具有漸逝波導和集成傳感器的生物傳感器的製作方法

2023-12-10 00:32:56

專利名稱：具有漸逝波導和集成傳感器的生物傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及基於漸逝場的傳感器系統。更具體來說，本發明涉及具有漸逝波導和集成檢測器的傳感器系統，其用作檢測生物分子的化學或生物傳感器。

背景技術：
漸逝發光激發在分析領域內有很重要的意義，這是因為激發被限于波導層的直接環境。特別地，由於其特有的靈敏性，漸逝場激發的螢光是用於生物傳感器的一種非常重要的技術。
檢測利用漸逝波激發的結合螢光分子的一個重要的優點在於，可以在水相反應溶液外部檢測到所發射的螢光。大多數複雜的生物溶液都包含會與螢光發射發生幹擾的分子。這意味著當螢光分子受到激發時其發射光子，光子常常被位於發射點與檢測器之間的水懸浮液中的周圍生物碎屑或材料所捕獲或吸收，而不是作為特定結合反應的信號被檢測到。同樣地，光還可能激發水懸浮液中的分子，並且發射出與表面處的特定結合不相關的輻射。這種貢獻常常被稱作背景輻射或噪聲輻射，並且已經與發射光子以便在檢測之前穿過複雜生物基質的傳統化驗配置相關聯。
在最簡單的情況下，波導生物傳感器通常包括3層系統，第一固體基板、無機導波層以及包括用於化驗的樣品的第二固體基板，其中無機導波層被夾在第一和第二固體基板之間。在US 2002/0110839 A1中公開了波導生物傳感器的一個例子，其被合併在此以作參考。
在US 2002/0110839 A1中所公開的漸逝場波導生物傳感器使用一種反應矩陣系統，其包括能夠導向和引導光的波導並且在所述波導的表面上具有包覆層，該包覆層具有至少一個納米阱形式的耗盡區域，其中可以通過在所述波導中引導的光的漸逝波來照射置於所述耗盡區域內的物質。這種納米阱微陣列包覆層的製造需要更為複雜並且更為精確的工藝。此外，非常小的納米阱需要把結合分子更為精確並且還要更為複雜地定位在所有阱內，從而導致另外的缺陷。此外，所述現有技術的漸逝場波導生物傳感器沒有夾在波導層與傳感器之間的集成濾光器。
因此，本發明的一個目的是提供一種適於用作檢測生物分子的化學或生物傳感器的基於漸逝場的光學波導傳感器，其對於由目標物質生成的發光輻射的檢測精度更高，可以容易地生產並且具有較低的垂直製造範圍。


發明內容
上述目的是通過提供一種基於漸逝場的波導傳感器而實現的，所述波導傳感器包括 波導層； 被施加在所述波導層的上表面上的捕獲化合物，其用於特別結合到目標物質； 被相接觸地設置在所述波導層的下表面上的包覆層； 透射發光輻射同時吸收和/或反射激發輻射的輻射的濾光器，其中濾光器被設置在所述包覆層的下表面的下方； 至少一個用於感測發光輻射的檢測器，其中檢測器被設置在所述濾光器的下表面的下方；以及 與檢測器相連接的基板，其包括所述檢測器的電接口。
可能優選的是波導傳感器包括集成在其中的激發光源，比如雷射器、LED、OLED和/或PLED。此外，波導傳感器可以包括集成在其中的光學透鏡，比如射束成形器透鏡和/或稜鏡。
根據本發明，最為優選的是基於漸逝場的波導傳感器，其中至少一個濾光器和至少一個檢測器被集成在漸逝場感應的傳感器/傳感器系統中，從而在所述包覆層、(多個)濾光器和(多個)檢測器的光學接觸之間沒有空氣間隔。這樣就提高了漸逝場感應的波導傳感器和波導傳感器系統的靈敏度，這是因為其避免了所發射的輻射在波導、包覆層和檢測器之間的空氣界面處的反射，所述反射對於發光輻射的檢測靈敏度有負面影響。
本發明的另一個目的是針對一種漸逝場感應的傳感器系統，其包括外殼和集成的波導傳感器，所述波導傳感器包括 波導層； 被施加在所述波導層的上表面上的捕獲化合物，其用於特別結合到目標物質； 被相接觸地設置在所述波導層的下表面上的包覆層； 透射發光輻射同時吸收和/或反射激發輻射的輻射的濾光器，其中濾光器被設置在所述包覆層的下表面的下方； 至少一個用於感測發光輻射的檢測器，其中檢測器被設置在所述濾光器的下表面的下方； 與檢測器相連接的基板，其包括所述檢測器的電接口，其中 在波導層的上表面與外殼的下表面部分之間並且至少沿著外殼的下表面部分形成用於接收流體探測物(fluidic probe)的通道；並且通過目標物質作為受到漸逝場激發的結果而發光生成發光輻射。
發光輻射優選地是螢光。
超基板(superstrate)圍繞和/或接觸至少波導層的上表面。超基板通常是折射率n為1.33的水。
可能優選的是，所述波導傳感器和/或所述漸逝場感應的傳感器系統包括波導層。所述波導層可以優選地是透明的聚合物波導層。更為優選的是，所述波導層可以具有≥0.10μm並且≤0.50μm的厚度，並且具有1.39到1.79的折射率n。
如果沒有按照其他方式聲明，則在23℃的溫度下和632.8nm的波長下測量折射率。
另外可能優選的是，所述波導層的下表面與具有1.29到1.69的折射率n的包覆層光學接觸或者與之相接觸，其中所述波導層和所述包覆層的材料被選擇成使得所述波導層與所述包覆層的折射率差Δn至少是Δn 0.1。包覆層可以優選地是透明聚合物材料。
本發明的一個優選實施例是波導傳感器和/或漸逝場感應的傳感器系統，其包括具有低折射率的包覆層和具有高折射率波導層的薄層，所述具有高折射率波導層的薄層例如是透明聚合物波導層，其被旋塗在所述包覆層的上表面之上，其中，所述波導層的外上表面具有特定的結合化合物，以便檢測至少一種特定的化學和/或生物化學物質。此外，把至少一個濾光器和至少一個檢測器設置成夾在包覆層與基板之間，其中濾光器被設置在檢測器上方並且與之光學接觸，以便阻斷激發輻射並且透射發光輻射，從而提高(多個)檢測器的檢測精度。
