用於檢測目標成分的傳感器設備的製作方法

2023-12-06 12:03:26

專利名稱：用於檢測目標成分的傳感器設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於檢測目標成分的微電子傳感器設備。
背景技術：
在非均勻分析中，目標生物分子的濃度可以通過測量結合在傳感器表面的目標生 物分子或珠子(其代表目標生物分子)的表面濃度來確定。例如，我們可以考慮一個競爭 性分析，其中結合表面(襯底)覆蓋有目標分子。所述珠子可以用(對於目標分子)特定 的抗體覆蓋並且散布在包含目標分子的流體中。樣本中的自由目標分子與在用於結合到塗 覆有抗體的珠子的傳感器表面上固定的目標分子競爭。在低濃度的情況下，抗體與目標分 子在傳感器表面結合的機會比抗體與目標分子在溶液中結合的機會高。通過測量結合在襯 底處的珠子的表面濃度，我們可以確定目標分子的濃度。然而，所述濃度的準確測量需要高 度地特定於表面的檢測方案，該方案對於溶液中的珠子充分地不敏感。而且，檢測的信號應 當與樣本基質(matrix)無關，該基質可以是全血、全唾液、尿或任何其他生物流體。對於光 學檢測方案，高的表面特異性可以通過減少測量體積來實現。實現這一點的一種方法是通 過共焦成像，其中測量體積被典型地減少到幾個波長(例如，1微米)。US2005/0048599 A1 公開了一種用於研究微生物的方法，所述微生物用粒子來標記，使得力(例如，磁力)可以 施加到其上。在該方法的一個實施例中，光束被引導通過透明材料到達表面，在該表面中該 光束被全內反射。離開透明材料的該光束的光作為倏逝波通過表面處的微生物和/或其他 成分散射，並且隨後被光電檢測器檢測或用於照亮微生物以便目視觀察。

發明內容
期望提供一種用於檢測目標成分的微電子傳感器設備，其中用於包含目標成分的 介質不限於折射率小於載體的材料，並且附著到目標成分的粒子的折射率可以被選擇為高 於以及低於載體的折射率，而沒有顯著地影響靈敏度，例如從而提供用於生物感測目的的 所述傳感器設備。因此，在本發明的一個方面，提供一種用於檢測目標成分的微電子傳感器 設備，包括具有目標成分可以在其處聚集的結合表面的載體；用於發射在結合表面處入 射的輻射束的源；用於以反射模式確定所述發射的輻射的量的檢測器。在本發明的一個方 面，結合表面由多個孔提供，所述孔限定具有小於衍射極限的最小面內孔徑W1的結構，該 衍射極限由用於包含目標成分的介質限定。在本發明的另一方面，提供一種檢測介質中目標成分的存在的方法，包括由多個 孔提供目標成分可以在其處聚集的結合表面，所述孔限定具有小於衍射極限的最小面內孔 徑W1的結構，該衍射極限由用於包含目標成分的介質限定；發射入射在結合表面上的輻射 束，該結合表面由多個孔形成，所述孔限定具有小於衍射極限的最小面內孔徑W1的結構， 該衍射極限由用於包含目標成分的介質限定；以及以反射模式檢測所述輻射的量。通過參 考下面所描述的實施例，本發明的這些和其他方面將是清楚的並且將被闡明。


圖1示出根據本發明的一個方面的微電子傳感器設備的總體設置；圖2示出圖1中描繪的結合表面的說明性示意圖；圖3示出具有變化的電場大小的線柵偏振器內的模擬場分布；圖4示出根據本發明的一個方面的第一實施例；圖5示出可替代的設置，其中測量歸因於倏逝體積中珠子的存在的增加的散射；圖6示出用於檢測歸因於所述線之間間隔中珠子的存在的減少的反射的改進方 案；圖7示出裂縫的寬度對反射的衍射級的和的影響，填充線柵的介質的折射率 (index)作為參數；圖8示出所述線之間間隔中的折射率(index)對基本反射的影響；以及圖9示出具有折射率1. 58的厚層對基本(OR)反射的影響和對反射和透射(總 計)的和的影響。
