專利名稱：基于柱的生物傳感器及其制造方法
基于柱的生物傳感器及其制造方法本公開(kāi)通常涉及生物傳感器，更具體地，涉及基于柱的生物傳感器及 其制造方法。在分子診斷領(lǐng)域，生物傳感器通常用于檢測(cè)分析物中目標(biāo)物質(zhì)的存在 和/或濃度。這種檢測(cè)是基于與"結(jié)合位點(diǎn)"的特異性結(jié)合或固定在基質(zhì)上 的捕捉探針。為了使這種結(jié)合可得到檢測(cè)，將標(biāo)記元素(以后稱之為"標(biāo) 記")附于目標(biāo)上。標(biāo)記信號(hào)需要用盡可能高的靈敏度來(lái)檢測(cè)。目前存在不 同的方法來(lái)建立這種捕捉探針-目標(biāo)-標(biāo)記的裝配(例如，人們可首先將標(biāo)記 附于目標(biāo)上，然后讓其偶聯(lián)結(jié)合到捕捉探針，或者人們可首先將目標(biāo)與捕 捉探針結(jié)合并在第二步中對(duì)固定不動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記)。如果人們希望在結(jié) 合反應(yīng)時(shí)仍繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量，或者對(duì)于來(lái)自溶液的背景信號(hào)問(wèn)題以及為去除 非特異性結(jié)合目標(biāo)和/或標(biāo)記所需的清洗步驟而言，這是非常重要的。盡管 對(duì)標(biāo)記的存在進(jìn)行測(cè)定，但是人們僅關(guān)心附于由捕捉探針固定到基質(zhì)上的 目標(biāo)上的標(biāo)記。另外，典型的分子診斷實(shí)驗(yàn)篩選生物樣品， 一般為液體分析混合物， 用于檢測(cè)某些生物成分("目標(biāo)")，例如基因或蛋白質(zhì)。這可通過(guò)檢測(cè)目標(biāo) 與附于固體表面的捕捉探針的選擇性結(jié)合的發(fā)生來(lái)完成。選擇性結(jié)合的動(dòng) 力學(xué)，也稱為"雜化"，是該實(shí)驗(yàn)的一個(gè)主要方面。理想情況下期望一種高 效快速的雜化過(guò)程，其中在盡可能最短的時(shí)間內(nèi)使所有目標(biāo)分子與捕捉探 針進(jìn)行雜化。同樣，由于樣品制備所涉及的成本，因此使所使用的生物樣 品量保持盡可能的少是非常重要的。雜化步驟隨后進(jìn)行清洗步驟，在清洗 步驟中將所有未結(jié)合的目標(biāo)分子沖洗掉，最后是檢測(cè)步驟。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)基于 對(duì)附于目標(biāo)分子上的熒光標(biāo)記的熒光檢測(cè)。非常重要的是，將進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，生物傳感器盒(cartridge)設(shè)計(jì)成這樣，使得檢測(cè)過(guò)程最佳。目 前，遍常的做法是，生物傳感器盒在不同的站點(diǎn)經(jīng)歷不同的實(shí)驗(yàn)步驟。例 如，在雜化爐中執(zhí)行雜化，并隨后將其放置在清洗站中。最后在通常稱為"掃描器"的不同的站點(diǎn)中對(duì)該盒進(jìn)行分析用于熒光檢測(cè)。在已知的分子診斷方法中最顯著的限制是低效率的特異性結(jié)合過(guò)程和過(guò)度的雜化時(shí)間。人們廣泛接受的是，流通式(flowtrough)傳感器構(gòu)型在 結(jié)合效率和雜化時(shí)間上能提供的最佳性能。這是因?yàn)榱魍ㄊ浇Y(jié)構(gòu)，例如多 孔介質(zhì)使用"體積效應(yīng)"并使可發(fā)生結(jié)合的有效區(qū)域最大。同時(shí)，保持溶 液中存在的分子和潛在的結(jié)合表面之間的平均距離最小，從而使雜化時(shí)間 最小，這是一個(gè)有限擴(kuò)散的過(guò)程。然而，根據(jù)激發(fā)檢測(cè)，這種流通式構(gòu)型 不是優(yōu)選的，這是因?yàn)榇龣z測(cè)的感興趣分子被埋在體積結(jié)構(gòu)中。結(jié)果，感 興趣分子難以激發(fā)，并且任何由此生成的熒光也難以收集。此外，能提供 結(jié)合分子對(duì)非結(jié)合分子的選擇性檢測(cè)的敏感方法，例如共焦激發(fā)或漸逝激 發(fā)(evanescentexcitation)在己有的流通式構(gòu)型中完全禁止。因此，我們期望獲得一種克服本領(lǐng)域中存在問(wèn)題的改進(jìn)的分子診斷生 物傳感器及其制造方法。