根據本發明的一個優選實施例，傳感器可以由有機材料(OLED/PLED類型)製成。
可以藉助於適當的結合材料把檢測器安裝在基板上。舉例來說，可以通過所述結合材料嵌入檢測器。但是檢測器的上外表面優選地沒有所述結合材料。優選的是，檢測器的上外表面與濾光器的下表面相接觸。適當的結合材料是沒有或者實際沒有自螢光的材料。這種材料通常為專家所公知。
可能優選的是，檢測器具有大表面。檢測器的大表面增加了對發光發射的總收集，而與之相對的是，增大的表面積通常會對傳感器的噪聲有貢獻。檢測器的表面可以在0.001到1000mm2的範圍內，優選地是0.01到100mm2的範圍內，更為優選地是0.1到10mm2的範圍內。此外還優選的是在相同的基板上具有單獨的檢測器的陣列。可以以這種方式對準這種陣列，即使得每一個檢測器收集來自特定生物點或點集合的輻射，以便對物質中的各目標進行多路復用的檢測。
為了進一步提高(多個)檢測器的檢測精度，可能優選的是波導層、包覆層、濾光器、檢測器以及基板的設置具有集成波導傳感器的形式，並且其間沒有空氣間隔。這提高了漸逝場感應的傳感器系統前靈敏度和精度，這是因為其避免了任何內部光反射以及幹涉效應。
由螢光分子導致的發射輻射通常並不是在所有方向上都是均勻的。此外，發射輻射光的主要部分以較大角度進入波導和包覆層基板，並且從現有技術的基於漸逝場的波導傳感器輸出的光由於總內部反射而發生側向衍射。因此，只有減少數量的發射光能夠到達檢測器。
在根據本發明的基於漸逝場的波導傳感器的設置中，其中在波導層、包覆層、濾光器以及檢測器之間沒有空氣間隔以避免或最小化內部反射，從而使得檢測器能夠接收增加數量的發光輻射或者至少大部分的發光輻射。
在理想情況下，在漸逝發光激發時在與激發束方向正交的方向上檢測發光可以避免激發輻射入射到檢測器上。但是由於激發輻射被樣品以及/或者波導和包覆層中的受激體積內的粒子所散射，激發輻射仍然可能擊中檢測器並且產生背景信號，其降低對目標的檢測靈敏度。通過根據優選實施例把檢測器與波導集成在一起，可以最小化其他外部輻射的貢獻。因此，本發明的主題是在波導層與檢測器之間(優選地是在包覆層與檢測器表面之間)的光路中包括濾光器。可以基於不同的物理操作原理來使用濾光器，比如吸收、反射以及幹涉。在優選設置中，可以把濾光器選擇性調節到應用的要求。在某些情況下可以容忍較低的選擇性，從而允許使用基於透明基質中的固體染料溶液的吸收濾光器，其具有較低的垂直製造範圍，但是與二向色幹涉濾光器相比具有相對較差的濾光器特性。根據本發明可用的光學聚合物濾光器例如是摻雜染料的聚合物層，比如(多個)摻雜有蘇丹染料的聚二甲基矽氧烷(PDMS)層。
但是，優選的是濾光器對於螢光團的發射輻射高度透明，並且對於激發輻射則不透明或者透明性較差。發射輻射相對於(over)激發輻射的透射選擇性應當至少是因數10。但是，發射輻射相對於激發輻射的透射選擇性的因數優選地處於100到1000000之間。因此，發射輻射相對於激發輻射的透射比可以處於≥10∶1到1.000.000的範圍內，優選地是≥100∶1的範圍內，進一步優選地是≥1000∶1的範圍內，更為優選地是≥10000∶1的範圍內，最為優選地是≥100000比1或≥1000000∶1的範圍內。
一般來說，激發輻射的最大值與發光輻射的最大值之間的差大約是20nm到30nm，其中發射波長關於激發向紅色偏移。因此，優選地把濾光器選擇成使得透射頻譜的邊緣在激發與發射輻射之間的波長區域內表現出從吸收到透射的尖銳過渡。適當的濾光器可以表現出直到670nm的高吸收以及從690nm往上的高透射，所述吸收和透射對於利用660nm的輻射激發並且在700nm處具有最大發射的染料更高。
包括波導層、包覆層以及基板的漸逝場感應的傳感器系統的各組件可以都由聚合物材料製成，並且優選地都由透明有機聚合物製成。此外，檢測器和/或濾光器可以由有機材料製成，優選地是有機聚合物。此外，波導傳感器和/或漸逝場感應的傳感器系統可以由有機材料製成，優選地是有機聚合物。這使得波導傳感器和/或漸逝場感應的傳感器系統由於熱-機械屬性的更好的匹配而更加穩定。此外，與具有無機層結構的波導傳感器和漸逝場感應的傳感器系統相比，全有機聚合物波導傳感器和/或漸逝場感應的傳感器系統的靈活性得到提高。
在本發明中，術語「聚合物」包括熱塑性、熱固性以及/或者在結構上交聯的塑料。
為了實現足夠強烈的漸逝場，對波導層厚度以及所述波導層與所述包覆層的折射率差Δn進行調節是重要的。
波導層的厚度可以被選擇成使得X處於1到9的範圍內，優選地處於1.2到6的範圍內，更為優選地處於1.5到4.5的範圍內，最為優選地處於2到3.5的範圍內，從而基於下面的等式來計算d X＝d n2 2π λ 其中d是以nm計的波導層的厚度，n2是波導層的折射率，λ是以nm計的波長，其中波長處於360nm到1000nm的範圍內，優選地處於400nm到800nm的範圍內，更為優選地處於600nm到750nm的範圍內。
對於633nm的波長，薄波導層的厚度可以是≥0.12μm並且≤0.40μm，優選地是≥0.14μm並且≤0.30μm，更為優選地是≥0.16μm並且≤0.28μm，最為優選地是≥0.18μm並且≤0.24μm。
但是可能有益的是，所述波導層與所述包覆層的折射率差Δn越小，波導的厚度就可以越大。
可能優選的是，波導層的厚度可以是≥0.13μm並且≤0.29μm。對於厚度≥0.17μm並且≤0.22μm的波導層，可以獲得漸逝場感應的傳感器系統的增強的強烈的漸逝場。
包覆層的厚度可以是≥2μm並且≤5mm。但是可能優選的是，包覆層的厚度是≥20μm並且≤3mm，更為優選地是≥50μm並且≤1.5mm。包覆層的厚度還可以是≥100μm並且≤500μm。