具體實施例方式根據本發明的微電子傳感器設備可以用於定性地或定量地檢測目標成分，其中目 標成分可以例如是生物物質，如生物分子、合成物、細胞組分(fraction)或細胞。術語「標 籤和/或粒子」將表示具有一些可被檢測的屬性(例如，光密度、磁化率、電荷)的粒子(原 子、分子、合成物、納米粒子、微粒等等)，從而間接地揭示相關的目標成分的存在。「目標成 分」和「標籤粒子」可以是相同的。根據本發明的一個方面的微電子傳感器設備包括下列組 件a)具有目標成分可以在其處聚集的結合表面的載體。術語「結合表面」在這裡主 要被選擇作為載體表面的特定部分的唯一引用，並且儘管目標成分在許多應用中實際上將 結合到所述表面，但是情況不一定必需這樣。所需要的是，目標成分可以到達結合表面以在 那裡聚集(典型地以由與目標成分、它們與結合表面的相互作用、它們的移動性等等相關 聯的參數確定的濃度聚集)。載體對於給定光譜範圍的光、特別是由將在下面限定的光源發 射的光應當具有高透明度。載體可以例如由玻璃或一些透明塑料來生產。載體可以是可滲 透的；針對限定在載體上提供的具有小於衍射極限的最小面內孔徑(W1)的結構的孔，它提 供承載功能。b)用於發射輻射束(下面被稱為「入射光束」)的源，該輻射束進入前述載體使得 其至少在載體的結合表面處的研究區域中被反射。該光源可以例如是雷射器或發光二極體 (LED)，其可選地設有用於定形和引導入射光束的一些光學器件。「研究區域」可以是結合表 面的子區域或者包括全部的結合表面；它將典型地具有由入射光束照亮基本圓斑的形狀。c)用於以反射模式確定所述發射的輻射的量的檢測器，其中術語「反射的光束」將 是對由檢測器捕獲的光的引用，並且暗示該光束的光源自入射光束的前述反射。然而，「反 射的光束」不必包括所有的反射光，因為該光中的一些可以例如用於其他目的或者簡單地 被丟失(lost)。此外，在術語反射模式用於本申請的場合中，取決於上下文，這可以包含從 光源發射的和由限定結構的孔反射的任何類型的輻射，包括散射和鏡面反射的衍射類型的 反射。該檢測器可以包括給定光譜的光可被其檢測的任何合適的傳感器或多個傳感器，例如光電二極體、光敏電阻器、光電池或光電倍增管。在術語光或輻射用於本說明書中的場 合，其意思是包含所有類型的電磁輻射，特別是，取決於上下文，包含可見的和不可見的電
磁輻射。d)傳感器的結合表面設有多個孔，孔限定具有小於衍射極限的第一最小面內孔徑 (W1)的結構，該衍射極限(Wmin)由用於包含目標成分的介質限定由下式限定Wmin =波長/(2*n 介質)(1)其中\為真空中的波長，而nMdimi為線柵前面的介質的折射率。在優選實施例中，限定結構的孔限定平行於不透明材料(實例是諸如金(Au)、銀 (Ag)、鉻(Cr)、鋁(A1)之類的金屬)的板的第一和第二面內矢量。第一(最小)面內孔徑 平行於第一面內矢量，而第二(最大)面內孔徑平行於第二面內矢量。因此，可以區分兩種類型的孔1具有低於衍射極限的第一面內孔徑W1和高於衍射極限的第二面內孔徑W2的第 一類型的孔，存在由第一面內矢量和垂直於第一和第二面內矢量的第三矢量組成的透射平 面。R-偏振的入射光(其為具有正交於該透射平面的電場的光)基本上被限定結構的孔反 射並且在該孔內產生倏逝場(evanescent field)。入射在限定由第一類型的孔組成的結構 的孔上的T-偏振的光(其為具有平行於所述一個或多個孔的透射平面的電場的光)基本 上被限定結構的孔透射並且在該孔內產生傳播場(propagating field)。2對於具有低於衍射極限的兩個面內孔徑的第二類型的孔，我們不能限定透射平 面。任意偏振的(比如，線性地、圓形地、橢圓形地、隨機地偏振的)入射光基本上被限定結 構的孔反射並且在該孔內產生倏逝場。所描述的微電子傳感器設備允許對在結合表面處的研究區域中的目標成分進行 靈敏的和精確的定量或定性檢測。這是因為下述事實優選地針對第一類型的孔被R-偏 振並且可以具有針對第二類型的孔的任意偏振的光束(其入射在限定結構的孔上)生成從 與載體鄰近的孔的端部延伸較短的距離進入該孔的倏逝波。