圖1是根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器的一部分的頂視圖；圖2是根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器10在圖1那部分 沿線2-2的剖視圖；圖3是根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器的一部分在其制 造期間的剖視圖；圖4是根據(jù)本公開(kāi)另一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器的一部分在其 制造期間的剖視圖；圖5是根據(jù)本公開(kāi)又一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器的一部分在其 制造期間的剖視圖；圖6是針對(duì)根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器進(jìn)行掃描檢測(cè)方 法的框圖表示視圖；圖7是根據(jù)本公開(kāi)另一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器的一部分的剖 視圖；圖8是針對(duì)根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的圖7的基于柱的生物傳感器進(jìn)行 成像檢測(cè)法的框圖表示視圖；圖9是針對(duì)根據(jù)本公開(kāi)另一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器進(jìn)行掃描 檢測(cè)方法的框圖表示視圖；圖IO是針對(duì)根據(jù)本公開(kāi)又一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器進(jìn)行掃描 檢測(cè)方法的框圖表示視圖；以及圖11是根據(jù)本公開(kāi)另一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器的一部分的頂 視圖。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。此外，應(yīng)當(dāng)注意到的是， 附圖及不同部分的相關(guān)比例并非按比例繪制。根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，新的生物傳感器在流通式構(gòu)型中使用漸逝激發(fā)。 各實(shí)施例的中心特征包括使結(jié)合區(qū)域最大的柱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)還允許共同進(jìn) 行對(duì)雜化分子而非未結(jié)合分子進(jìn)行選擇性漸逝激發(fā)，以及有效收集熒光從 而為敏感檢測(cè)做準(zhǔn)備。在一個(gè)實(shí)施例中，該生物傳感器包括盒式設(shè)計(jì)。具 體而言，生物傳感器包括允許受控的漸逝激發(fā)、結(jié)合分子的特異性檢測(cè)和 高效熒光檢測(cè)、同時(shí)保持流通式構(gòu)型優(yōu)勢(shì)的周期性柱結(jié)構(gòu)?；谥纳?傳感器結(jié)構(gòu)與注模復(fù)制的方法相配，從而為較低單位生產(chǎn)成本做準(zhǔn)備。另 外，應(yīng)用本文所討論的生物特異性層對(duì)于本公開(kāi)的實(shí)施例而言相對(duì)簡(jiǎn)單， 再次直接影響單位成本。根據(jù)本公開(kāi)各實(shí)施例的柱結(jié)構(gòu)使結(jié)合區(qū)域最大， 并考慮共同(i)相對(duì)于未結(jié)合分子進(jìn)行雜化分子的選擇性漸逝激發(fā)，以及 (ii)進(jìn)行有效的熒光檢測(cè)。圖1是根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器10的一部分的頂 視圖?；谥纳飩鞲衅鱅O包括頂層12和多個(gè)柱結(jié)構(gòu)14，圍繞各柱結(jié) 構(gòu)14的周長(zhǎng)布設(shè)有生物特異性層16。柱結(jié)構(gòu)14和生物特異性層16用虛線 示出以表示它們都位于頂層12的下方。如圖1所示，各柱結(jié)構(gòu)布置成平行 的多行柱結(jié)構(gòu)，其中一行用附圖標(biāo)記18表示。圖2是根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的基于柱的傳感器10在圖1那部分沿線 2-2的剖視圖。如上所示，基于柱的生物傳感器IO包括頂層12和多個(gè)柱結(jié) 構(gòu)14，圍繞各柱結(jié)構(gòu)14的周長(zhǎng)布設(shè)有生物特異性層16。在該實(shí)施例中， 基于柱的生物傳感器10包括底層20。箭頭22示出適當(dāng)?shù)纳镙d體通過(guò)柱 結(jié)構(gòu)14之間區(qū)域的雙向流動(dòng)。生物載體的流動(dòng)接觸到圍繞柱結(jié)構(gòu)14的周長(zhǎng)布設(shè)的生物特異性層16。圖1和2示出了根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的基于柱生物傳感器的原理， 其中在兩層之間嵌有周期性柱結(jié)構(gòu)。生物載體流22設(shè)計(jì)成沿如圖2所示的 水平方向，并且其流動(dòng)特性(例如，均勻性、流速等)可根據(jù)特定的柱結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行修整。另外，柱14涂覆有生物特異性層16，其用作分子特異性 結(jié)合區(qū)域。圖3是根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器的一部分在其制 造期間的剖視圖。