可能優選的是，所述波導層的下表面與包覆層的上表面完全接觸。
另一個關鍵特徵是關於所述波導層與包覆層的折射率差是Δn 0.1到Δn 0.5，優選地是Δn 0.2到Δn 0.4，更為優選地是Δn 0.25到Δn 0.35，以便獲得足夠高的漸逝強度，從而利用根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統定性地和/或定量地確定化學或生物化學化合物。
此外，很重要的是波導層的折射率n高於包覆層的折射率n，該包覆層與所述波導的下表面相接觸。
可能優選的是，所述波導層具有耦合格柵凹陷結構，以用於增強光波到所述波導層中的耦合。波導層在所述波導的外上表面上可以具有至少一處凹陷和/或至少一處升高。此外，波導層在所述波導與所述包覆層相接觸的下上表面上可以具有至少一處凹陷和/或至少一處升高，其中(多處)升高通過正向配合(positive fit)接合到與所述聚合物波導相接觸的包覆層中，並且所述包覆層通過正向配合接合到所述波導的下上表面中。凹陷對於增強光波到所述波導層中的耦合來說可能是很重要的，其中所述凹陷的深度小於所述波導層的厚度。優選地，在波導層的上表面和/或下表面上形成具有多處凹陷的格柵結構，以用於增強光波到所述波導層中的耦合。
根據本發明的一個優選實施例，(多處)升高的頂表面不超出波導層的上外表面。
可能優選的是，所述波導層的表面積包括具有多處凹陷的格柵結構，以用於增強光波到所述波導層中的耦合，其中所述表面積是所述波導層的上外表面和/或下內表面的至少5％到95％，優選地是5％到25％，更為優選地是5％到15％的。
格柵周期可以是從250nm到950nm，更為優選的是從300nm到750nm，最為優選的是從350nm到450nm。格柵僅僅表現出一個周期性，也就是說其是單衍射的。但是可能優選的是，格柵表現出多於一個周期性，比如兩個或三個周期性以及/或者周期性的逐漸變化。
根據本發明，可能優選的是，波導層的上表面既不與包覆層接觸也不與基板接觸。因此優選的是，沒有納米阱微陣列被設置在波導層的上表面上以及/或者與波導層光學接觸。
根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的一個優點可能在於，上面提到的對所定義的材料特性的選擇提供了一種光學生物傳感器，其在以定性的和/或定量的高精度檢測特定的化學和/或生物化學物質方面具有高性能。
另一個優點在於，根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統具有低的垂直製造範圍，這是因為可以通過旋塗或印刷到所模製或澆鑄的聚合物基板上來施加所述波導。但是也有可能把聚合物基板模製或澆鑄在旋塗或印刷的聚合物波導上。
根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統還可以被用於針對波導層表面上的化學和/或生物分子的存在的基於表面等離子共振的檢測。在這種情況下，波導層的上外表面覆蓋有薄金屬層，優選地是Au。
根據本發明的包括聚合物材料的漸逝場感應的傳感器系統的一個優點例如在於，聚合物材料匹配化學和熱-機械屬性。因此，與具有無機波導層的漸逝場感應的傳感器系統相比，在波導之上應用生物感測所需的各種處理期間所發生的故障顯著減少。無機波導層可能出現問題的原因在於無機波導層和相接觸的基板層(例如包覆層)在熱膨脹方面的固有差異，這會導致所述層中的應力以及界面處的高機械應力，從而導致破裂和層離。
根據本發明的波導層、包覆層以及基板可以優選地具有平面形式。
在本發明的範圍內，漸逝場感應的傳感器系統可以具有條帶、平板、圓盤的形式或者可以具有任何其他幾何形式。所選擇的幾何形式並不至關重要，並且可以由預定的傳感器用途來決定。但是其也可以被用作獨立的元件，在空間上與激發光源和光電子檢測系統分開。
用來檢測至少一種特定的化學和/或生物化學物質的特定結合化合物可以被直接結合到波導層的外上表面，或者可以例如通過吸收接觸波導層的外上表面，並且/或者可以例如通過直接化學反應或通過化學鍵(linker)分子固定到波導層的外上表面。通過印刷技術，上述操作可以按照模式化的方式對於多種不同的特定探測物來進行。
為了具有最小的垂直製造範圍，最為優選的是，根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統不包括其上具有包覆層的波導層，所述包覆層具有至少一個納米阱形式的耗盡區域，其中結合分子被放置在所述耗盡區域內以作為檢測材料。因此，根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統可以排除能夠導向和引導光並且在其頂表面上具有包覆層的波導層，所述包覆層具有至少一個耗盡區域，其中被放置在所述耗盡區域內的物質可以被在所述波導層內引導的光的漸逝波照射。
此外還可能優選的是，格柵或凹陷沒有檢測材料。但是檢測材料可以被施加到格柵上。
通常來說，當利用在633nm下進行發射的光源來測量時，在波導層內所引導的光波的衰減小於0.5dB/cm，優選地小於0.01dB/cm，從而導致所引導的光束的長距離以及所引導的波進入到其周圍介質中時的低散射。特別地，優選地在這些條件下引導TE和/或TM模式。
根據本發明的波導層的厚度足夠小從而使得僅有一個TM模式和/或一個TE模式能夠在波導層中傳播。