如果該倏逝波的光被存在於結 合表面處的目標成分或標籤粒子散射或吸收，則這將導致鏡面反射的光束中功率(power)/ 能量(energy)的減少。因此，反射的光束中的功率/能量(更精確地說，歸因於在結合表 面處存在的標籤粒子或目標成分的存在的反射光束中功率/能量的減少)是結合表面處目 標成分/標籤的存在和量的指示。所描述的光學檢測程序的一個優點包括它的準確性，因 為倏逝波僅僅探究從鄰近於載體的孔的端部典型地延伸10到30nm進入該孔的小體積，從 而避免了來自在該體積之後的體材料(bulk material)的幹擾(比如散射、反射)。由於鏡 面反射的光的減少基本上僅僅由在結合表面處存在的目標成分或標籤粒子所造成，所以獲 得了高靈敏度。而且，所述光學檢測可以可選地遠程執行，即在載體和光源或光檢測器之間 沒有機械接觸。所述微電子傳感器設備可以用於定性檢測目標成分，從而產生例如相對於特定目 標分子的二元響應(「存在」或「不存在」)。然而，優選地，所述傳感器設備包括用於從檢 測的反射光中定量地確定研究區域中的目標成分的量的評價模塊。這可以例如基於下述事 實倏逝光波中的光的量(其被目標成分吸收或散射)與研究區域中的這些目標成分的濃 度成比例。研究區域中的目標成分的量又可以指示根據相關的結合過程的動力學與所述孔 連通(communication)的樣本流體中的這些成分的濃度。
回到圖1，示出了根據本發明的一個方面的微電子傳感器設備的總體設置。該設備 的中心組件是可以例如由玻璃或透明塑料(如聚苯乙烯)製成的載體11。該載體11位於樣 本室2旁邊，在樣本室2中可以提供具有待檢測的目標成分(例如，藥(drug)、抗體、DNA等) 的樣本流體。另外，室2可以由直立的壁111限定(define)，在優選的實施例中直立的壁連 續地重複以形成多個鄰近的壁111，從而形成例如用於微生物分析的孔板(well-plate)。 該樣本還包括磁性粒子1 (例如，超順磁珠)，其中這些粒子10通常被功能化為具有結合部 位(例如，抗體)以便特定地結合前述目標成分(為了簡化起見，圖中僅僅示出了磁性粒子 1)。應當注意，代替磁性粒子，也可以使用其他標籤粒子，例如帶電粒子或螢光粒子。載體11和樣本室2之間的界面由被稱為「結合表面」 12的表面形成。該結合表面 12可以可選地功能化為具有捕獲元件或塗敷有捕獲元件，例如抗體、配體，該捕獲元件能夠 特定地結合目標成分。這裡應當提醒，功能化的表面或粒子被稱為其上固定有捕獲元件(例如抗體、配 體)的表面或粒子，這些捕獲元件能夠特定地結合目標成分。所述傳感器設備可以可選地包括磁場發生器41 (例如，具有線圈和磁芯的電磁 體)以用於可控地在結合表面12處和在樣本室2的鄰近空間中產生磁場B。在該磁場B的 幫助下，可以操控磁性粒子10，即磁化並且特別地移動磁性粒子10(如果使用具有梯度的 磁場)。因此，例如可以將磁性粒子10吸引到結合表面12以便加速相關的目標成分到所述 表面的結合。所述傳感器設備還包括光源21，例如雷射器或LED，所述光源生成入射光束101， 其被透射進入載體11。入射光束101到達結合表面12並被反射為「反射光束」 102。反射 光束102離開載體11並被光檢測器31 (例如光電二極體)檢測。光檢測器31確定反射光 束102的功率/能量(例如由在整個光譜或光譜的一部分中該光束的光強度來表達)。通 過耦合到檢測器31的評價和記錄模塊32，在觀察周期上評價並可選地監測該測量結果。在 載體表面12上，以條20的形式提供不透明的材料(優選地為金屬，例如金(Au)、銀(Ag)、 鉻(Cr)、鋁(A1))的板，該條20限定了具有小於衍射極限的最小面內孔徑(W1)的線柵，該 衍射極限由波長與包含目標成分10的介質2的折射率的兩倍之間的比限定。入射角0原 則上可以從0變化到90°。由於所述孔的衍射受限的性質，在研究區域13中創建了倏逝 場，由於被載體表面12結合的或至少在由限定結構20的孔產生的倏逝場的區域內的粒子 的存在，該倏逝場可以選擇性地被幹擾。