测设备的另一个优选实施例中，优选地以平行方式将几个波 导激光器设置在所述衬底内或在所述衬底上。这些波导激光器中的至少两个包 括不同电介质涂层作为端镜，导致波导激光器的不同激光波长。以同样的方式， 可在所提出的检测设备中设有两个以上的发射不同波长的波导激光器。这允许 使用不同的带有荧光标记的目标，以将本检测设备的应用扩展为可对所施加样 品的更多特性进行并行检测。
在本检测设备的另一个实施例中，额外地对波导激光器的顶层进行构造以 提高耦合到样品中的激光的强度。例如可通过将散射粒子嵌入顶层、或通过在 上表面中形成散射结构或微棱镜来完成这种构造。在LCD背光领域中，有几种 这样的技术是为人们所公知的。在该实施例中，波导激光器的附加光被偏转、 衍射或散射出该激光腔。
用于所提出的检测设备中的波导激光器的尺寸优选地要适合泵浦激光二极 管的尺寸。典型的尺寸如下：波导高度为1至10μm，宽度为5至200μm且 长度为1至10cm。
在本说明书中公开的不同实施例能够以任何一种合理方式结合在一起，这 对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。在本说明书和权利要求书中，措 辞“包括”并不排除其它元件或步骤，且“一”或者“一个”也不排除多数。 权利要求中的任何附图标记也将不构成对这些权利要求范围的限制。
附图说明
图1是所提出衬底连同承载盘上的泵浦激光器的示意性侧视图；
图2是本检测设备的衬底的另一个示意图；和
图3是图2的衬底的示意图，其中示出了不同的探测器区域。
具体实施方式
探测器材料可以是能够结合目标物质的任何材料。典型的材料包括例如核 酸、DNA和蛋白质的接合剂。
在图1的实例中，波导激光器2的端镜6被施加在衬底1的侧面。在诸如 图1中那样的芯片实验室设置中，包含探测器微阵列的衬底1可以是一次性的。 在这种情况下，在对微阵列衬底1进行更换时，必须采用装置来使衬底1相对 泵浦激光二极管7对准。这些装置可以是允许相对泵浦激光二极管7对衬底进 行非常精确的定位和固定的简易固定和定位销。在本实例中，调节装置10设置 在承载盘9上，该装置一方面相对泵浦激光器7精确限定衬底1的横向位置， 另一方面允许对衬底1的垂直位置进行调节以使波导激光器2与泵浦激光二极 管7精确对准。为达该目的，调节装置10可以由压电式换能器组套形成，从而 通过将电压施加在组套上允许衬底1进行垂直运动。通过包括光电检测器12以 及连接到调节装置10和光电检测器12的控制电路11的反馈环对调节进行控制。 通过光电检测器12来监视在右手侧端镜6上发射的波导激光器2的激光。控制 电路11驱动调节装置10以使所述光电检测器12检测到最大强度。在获得最大 强度时，衬底1最理想地与泵浦激光二极管7对准。
波导尺寸优选地适合泵浦激光二极管7的尺寸。典型的尺寸在图2的实例 中示出，其中图2示出了衬底1，在所述衬底1上平行地设有6个波导激光器2。 这些波导激光器2可以由可设置在激光二极管棒中的几个二极管激光器来泵浦。 为了形成这些波导，该实例中的稀土掺杂增益介质5被嵌入具有较低折射率的 材料中。为了有效形成迅衰波，该封闭材料的顶层3应具有不超过波导激光的 波长的小厚度。
通过将不同的电介质涂层用于至少两个不同的波导激光器，这些波导激光 器可以具有不同的颜色。图2中用不同阴影线指示同一衬底1上的具有不同激 光波长的波导激光器2。这些波导激光器2中的每两个提供相同的波长。
在一个实例中，波导激光器2包括由970nm左右的红外二极管泵浦的铒掺 杂ZBLAN波导层(增益介质5)。波导激光器2的发射波长约为544nm。该波 导层放置在MgF2衬底上，且被作为顶层的、约为100nm厚的MgF2薄层覆盖。
为了提供具有不同发射波长的波导激光器以允许使用不同的带有荧光标记 的目标，可以使用例如由Pr/Yb掺杂的ZBLAN增益材料制成的波导激光器。在 该材料系统中，可以通过选择在不同波长上具有最大反射率的合适电介质涂层 作为共振腔反射镜，来实现具有不同波长的激光器。
图3示出了这样一种衬底1，其中在衬底1表面上具有波长不同的具有结 构化探测器区域4的波导激光器2。该检测设备提供具有用于检测样品中的不同 目标物质的不同探测器的探测器区域4阵列。发射不同波长的波导激光器2的 探测器区域4提高了针对不同目标物质对样品进行并行测试的可能性。
衬底上的波导激光器的配置并不限于上述实例，这对于本领域普通技术人 员来说是显而易见的。波导激光器也可以被设成另一种配置，而不是平行配置。 此外，一个或几个波导激光器可以不是以直线方式延伸，而是以曲线方式延伸， 例如以正弦方式延伸。
使用本检测设备，可以获得一种用于并行测试的高度集成设计以及用于激 发荧光的高光子密度。该检测设备特别有利于用在诊断应用中，例如用在生物 统计诊断中 。然而，还能够将本检测设备用于其他应用中，其中必须用激光激 发样品中的目标物质以对目标物质进行检测。
附图标记列表：
1衬底
2波导激光器
3顶层
4探测器区域
5增益介质
6共振腔反射镜
7泵浦激光二极管
8散热器
9承载盘
10调节装置
11控制电路
光电检测器
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