用於包覆層的聚合物材料優選地是從包括透明聚合物的一組中選擇的，比如鏈烯烴、環烯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、醚、酯、聚氨酯橡膠、醚酯、聚醚聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、烯醇等等，以及這些材料的部分地或全氟類似物，以及矽酮、有機矽丙烯酸酯和有機矽-甲基丙烯酸酯。
更為優選地作為包覆層的(多種)透明聚合物材料是滷化聚合物，特別是氟化或全氟聚合物。因此，最為優選的是滷化丙烯酸酯、滷化甲基丙烯酸酯、具有全氟側鏈的丙烯酸酯以及/或者具有全氟側鏈的甲基丙烯酸酯及其共聚物，其例如具有低折射率nD＝1.37-1.41。
包覆層的透明材料具有低于波導層的折射率，即最大1.69的折射率nD。
最為優選的是，基板的包覆層材料是交聯的。
適當的波導層材料通常是具有高於包覆層的折射率的任意種類的透明聚合物材料。優選地使用具有儘可能高的光學折射率的透明聚合物。
此外還可能優選的是，可以按照儘可能簡單的方式對波導層材料進行光學處理，比如旋塗在包覆層的上外表面之上。
最為優選的是，包覆層材料應當至少在螢光發射波長下是高度透明的，並且優選地不會表現出自螢光。
在本發明中，術語「透明波導層材料」或「波導層材料」包括(多種)熱塑性、熱固性以及/或者在結構上交聯的塑料，其全部具有高於包覆層的折射率，即至少1.39的折射率nD。
用于波導層的材料優選地是從包括以下各項的組中選擇的同素環的和/或雜環的芳香烴、滷化的和/或含硫的聚合物。優選的是含溴和/或硫的聚合物，特別是具有有限的離域π系統的含溴和/或硫的聚合物。
用于波導層的最為優選的材料是聚五溴苯基甲基丙烯酸酯(nD＝1.17)、聚乙烯基苯基硫化物(nD＝1.657)、基於雙酚S的環氧化物和/或基於雙酚S的丙烯酸酯等等。
所述波導層的外上表面具有用以檢測至少一種特定的化學和/或生物化學物質的特定結合化合物。
可以利用特定的(例如粘附)層來處理及覆蓋所述波導層的表面，以便例如結合抗體或cDNA鏈之類的生物分子，從而與樣品液體中的生物目標選擇性地結合或雜交，所述樣品液體被引導到設備的經過處理的表面之上以便分析該感興趣的液體。例如通過由根據本發明的傳感器系統的波導的漸逝場所激發的螢光來檢測結合的生物分子的存在。
在本發明的範圍內，術語「樣品」、「探測物」、「流體樣品」、「流體探測物」或「超基板」應當被理解為意味著將被化驗的整個溶液，其可能包含用來檢測被分析物的物質。檢測可以在單步或多步化驗中進行，在所述化驗的過程中，令根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的波導層的表面與一種或多種溶液相接觸。至少其中一種所採用的溶液可能包含具有發光屬性的物質，其可以在本發明的實踐中被檢測到。
如果具有發光屬性的物質已經被吸收在上波導表面上，則樣品也可能沒有發光成分。
樣品可能包含其他成分，通常是pH緩衝劑、鹽、酸、鹼(bases)、表面活性物質、影響粘度的調節劑或染料。特別地，生理鹽溶液可以被用作溶劑。如果發光成分本身是液體，則可以免除添加溶劑。
樣品還可能包含生物介質，比如蛋黃、體液或其成分，特別是血液、血清、血漿或尿液。此外，樣品可能包括地表水、諸如土壤或植物部分之類的自然或合成介質的提取物的溶液、生物過程液體培養基或者合成液體培養基。
樣品可以是未經稀釋的，或者附加地與溶劑一起使用。適當的流體可以作為溶劑，比如水、含水的緩衝劑、蛋白質溶液以及有機溶劑。
適當的有機溶劑包括酒精、酮、酯以及脂肪族烴。優選地使用水、含水的緩衝劑或者水與水溶性有機溶劑的混合物。但是樣品可能還包含不可溶解於溶劑中的成分，比如顏料粒子、分散劑、自然的及合成的低聚物或聚合物。在這種情況下，樣品具有光學地混濁的分散體或乳狀液的形式。
適當的發光化合物是具有在從360nm到1000nm的波長範圍內的發光的發光染料，典型地包括若丹明、螢光素衍生物、香豆素衍生物、二苯乙烯聯苯、二苯乙烯衍生物、酞菁、萘酞菁、多吡啶釕配合物(比如三(2，2』-聯吡啶)氯化釕、三(1，10-鄰二氮雜菲)氯化釕、三(4，7-聯苯-1，10-鄰二氮雜菲)氯化釕)、多吡啶吩嗪釕配合物、鉑卟啉配合物(比如鉑八乙基卟啉)、長壽命銪和/或鋱配合物或者菁染料(即所謂的量子點，比如GaN或InP或其他)。適合於在血液或血清中進行分析的是具有從360nm到1500nm範圍內的吸收和發射波長的染料。
特別適當的發光化合物包括諸如螢光素衍生物之類的染料(其包含可以與之共價結合的功能團)，比如異硫氰酸螢光素。
優選的發光是螢光。
可供使用的發光染料還有可能與聚合物或者與生物化學親和性系統中的其中一種結合對象化學地結合，比如抗體或抗體片段、抗原、蛋白質、肽、受體或其配體、荷爾蒙或荷爾蒙受體、寡核苷酸、DNA鏈及RNA鏈、DNA或RNA類似物、諸如蛋白質A和G的結合蛋白質、抗生物素蛋白或生物素、酶、酶輔因素或0抑制劑、凝集素或者碳水化合物。最後提到的共價發光標記是用於可逆或不可逆(生物)化學親和性化驗的優選用途。此外還有可能使用經過發光標記的類固醇、脂質和螯合劑。插入發光染料對於DNA鏈或寡核苷酸的雜交化驗而言也是特別有意義的，特別是如果其(與不同的釕配合物一樣)在插入過程中表現出增強的發光的話則尤其如此。如果令這些經過發光標記的化合物與其被固定在根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的表面上的親和性對象相接觸，則可以通過所測量的發光強度來定量地確定所述結合。還有可能通過測量樣品與發光體交互時的發光改變來定量地確定被分析物，所述發光改變例如具有由氧造成的發光猝滅或者由蛋白質的構象改變造成的發光增強的形式。