所描述的微電子傳感器設備應用用於檢測實際上令人感興趣的粒子10和目標成 分的光學裝置。為了消除或至少最小化背景(樣本流體，如唾液、血液等)的影響，檢測技 術應當是特定於表面的。在線柵生物傳感器中使用磁性標籤具有下列優點(與使用非磁性 標籤相比)可以因為各種原因應用磁激勵 提高所述表面附近的目標分子的濃度(upconcentration)(捕捉分析)以改進分 析速度和檢測極限。 為了嚴格性而進行磁清洗(代替更複雜的和不那麼可再生的流體清洗)。在圖2中，示出圖1中描繪的結合表面12的說明性示意圖。該圖示出，所述表面 設有多個限定結構20的孔。特別地，在所示的實施例中，這些結構可以由金屬線或條20提 供，其限定了上面所提及的具有充分高於衍射極限的第二面內孔徑W2的第一類型的孔W1。典型地，這些條被形成為附著到載體11的延長的平行線2的周期性結構。這種結構典型地 被稱為線柵。雖然本發明可以應用在周期性結構(光柵結構)中，但是這不是必需的，事實 上該結構也可以是非周期的或準周期的。最小尺寸的孔徑W1或(如果適用)光柵周期A 典型地小於衍射極限，該顏色極限由入射光束的主波長或波長段以及用於包含目標成分的 介質限定。優選地，入射光束排他地由具有高於衍射極限的波長的輻射組成。限定具有例如 線柵技術的第一類型的孔的結構的孔的良好屬性是，孔內部的光可以通過切換輸入光的偏 振來十分容易地從倏逝模式切換到傳播模式，這使得能夠實現表面特異性和體測量(bulk measurement)。在圖2中，透射平面平行於紙平面(plane of the paper), R_偏振的偏振(被引 導到紙平面之外的電場)入射光(101)導致線柵的線之間的間隔中的倏逝場和大量的反射 光(102)。從圖3中的模擬場分布可以看出，只有珠子(10)處於倏逝場的範圍內，從而導致 歸因於倏逝場增加的透射(104)或散射的鏡面反射(103)的減少。通過測量歸因於倏逝場 內珠子的存在的反射光或散射(的減少)，可以確定具有高表面特異性的珠子的濃度。典型的珠子大小是lO-lOOOnm的量級。由鋁製成的用於紅色激勵光的線柵(例如 具有632.8nm波長的HeNe雷射器)的典型參數是140nm的周期(對於該波長，在水中59% 的衍射極限)；50%的佔空比和160nm的高度。對於這些參數，用水填充的孔中(1/e)強度 衰減長度僅僅為17nm。對於這些參數，最大的珠子大小(即，「恰好」適合所述線之間的間 隔的珠子)被限制於略小於70nm。對於第一類型的孔，第一面內孔徑W1的優選值為小於 衍射極限的50%或小於119nm(對於632. 8nm的波長和用水填充的孔)，更優選地，第一面 內孔徑W1小於衍射極限的40%或小於95nm(對於632. 8nm的波長和用水填充的孔)，並且 最優選地第一面內孔徑W1小於衍射極限的30%或小於71nm(對於632. 8nm的波長和用水 填充的孔徑)。第二面內孔徑W2的優選值至少為衍射極限或至少為238nm(對於632. 8nm 的波長和用水填充的孔)，更優選地，第二面內孔徑W2為衍射極限的20-200倍或4. 8到 48 y m(對於632. 8nm的波長和用水填充的孔)，甚至更優選地，第二面內孔徑W2為衍射極 限的200-2000倍或48到480 ii m(對於632. 8nm的波長和用水填充的孔)，以及最優選地， 第二面內孔徑W2為衍射極限的至少200倍或480 y m(對於632. 8nm的波長和用水填充的 孔)。例如，考慮具有200nm直徑的珠子的情況。對於該直徑，580nm的周期和2/3的佔 空比是合理的選擇；387nm的線之間開口。為了避免傳播透射光的衍射級，光柵周期應當 低於水(折射率為1.33)中的衍射極限對於580nm的周期，這暗示入射光的波長為至少 1540nm。