優選地使用相干光來進行發光激發，更具體來說是波長為300到1100nm的雷射，更為優選的是波長為400到850nm的雷射，最為優選的是波長為540到700nm的雷射。
可以被適當地使用的雷射器包括染料雷射器、氣體雷射器、固體雷射器以及半導體雷射器。在必要時還可以通過非線性晶體光學器件使得發射波長加倍。還可以通過光學元件進一步對光束進行聚焦、偏振或者通過灰色濾光器對其進行衰減。特別適當的雷射器是分別在457nm到514nm之間和543nm到633nm之間的波長下進行發射的氬離子雷射器和氦氖雷射器。特別適當的雷射器是在630nm到1100nm之間的基本波長下進行發射的二極體雷射器或者由半導體材料製成的倍頻二極體雷射器，由於其尺寸小並且功耗低，因此允許把整個傳感器系統小型化。但是也可以使用具有大約405nm的波長和足夠高的功率的二極體雷射器。
在本發明的處理中，可以令樣品與固定狀態下的漸逝場感應的傳感器系統相接觸以及連續地引導所述樣品經過所述傳感器系統之上，並且所述循環可以是開放的或封閉的。
所述處理的一個具體實施例包括把被用於檢測被分析物的具有發光屬性的物質直接固定在波導層的表面上。具有發光屬性的物質例如可以是發光體，其與蛋白質相結合，並且從而可以在波導層的表面處按照所述方式被激發發光。如果對蛋白質具有親和性的對象被引導經過該固定層之上，則發光可能會被修改，並且可以按照這種方式確定所述對象的數量。特別地，還可以利用發光體來標記親和性配合物的全部兩個對象，以便能夠根據例如以發光猝滅的形式在所述兩個對象之間發生的能量轉移來進行濃度確定。
用於實施化學或生物化學親和性化驗的所述處理的另一個優選實施例包括把特定的結合對象固定在漸逝場感應的傳感器系統的表面上(即固定在波導的上外表面上)，以作為用於分析被分析物自身或者用於其中一個結合對象的化學或生物化學檢測器物質。化驗可以是單步或多步化驗，在其過程中，在相繼的各步中引導包含對應於被固定在根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的表面上的檢測器物質的結合對象的一種或多於一種溶液，所述被分析物在其中一個部分步驟中結合。通過在親和性化驗中與經過發光標記的參與方相結合，可以實現對被分析物的檢測。所使用的經過發光標記的物質可以包括親和性化驗的一個或多於一個結合對象，或者還可以包括配備有發光體的被分析物的類似物。唯一的標準是被分析物的存在會選擇性地導致發光信號或者選擇性地導致發光信號的改變。
對檢測器物質的固定通常可以通過直接在上外波導表面上進行的疏水吸收或共價結合來實施，或者可以在對所述表面進行化學修改之後例如通過矽烷化或者施加聚合物層來實施。此外，可以把例如由SiO2構成的薄夾層作為粘附促進層直接施加到上外波導表面，以便於把檢測器物質直接固定在波導上。
適當的檢測器物質通常是對應於抗原的抗體、對應於免疫球蛋白的諸如蛋白質A和G之類的結合蛋白質、對應於配體的受體、寡核苷酸和對應於其互補鏈的單鏈RNA及DAN、對應於生物素的抗生物素蛋白、對應於酶基板的酶、酶輔因素或抑制劑、對應於碳水化合物的凝集素。把相應的親和性對象當中的哪一方固定在根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的表面上將取決於所述化驗的體系結構。
化驗本身可以是單步配合處理，例如競爭性化驗，或者化驗也可以是多步處理，例如夾心法化驗。
在競爭性化驗的最簡單的情況下，把包含未知濃度的被分析物以及除了發光標記之外在其他方面類似的已知數量的化合物的樣品與根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的表面相接觸，其中經過發光標記的分子和未經標記的分子在其固定的檢測器物質處競爭結合位置。當樣品不包含被分析物時，在該化驗配置中得到最大發光信號。隨著待檢測的物質的濃度提高，所觀測的發光信號的強度變低。
在競爭性免疫化驗中，被固定的不一定是抗體也可以把抗原固定在根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的表面上以作為檢測器物質。通常來說，在化學或生物化學親和性化驗中固定對象當中的哪一方並不重要。這是基於發光的化驗優於諸如表面等離子共振或幹涉測量法之類的方法的基本優點，其中諸如表面等離子共振或幹涉測量法之類的方法是基于波導層的漸逝場中的所吸收的質量的改變。
此外，在競爭性化驗的情況下，不需要把競爭限制到根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的表面處的各結合位置。例如也可以把已知數量的抗原固定在所述傳感器的表面上，並且隨後令其與包含未知數量的待檢測的相同抗原作為被分析物並且還包含經過發光標記的抗體的樣品相接觸。在這種情況下，在被固定於表面上的抗原與存在於溶液中的抗原之間發生針對與抗體結合的競爭。
多步化驗的最簡單情況是夾心法免疫化驗，其中主要抗體被固定在根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的表面上。將被檢測的抗原的結合以及被用於檢測所述抗原的第二抗原決定部位的經過發光標記的次要抗體的結合可以通過相繼地與包含抗原的溶液和包含經過發光標記的抗體的第二溶液相接觸來實現，或者可以通過事先組合這兩種溶液來實現，從而最終使得包含抗原和經過發光標記的抗體的部分配合物被結合。
親和性化驗還可以包括其他附加的結合步驟。舉例來說，在夾心法免疫化驗的情況下，可以在第一步中把蛋白質A在其所謂的Fc部分處固定在根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的表面上，所述蛋白質A專門結合免疫球蛋白，其隨後在如上所述地實施的後續夾心法化驗中充當主要抗體。