對於1600nm的波長和600nm的厚度，這導致109nm的(1/e)強度衰減長度和250 的背景抑制(對於線柵頂部的體(bulk))。在圖3中，利用指示載體表面12上提供的線20之間中和其頂部上的珠子的球體 10示出線柵偏振器內的模擬強度分布。優選地，珠子與包含小超順磁性顆粒(例如氧化鐵)的聚合物基體一起使用。珠 子的折射率應當不同於填充線的流體(其典型地為水)的折射率。可以通過計算用較高折射率的材料填充線之間的間隔對強度衰減的影響來獲得 線之間的珠子對線柵樣本的透射和反射的影響的粗略估計。(1/e)強度衰減長度從對於 用Si02 (折射率為1.45)填充的線柵的125nm增加到對於用Si3N4 (折射率為2)填充的線柵的1550nm。如果我們假設直徑為200nm的珠子可以由厚度為lOOnm的均勻層代表，則我 們發現通過線柵的透射的增加，假設沒有歸因於珠子及其環境之間折射率(分別是12%和 235% )不匹配的附加反射。線柵20具有周期(A)並且限定了孔W1和厚度T。為了實現良好的反射，材料的 各部分之間的開口優選地低於衍射受限的開口的80%。孔的衍射受限的波長可以典型地被 限定為等於最小孔徑W1兩倍的在該孔內部的介質中的波長。典型地，效率在針對零度入射 角(相對於入射平面的法線)的0.98到針對90度的入射角的幾乎1之間變化。作為可替 代方案，線柵20可以由2D次衍射(sub-diffraction)受限的孔的陣列替代，該陣列也被稱 為針孔結構。在這種情況下，限定結構的孔由本文上述的第二類型的孔組成。因此，這些陣 列具有高反射性(和孔內的倏逝場)以用於任意偏振。圖4示出根據本發明的一個方面的第一實施例，其中執行對歸因於倏逝體積中珠 子(10，11)的存在的入射光束變化的反射的直接測量。因此，測量了歸因於倏逝體積中珠 子(10)的存在的變化的反射。在珠子/粒子沒有引起散射的情況下，線柵(20)的線之間中 的倏逝體積內的珠子(10)的存在導致對於折射率高於流體3的折射率的珠子的減少的反 射，並且導致對於折射率高於流體3的折射率的珠子的增加的反射。珠子的高折射率(與 流體相比)導致倏逝場的局部不太急劇的衰減，從而導致增加的透射(104)和減少的反射 (103)。反射光(102,103)通過透鏡(310)在檢測器/CCD (22)上成像。典型地，比較器(未 示出)將被設置在檢測器中以將檢測的光束與參考束進行比較，從而測量反射光的減少以 指示目標成分的存在。圖5示出可替代的設置，其中測量歸因於倏逝體積中珠子的存在的增加的散射。 在該實施例中，檢測器22被設置為檢測散射光束105。散射光束105通過透鏡21在檢測器 表面22上成像，並且因此與鏡面反射光束(102)分離以指示目標成分(10)的存在。特別 地，倏逝場中珠子(10)的存在導致散射(105，106)。特別地，通過定向檢測開口(22)遠離 鏡面反射的光束(102)，通過在大於成像透鏡(21)的數值孔徑(NA)的角度下照射線柵，反 射光與散射光(105)在空間上分離。圖6示出用於檢測歸因於所述線之間的間隔中珠子/粒子(10)的存在的減少的 反射的改進的方案。珠子/粒子(10)的存在導致反射的局部減少。這在圖6中示出，其中 反射的局部減少導致反射光的強度分布(160)。使用傅立葉光學方法，可以在所述線之間的 間隔中沒有珠子的情況下濾出反射信號的貢獻。這在圖6中通過使用一對透鏡(70，72)來 示出，且第一透鏡(70)的焦平面中有遮光板(mask) (71)。在所述線和平面波輸入之間的間 隔中沒有珠子的情況下，信號的貢獻是在平行於系統的光軸的方向上傳播的平面波，並且 因此是空間頻譜中的DC(直流)分量。該DC分量102通過第一透鏡(70)在光軸上成像， 並且所得到的折射光束132被遮光板(71)阻擋。在相對於光軸的角度下傳播的更高的空 間頻率分量(由光束(105-a，b)示出)被透射且被折射為光束135a和135b，其將聚焦在 遠離光軸的第一透鏡後面的位置處。第二透鏡(72)用於重新獲得在相對於光軸的角度下 傳播的平面波(145-a，b)。圖4的實施例的設置的缺點在於，它需要對反射信號(其單獨 地為大信號)的小的減少進行測量。通過將圖6中描繪的實施例的透鏡系統70，72定位在 圖4中描述的實施例中的透鏡(21)的前面，可以在沒有珠子的情況下濾掉基線反射信號。 結果，可以使用檢測器的全部動態範圍來測量反射信號的減少。注意到，具有高NA的光學系統對於聚集儘可能多個的光來說是優選的。圖7示出裂縫的寬度對650的波長的反射衍射級的和的影響，填充線柵的高折射 性介質(330)、介質空氣(300)和水(310)的折射率作為參數。特別地，該圖示出反射對填 充裂縫的折射率具有很強的依賴性。優選地，裂縫的寬度充分低於構成線柵的材料的衍射 極限(312)、水的衍射極限(311)或填充裂縫20並在裂縫頂部的折射介質(330)的衍射極 限331。對於這裡所考慮的情況，這暗示裂縫的寬度< 246nm。裂縫的寬度的良好選擇為 150nm的寬度，其充分低於(水(310)中的衍射極限(311)的61%)所包含的材料的衍射 極限，並且改變所述裂縫內的材料的折射率導致反射的合理變化；反射從針對填充裂縫的 折射率為1. 58的介質(330)的77%變化為針對裂縫內和頂部上的空氣(300)的84% (參 見圖8)圖8示出所述線之間的間隔(在線柵的頂部有水)中的折射率對鏡面反射的影響。這裡，假設線柵孔寬度為150nm，且裂縫高度為300nm。為了估計珠子的存在對襯底的 影響，襯底上的珠子被模型化為裂縫內部的均勻層，其高度等於珠子的高度。即使這過於簡 化，其中由於粒子而非均勻層的存在，忽略散射效應，結果給出了所述線之間的珠子對線柵 的反射和透射的影響的合理指示，在這個情況下，其對於鏡面反射可以在0. 82 (折射率為 1)和0.77 (折射率為1.58)之間變化。該圖示出，一般地是具有實部N和虛部K的複數的 目標成分或珠子的折射率應當不同於其中包含目標成分的流體或介質的折射率，以提供可 檢測的對比。典型的範圍可以是實部0. 1的差異(例如水具有折射率的實部N= 1.33， 而珠子具有與該折射率相差0. 1的折射率)。此外，對比效應可以由虛部K的差來提供，典 型地，具有的差為1。圖9示出折射率為1. 58的厚層對鏡面(OR)反射(線900)的影響以及對反射和 透射(總計)(線910)的和的影響。可以看出，折射率為1.58的層(代表直徑等於所述層 的厚度的聚苯乙烯珠子)的厚度的增加導致基本(Oth級)反射的減少。該減少對於小於 50nm的厚度特別明顯，這是預期的，因為倏逝場的滲透深度為39nm。反射的和透射的級的 和的曲線充分適度地與基本反射的曲線重疊，這指示反射的減少導致損失(由線柵的金 屬線吸收)的增加，而不是透射的增加。所描述的與用於激勵的磁性標籤結合的光學讀出的優點如下-廉價的柱(cartridge)該載體柱11可以由現對簡單的、聚合物材料的注模件組 成，該注模件還可以包含流體通道。-多分析物檢驗的大的復用可能性一次性柱中的結合表面12可以在大面積上被 光學掃描。可替代地，大面積成像是可能的，允許大的檢測陣列。這種陣列(位於光學透明 的表面上)可以通過例如不同結合分子在所述光學表面上的噴墨印刷來製成。該方法也使 得能夠通過使用多個光束和多個檢測器以及多個激勵磁體(機械地移動或電磁地激勵)來 實現在孔板中的高吞吐量檢驗。-激勵和感測是互不相關的磁性粒子的磁性激勵(通過大磁場和磁場梯度)不 影響感測過程。因此，所述光學方法允許在激勵期間連續監測信號。這提供對分析過程的 許多認識，並且它允許基於信號斜率(slope)的簡單的動力學檢測方法。-由於指數減少的倏逝場，所述系統是真正表面敏感的。-簡單的界面柱與讀取器之間不必具有電氣連接。探查該柱僅僅需要光學窗。因此，可以執行無接觸讀出。-低噪聲讀出是可能的。在實驗室環境中，典型地使用包括許多樣本室(「孔(well) 」的陣列的孔板，其 中可以並行地進行不同的檢驗。