此外還有大量其他類型的親和性化驗，其通常使用已知的抗生物素蛋白-生物素親和性系統。
此外，不僅可能單次使用根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的表面，還有可能令其再生。在適當的條件下(例如低pH、升高的溫度)，利用有機溶劑或所謂的離液序列高(chaotropic)的試劑(鹽)，有可能選擇性地分離親和性配合物而不會明顯損害固定的檢測器物質的結合容量。精確的條件與特定的親和性系統密切相關。
所述處理的另一個重要實施例一方面包括把信號的產生(在反向耦合的情況下這也適用於信號檢測)限制到波導的漸逝場，另一方面包括親和性配合物形成作為平衡過程的可逆性。利用連續流系統中的適當流量，有可能實時地監控漸逝場內的結合的經過發光標記的親和性對象的結合、解吸附或分離。因此所述處理適用於針對確定不同的關聯或分離常數的動力學研究並且還適用於置換化驗(displacementassay)。
最為重要的設計標準是波導的表面處的漸逝場的強度。該強度由波導層(n2)、基板(n1)和超基板(n3)的折射率以及波導層(6)的厚度決定。
該強度隨著與波導表面的距離增大而指數地衰減。為了優化所述實施例，可以取得漸逝場在所吸收的生物分子的預期厚度範圍內的平均強度，在該範圍內染料分子將被相同的場激發。
可以把根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的集成波導傳感器的優選實施例概括如下 波導層 -聚五溴苯基丙烯酸酯(Aldrich)； -把Irgacure 184(Ciba)添加到單體中，以便允許進行光聚合； 包覆層 -低折射率基板2，2，3，3，4，4，5，5-八氟-1，6-己二醇二甲基丙烯酸酯(ABCR)； 濾光器 -聚合物基質中的染料分子的固體溶液(例如PDMS中的蘇丹II)； 傳感器 -光學傳感器無定形矽或(低溫)多晶矽(LTPS)薄膜傳感器； 基板 -聚合物或玻璃。
聚合物包覆層和聚合物波導層的折射率分別大約是1.44和1.70。聚合物包覆層的最終厚度大約是2μm，並且聚合物波導層的最終厚度大約是210nm。
根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統包括外殼。該外殼容納集成波導傳感器。
可能優選的是，外殼可移除地與集成波導傳感器相連接。這提供了可以重複利用外殼的漸逝場感應的傳感器系統，其中可以布置其他的集成波導傳感器。
因此可能優選的是，在外殼內集成激發源，例如雷射器、射束成形器和/或稜鏡。
外殼可以是醫療設備、診斷設備、讀出設備或手術工具(比如內診鏡等)的集成部分。



圖1示出了根據本發明的第二漸逝場感應的傳感器系統； 圖2示出了根據本發明的第三漸逝場感應的傳感器系統； 圖3示出了根據本發明的第四漸逝場感應的傳感器系統。

具體實施例方式 圖1示出了具有外殼2的可用於診斷應用的漸逝場感應的傳感器系統1。外殼被設置在集成波導傳感器3之上。集成波導傳感器3包括包覆層7上方的聚合物波導層4，其中聚合物波導層4由聚醚碸(PES)製成，其厚度為250nm，其折射率為n2＝1.65，包覆層7由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)製成，其厚度為1mm，其折射率為n3＝1.49。在聚合物波導層4的上外表面6之上設置了捕獲化合物5以用來檢測特定的化學物質。在聚合物波導層4的上外表面上設置了一個由多處凹陷18構成的格柵結構，以用於增強光波到所述透明聚合物波導中的耦合。可替換地，格柵結構還可以存在於包覆層與波導層之間的界面處。在聚合物波導層4的上外表面與外殼2之間形成通道14，以用於接收水探測物(n1≈1.33)。包覆層7的上外表面與所述波導層4的下表面8相接觸。此外，在所述包覆層7的下表面10之下設置聚合物濾光器9(或者作為替換設置用於透射680nm以上的螢光輻射的二向色濾光器)並且令其與所述下表面10相接觸。在基板13的上表面上並且在所述濾光器9的下表面12之下設置兩個檢測器11，其用於感測由結合到目標物質的螢光標籤作為其受到漸逝場的激發而生成的螢光輻射。藉助於(平面化)結合材料19把檢測器11安裝到表面12上。波導層4、包覆層7、濾光器9、檢測器11和基板13的設置具有集成波導傳感器3的形式，其間沒有空氣間隔。這樣就提高了漸逝場感應的傳感器系統1的靈敏度，這是因為其避免了波導4、包覆層7和檢測器11之間的任何空氣界面，該空氣界面可能對發光輻射有負面影響。此外，濾光器9提高了檢測器11的發光收集效率。激發輻射由固態雷射源15在660nm波長下生成。激發輻射通過一組透鏡16被投射在波導的格柵區域上，所述一組透鏡16可以包括射束成形器、光闌以及準直透鏡。