這些(一次性)孔(well)的生產非常簡單且廉價，因為單 個注模步驟便足夠。儘管在附圖和前面的描述中詳細示出並描述了本發明，但是這些圖示和描述將被 認為是說明性的或示範性的而非限制性的；本發明不限於所公開的實施例。在一個實例中，使用其他鄰近的介質，特別是折射率小於載體介質12的介質。應 當注意，使用全內反射也可以生成倏逝場。根據玻璃稜鏡的折射率nglass、載體中的入射角 θA以及所使用的光的波長λ，可以將倏逝場的大小描述為exV(-k^ng!ass2 Sin2 (ΘΜ)-nflJ ■ ζ)其中ζ為到界面的距離，k為波數(2 π/λ)。以相對於檢測表面的法線80度的 光束角進入水中的滲透深度((1/e)強度)的範圍從針對矽石(折射率為1.45)的IOOnm 下降到針對高折射率玻璃(折射率為2)的35nm。這裡，假設樣本基質的折射率nfluid = 1. 33 (與水相似)，且假設所使用的光的波長為650nm(DVD雷射器)。然而，在全內反射的情 況下，歸因於載體和樣本基質之間的界面處珠子的存在的鏡面反射的期望的減少設置珠子 的折射率的最小值nbead ^ nglass · sin(a)(1)該式子暗示，存在珠子的折射率的最小值。特別地，對於大多數實踐應用，倏逝場 進入載體頂部上的樣本基質(1003)中的滲透優選地被限於結合到襯底的粒子。滲透深度 td_y(倏逝場的Ι/e強度)取決於稜鏡的折射率(nglass)和樣本基質的折射率(nfluid) 以及入射角(α):tdecay = λ/(4· π · V [(nglass. sin(a))2-nfluid2])(2)通過結合(1)和(2)，發現對於給定的倏逝場滲透深度的一個針對珠子的折射率 的準則formula see original document page 10(3)此外，在全內反射的情況下，進入介質中的滲透深度通過選擇載體材料和用於包 含目標成分的介質來限制。例如30nm的適當的衰減長度要求稜鏡的折射率至少為1. 87。優選地，用於全內 反射的稜鏡由低成本的材料(例如聚苯乙烯和聚碳酸酯，其典型的折射率分別為1.55和 1.58)製成。這些材料將水中的滲透深度分別限制在65nm和60nm的最小值。此外，全內反射要求掠入射。而且，衰減長度取決於入射角。對於聚碳酸酯稜鏡， 60度的入射角導致504nm的滲透深度。本發明通過使用由多個限定具有小於衍射極限的最 小面內孔徑Wl的結構的孔生成倏逝場而減輕了所述全內反射布置的限制。儘管上面參考特定實施例描述了本發明，但是各種修改和擴展是可能的，例如-除了分子分析之外，還可以利用根據本發明的傳感器設備檢測更大的分子部分 (moieties)，例如細胞、病毒或細胞或病毒的組分、組織提取液等等。
-所述檢測可以在傳感器元件相對於傳感器表面進行掃描或不進行掃描的情況下 進行。-測量數據可以作為終點測量而導出，以及通過運動地或間歇地記錄信號來導出。-用作標籤的粒子可以通過感測方法直接檢測。粒子也可以在檢 測之前被進一步 處理。進一步處理的實例是，加入材料或修改標籤的(生物)化學或物理屬性以利於檢測。-所述設備和方法可以與若干生物化學分析類型一起使用，這些生物化學分析類 型例如結合/去結合分析、夾心法分析、競爭性分析、置換分析、酶分析等等。它特別適合於 DNA檢測，因為大規模復用容易地是可能的，並且可以通過噴墨印刷在光學襯底上來認出不 同的寡核苷酸(oligos)。-所述設備和方法適合用於傳感器復用(即，不同傳感器和傳感器表面的並行使 用)、標籤復用(即，不同類型標籤的並行使用)以及腔室復用(即，不同反應室的並行使 用)。-所述設備和方法可以用作針對小樣本體積的快速的、具魯棒性的和易於使用的 現場即時(point of care)生物傳感器。反應室可以是與緊湊的讀取器一起使用的一次性 用品，包含所述一個或多個場生成裝置和一個或多個檢測裝置。而且，本發明的設備、方法 和系統可以在自動化高吞吐量檢驗中使用。在這種情況下，反應室是例如適合自動化儀器 的孔板或試管。本領域技術人員在實踐所要求保護的本發明時，通過研究附圖、公開文本和所附 權利要求書能夠理解並實現對所公開的實施例的其他變形。最後，應當指出，在本申請中， 術語「包括」不排除其他元件或步驟，「一」不排除多個，並且單個處理器或其他單元可以實 現若干裝置的功能。本發明在於每個新穎的特性特徵和每個特性特徵的組合。另外，權利 要求書中的附圖標記不應當被解釋為限制其範圍。
權利要求
一種用於檢測目標成分的微電子傳感器設備，包括-具有目標成分可以在其處聚集的結合表面的載體；-用於發射在結合表面處入射的具有波長的輻射束的源；-用於以反射模式確定所述發射的輻射的量的檢測器；其中-所述結合表面設有多個孔，所述孔限定具有小於衍射極限的最小面內孔徑(W1)的結構，所述衍射極限由輻射波長和用於包含所述目標成分的介質限定。
2.根據權利要求1的微電子傳感器設備，其中限定結構的所述孔限定最大面內孔徑 W2 ；其中所述最大面內孔徑大於衍射極限。
3.根據權利要求1的微電子傳感器設備，其中所述限定結構的孔包括在所述載體上提 供的不透明介質。
4.根據權利要求1的微電子傳感器設備，其中所述目標成分是不發光的。
5.根據權利要求1的微電子傳感器設備，進一步包括用於產生可以影響所述標籤粒子 的磁場⑶和/或電場的場發生器。
6.根據權利要求1的微電子傳感器設備，其中所述目標成分限定不同於所述介質折射 率的折射率。
7.根據權利要求1的微電子傳感器設備，進一步包括與結合表面鄰近的樣本室，其中 可以提供與所述孔連通的具有目標成分的樣本。
8.根據權利要求1的微電子傳感器設備，進一步包括用於確定來自以反射模式測量的 光束的研究區域中目標成分的量的評價模塊。
9.根據權利要求1的微電子傳感器設備，進一步包括用於以反射模式在觀察周期上監 測所確定量光的記錄模塊。
10.根據權利要求1的微電子傳感器設備，其中用於以反射模式確定所述發射的輻射 的量的檢測器包括比較器，以將所檢測的光束與參考束進行比較，從而測量反射光的減少 以指示目標成分的存在。
11.根據權利要求1的微電子傳感器設備，其中所述檢測器被設置為檢測與衍射的光 束分離的散射光束以指示目標成分的存在。
12.根據權利要求12的微電子傳感器設備，其中所述檢測器包括遮光板，以過濾檢測 的光束的空間頻譜中的DC分量。
13.一種孔板，包括多個根據權利要求12的載體。
14.一種檢測介質中目標成分的存在的方法，包括-通過限定結構的多個孔提供目標成分可以在其處聚集的結合表面，所述結構具有小 於衍射極限的最小面內孔徑(Wl)，該衍射極限由用於包含目標成分的介質限定；-發射入射在結合表面上的輻射束，該結合表面由多個限定結構的孔形成，所述結構具 有小於衍射極限的最小面內孔徑(W1)，該衍射極限由用於包含目標成分的介質限定；以及-以反射模式檢測所述輻射的量。
15.根據權利要求14的方法，其中所述目標成分被設置為與生物分子結合。
全文摘要
提供了一種用於檢測包括標籤粒子的目標成分的微電子傳感器設備，包括具有目標成分可以在其處聚集的結合表面的載體；用於發射入射在該結合表面處的光束的光源；用於確定反射的光束中光量的光檢測器。在本發明的一個方面，所述結合表面由多個孔提供，所述多個孔限定具有小於衍射極限的最小面內孔徑(W1)的結構，該衍射極限由用於包含所述目標成分的介質限定。優選地，使用所述傳感器設備，其中目標成分是不發光的。
文檔編號G01N33/543GK101809445SQ200880109313
公開日2010年8月18日 申請日期2008年9月24日 優先權日2007年9月28日
發明者A·H·J·英明克, D·J·W·克倫德 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司