圖2示出了可用在診斷應用中的具有外殼2的漸逝場感應的傳感器系統1，其中外殼2可移除地與集成波導傳感器3相連接。這樣允許重複利用外殼2，並且可以在使用之後丟掉集成傳感器3。此外，雷射源15、射束成形器透鏡16和稜鏡17被設置在外殼2內，這樣便於對漸逝場感應的傳感器系統1的使用並且會加速使用。集成波導傳感器3包括包覆層7上方的無機波導層4，其中所述無機波導層4由Ta2O5製成，其厚度為130nm，其折射率為n2＝2.15，所述包覆層7由環烯烴(co)聚合物(COP)製成，其厚度為0.6mm，其折射率為n3＝1.53。在聚合物波導層4的上外表面6之上設置了捕獲化合物5以用來檢測特定的化學物質。在聚合物波導層4的上外表面與外殼2之間形成通道14，以用於接收水探測物(n1≈1.33)。述包覆層7的上外表面與所述波導層4的下表面8相接觸。此外，在所述包覆層7的下表面10之下設置濾光器9(比如聚合物基板層上的無機多層層疊，其透射650nm以上的螢光輻射)並且令其與所述下表面10相接觸。在基板13的上表面上並且在所述濾光器9的下表面12之下設置兩個檢測器陣列11，其用於感測由結合到目標物質的螢光標籤作為其受到漸逝場的激發而生成的螢光輻射。藉助於結合材料19來安裝檢測器11。波導層4、包覆層7、濾光器9、檢測器11和基板13的設置具有集成波導傳感器3的形式，其間沒有空氣間隔。這樣就提高了漸逝場感應的傳感器系統1的靈敏度，這是因為其避免了所發射的輻射在波導4、包覆層7和檢測器11之間的空氣界面處的反射，所述反射對發光輻射的檢測靈敏度有負面影響。此外，濾光器9提高了檢測器11的發光收集效率。激發輻射由雷射源15在外殼2內生成，其波長為633nm。激發輻射被射束成形器16準直，並且被稜鏡17轉向90°，這樣允許漸逝場感應的傳感器系統的平坦構造。外殼2可以是醫療設備、讀出設備、診斷設備或手術工具(未示出)的集成部分。
圖3示出了根據圖2的漸逝場感應的傳感器系統1，其不同之處在於包覆層7具有非常薄的層厚度，其中包覆層的厚度為0.01mm到0.2mm。這樣可以進一步提高對由結合到目標物質的螢光標籤作為其受到漸逝場的激發而生成的螢光的檢測器捕獲效率。更為重要的是，這樣允許基於箔技術和/或旋塗技術及輥塗技術的不同的製造和組裝工藝。這樣就可以在單一基板上(基於晶片或卷到卷)處理多個傳感器。
與除了不使用濾光器之外其他方面都相同的漸逝場感應的傳感器系統相比，具有所述濾光器9的漸逝場感應的傳感器系統1的優點在於可以提高檢測器靈敏度，這是因為其可以消除噪聲輻射。
根據本發明，可能優選的是，應當把從所述漸逝場感應的傳感器系統的外上表面算起與該表面垂直的20nm距離內的漸逝強度(即超基板水中的TM場分數(fraction))調節到0.002到0.01的範圍內，優選地調節到0.003到0.008的範圍內，更為優選地調節到0.004到0.007的範圍內。
可以根據W.Lukosz和K.Tiefenthaler的「sensitivity of gratingcouplers as integrated-optical chemical sensors(作為集成光學化學傳感器的格柵耦合器的靈敏度)」(J.Opt.Soc.Am.B6(2)(1989)pp.209-220)與漸逝場感應的傳感器系統的基準(參見圖2)相比較來計算TM場，所述漸逝場感應的傳感器系統包括由Ta2O5製成的折射率為nD 2.13的波導以及折射率為nD 1.53的Zeonex 280基板＊1，其中超基板是水，其折射率為nD 1.33。
＊1可以從Nippon Zeon Co.，LTD.獲得Zeonex 280。
可以優選地利用下面的等式來計算波導的超基板中的電場的分數 其中δz1是超基板中的穿透深度，δz3是基板中的穿透深度，其由下面的等式給出 在這些等式中，q1是超基板中的波矢量的虛部，q3是基板中的波矢量的虛部，其由下面的等式給出 數量neff描述傳播模式的有效折射率。可以通過求解下面的等式得到對應於TM模式的傳播常數的值 kz(neff)k0d-φm1(neff)-φm3(neff)-mπ＝0 在這裡，m＝0，1，2...是模式編號，相位函數φm1和φm3由下面的等式給出 有 在所述等式中，超基板、波導層和基板的電介質常數分別由ε1、ε2和ε1給出，k0是真空中的波矢量，d是波導層的厚度。
本發明的一方面涉及一種用於利用根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統檢測發光的過程，這是通過把液體樣品與波導層的上表面或者附著到波導層的上表面的結合材料的上表面相接觸，並且按照光電子的方式測量由樣品中的具有發光屬性的物質(或者由固定在所述波導上的具有發光屬性的物質)所產生的發光而實現的，其中激發光被耦合到所述波導中並且橫越波導層，由此具有發光屬性的物質在波導層的漸逝場中被激發發光。
用於檢測漸逝激發的發光的檢測器例如是光電二極體、光電池、光電倍增器、電荷耦合器件(CCD)陣列，並且可以適當地使用檢測器陣列(例如CCD攝影機)。有用的檢測器具有在暴露於光時生成電壓或電流的光敏元件。
但是最為優選的是基於矽的檢測器，這是因為其製造成本較低。對應於優選的基於矽的檢測器的一個例子是α-Si二極體傳感器。
此外還優選的是適用的基於聚合物的檢測器，這是因為其製造成本更低並且在工藝方面與總體傳感器系統的其他各層兼容。
本發明的另一方面涉及使用根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統來定量地確定諸如抗體或抗原之類的化學或生物化學化合物。
根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統的另一種用途是用於定量地確定受體或配體、寡核苷酸、DNA或RNA鏈、DNA或RNA類似物、酶、酶基板、酶輔因素或抑制劑、凝集素以及碳水化合物。
本發明的另一方面涉及使用根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統來選擇性地定量確定光學混濁流體中的發光成分。
光學混濁流體通常可能是生物流體(比如蛋黃)、體液(比如血液、血清或血漿)以及源自環境分析的樣品(包括地表水、溶解的土壤提取物和溶解的植物提取物)。適當的流體還可以是在化學生產中獲得的反應溶液，特別是源自發光產品(比如螢光劑、增白劑)的染料溶液或反應溶液。此外適用的還有通常用在紡織工業中的所有類型的分散體和製劑，前提是其包含一種或多於一種發光成分。
根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統還可以被用於質量安全保護。
總而言之，根據本發明的漸逝場感應的傳感器系統例如可以被用於以下用途 -化學或生物分析，包括對諸如蛋黃、血液、血清或血漿之類的生物流體的分析； -環境分析，包括對水、溶解的土壤提取物和溶解的植物提取物的分析； -反應溶液、分散體和/或製劑分析，包括化學生產中的分析，特別是對染料溶液或反應溶液的分析；以及/或者 -質量安全保護分析。
為了提供全面的公開內容而又不過度增加說明書的長度，本申請在此合併上面所提到的每一項專利和專利申請以作參考。
上面詳述的實施例中的元件和特徵的特定組合僅僅是示例性的；上述教導與本申請和被合併在此以作參考的各項專利/申請中的其他教導的互換和替換也被明確地設想到。本領域技術人員將認識到，在不偏離所要求保護的本發明的精神和範圍的情況下，本領域普通技術人員可以想到這裡所描述的內容的變型、修改以及其他實現方式。因此，上面的描述僅僅是作為舉例而不意圖作為限制。本發明的範圍由所附權利要求書及其等效表述限定。此外，在說明書和權利要求書中使用的附圖標記不限制所要求保護的本發明的範圍。
權利要求
1、一種基於漸逝場的波導傳感器(3)，其包括
波導層(4)；
被施加在所述波導層(4)的上表面(6)上的捕獲化合物(5)，其用於特別結合到目標物質；
被相接觸地設置在所述波導層(4)的下表面(8)上的包覆層(7)；
透射發光輻射同時吸收和/或反射激發輻射的輻射的濾光器(9)，其中濾光器(9)被設置在所述包覆層(7)的下表面(10)的下方；
至少一個用於感測發光輻射的檢測器(11)，其中檢測器(11)被設置在所述濾光器(9)的下表面(12)的下方；以及
與檢測器(11)相連接的基板(13)，其包括所述檢測器(11)的電接口。
2、根據權利要求1的波導傳感器(3)，其中，濾光器(9)的上表面與包覆層(7)的下表面光學接觸，並且濾光器(9)的下表面與檢測器(11)光學接觸，並且優選地，濾光器(9)的上表面與包覆層(7)的下表面相接觸，並且濾光器(9)的下表面與檢測器(11)相接觸。
3、根據權利要求1或2的波導傳感器(3)，其中，包覆層(7)是基於有機透明聚合物，並且優選地，波導層(4)、包覆層(7)和基板(13)是基於有機透明聚合物。
4、根據權利要求1到3的波導傳感器(3)，其中，所述波導層(4)的上外表面和/或下內表面具有至少一處凹陷(18)以用於增強光波到所述波導層(4)中的耦合，其中所述凹陷(18)的深度優選地小於所述波導層(4)的厚度，並且在所述波導層(4)的下內表面上形成凹陷的情況下，包覆層(7)通過正向配合接合到所述凹陷中。
5、根據權利要求1到4的波導傳感器(3)，其中，所述波導層(4)的外上表面覆蓋有薄貴金屬層。
6、根據權利要求1到5的波導傳感器(3)，其中，濾光器(9)對於螢光團的發射輻射具有高透射並且對於激發輻射不透明或者透射性差，並且優選地，所述濾光器的發射輻射相對於激發輻射的透射比處於≥10∶1到1.000.000∶1的範圍內。
7、一種漸逝場感應的傳感器系統(1)，其包括外殼(2)和根據權利要求1到6的集成波導傳感器(3)，其中，在波導層(4)的上表面與外殼(2)的下表面部分之間並且沿著至少外殼(2)的下表面部分形成用於接收流體探測物的通道(14)；並且通過目標物質作為受到漸逝場激發的結果而發光生成發光輻射。
8、根據權利要求7的系統(1)，其中，外殼(2)包括雷射器(15)、射束成形器透鏡(16)和/或稜鏡(17)。
9、根據權利要求7或8的系統(1)，其中，外殼(2)可移除地與集成波導傳感器(3)相連接。
10、根據權利要求7到9的系統(1)，其中，外殼(2)是醫療設備、讀出設備、診斷設備或手術工具的集成部分。
11、把根據權利要求1到7的基於漸逝場的波導傳感器(3)和/或根據權利要求8到10的系統(1)用於以下用途
化學或生物分析，其包括對諸如蛋黃、血液、血清或血漿之類的生物流體的分析；
環境分析，其包括對水、溶解的土壤提取物和溶解的植物提取物的分析；
反應溶液、分散體和/或製劑分析，其包括化學生產中的分析，特別是對染料溶液或反應溶液的分析；以及/或者
質量安全保護分析。
全文摘要
本發明是針對一種用在診斷應用中的波導傳感器以及漸逝場感應的傳感器系統，所述系統包括外殼和集成波導傳感器，所述集成波導傳感器包括波導層；被施加在所述波導層的上表面上的捕獲化合物，其用於特別結合到目標物質；被相接觸地設置在所述波導層的下表面上的包覆層；透射發光輻射同時吸收和/或反射激發輻射的輻射的濾光器，其中濾光器被設置在所述包覆層的下表面的下方；至少一個用於感測發光輻射的檢測器，其中檢測器被設置在所述濾光器的下表面的下方；與檢測器相連接的基板，其包括所述檢測器的電接口，其中，在波導層的上表面與外殼的下表面部分之間並且至少沿著外殼的下表面部分形成用於接收流體探測物的通道；並且通過結合到目標物質的發光標籤作為受到漸逝場激發的結果而生成發光輻射。這樣提高了漸逝場感應的傳感器系統的靈敏度。
文檔編號G01N21/64GK101606053SQ200880004607
公開日2009年12月16日 申請日期2008年1月31日 優先權日2007年2月8日
發明者R·溫伯格弗裡德爾, N·D·揚, P·J·范德扎格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司