在該實(shí)施例中，使用模塊化制造技術(shù)來(lái)制造基于柱的生 物傳感器10。該制造技術(shù)包括分別制造頂部(或第一組成部分)和底部(或 第二組成部分)，然后將頂部和底部連接在一起以形成組合的基于柱的生物 傳感器。如圖所示，頂部包括頂層12、柱結(jié)構(gòu)14和生物特異性層16。在 一個(gè)實(shí)施例中，周期性柱結(jié)構(gòu)14和頂層12可以例如使用任何適當(dāng)?shù)淖⒛?工藝一起制造或成型。另外，可以例如使用任何適當(dāng)?shù)纳疃韧扛补に噥?lái)增 加生物特異性層16。此外，底部包括底層20。在一個(gè)實(shí)施例中，底部或底 結(jié)構(gòu)可與頂部或頂結(jié)構(gòu)分離地使用任何適當(dāng)?shù)淖⒛＜夹g(shù)進(jìn)行制造或成型。還可使用薄膜技術(shù)給底層20增加反射鏡，后面還將對(duì)此做出進(jìn)一步的討論。 最后，圖3示出了空間上分離布置的頂部和底部。當(dāng)進(jìn)行組裝時(shí)，使用任 何能將它們固定并保持在一起的適當(dāng)連接方法將柱結(jié)構(gòu)14的底面24偶聯(lián) 到底層20的頂面。在一個(gè)實(shí)施例中，基于柱的生物傳感器結(jié)構(gòu)的典型尺寸具有相當(dāng)于一 到一百微米(即，1-100微米)之間的柱直徑。為了高效的制造，任何特定 柱的長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)相當(dāng)于其直徑的二到十倍(2-10x)。在一個(gè)實(shí)施例中， 基于柱的生物傳感器結(jié)構(gòu)包括相當(dāng)于二十(20)微米直徑和相當(dāng)于大約六 十(60)微米長(zhǎng)度的多個(gè)柱，并且柱間的距離相當(dāng)于約為柱的直徑。后一 實(shí)施例除了獲得期望的可控生物載體流外，考慮到注模工藝的特殊性以及 深度涂覆的可能性。圖4是根據(jù)本公開(kāi)另一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器的一部分在其 制造期間的剖視圖。在該實(shí)施例中，使用模塊化制造技術(shù)來(lái)制造基于柱的 生物傳感器30。該制造技術(shù)包括分別制造頂部(或第一組成部分)和底部 (或第二組成部分)，然后將頂部和底部連接在一起以形成組合的基于柱的生物傳感器。如圖所示，頂部包括頂層32、柱結(jié)構(gòu)34和生物特異性層36。 在一個(gè)實(shí)施例中，柱結(jié)構(gòu)34和頂層12的布置可以例如使用任何適當(dāng)?shù)淖?模工藝一起制造或成型。另外，可以例如使用任何適當(dāng)?shù)纳疃韧扛补に噥?lái) 增加生物特異性層36。底部包括底層38、柱結(jié)構(gòu)40和生物特異性層42。 在一個(gè)實(shí)施例中，柱結(jié)構(gòu)40和底層38的布置可以例如使用任何適當(dāng)?shù)淖?模工藝進(jìn)行制造或成型。另外，在一個(gè)實(shí)施例中，頂部的生物特異性層36 和底部的生物特異性層42為同樣的成分。在另一實(shí)施例中，頂部的生物特 異性層36和底部的生物特異性層42為不同的成分。另外，頂部包括第一組柱結(jié)構(gòu)34而底部包括第二組柱結(jié)構(gòu)40。在一個(gè) 實(shí)施例中，第一和第二組柱結(jié)構(gòu)形成互補(bǔ)的兩組柱結(jié)構(gòu)。在另一實(shí)施例中， 基于柱的生物傳感器30的頂部和底部彼此互補(bǔ)。另外，圖4示出了空間上 分離布置的頂部和底部。當(dāng)進(jìn)行組裝時(shí)，使用任何能將其固定并保持在一 起的適當(dāng)連接方法將柱結(jié)構(gòu)34的底面44偶聯(lián)到底層38的頂面46。圖5是根據(jù)本公開(kāi)又一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器的一部分在其 制造期間的剖視圖。在該實(shí)施例中，使用模塊化制造技術(shù)來(lái)制造基于柱的 生物傳感器50。該制造技術(shù)包括分別制造頂部(或第一組成部分)和底部 (或第二組成部分)，然后將頂部和底部連接在一起以形成組合的基于柱的 生物傳感器。如圖所示，頂部包括頂層12、柱結(jié)構(gòu)14和生物特異性層16。 在一個(gè)實(shí)施例中，柱結(jié)構(gòu)14和頂層12的布置可以例如使用任何適當(dāng)?shù)淖?模工藝一起制造或成型。另外，可以例如使用任何適當(dāng)?shù)纳疃韧扛补に噥?lái) 增加生物特異性層16。另外，底部包括底層20，在該底層的表面上布設(shè)有反射鏡52。在一個(gè) 實(shí)施例中，與頂部或頂結(jié)構(gòu)分離地，使用任何適當(dāng)?shù)淖⒛＜夹g(shù)制造底部或 底結(jié)構(gòu)。反射鏡52可包括任何適當(dāng)?shù)姆瓷溏R或反射層。例如，反射鏡52 可包括使用任何適當(dāng)?shù)谋∧ぜ夹g(shù)施加于底層20表面的反射涂層、貼附于底 層20表面的反射鏡或其他類似的反射鏡構(gòu)型。圖5示出了空間上分離布置 的頂部和底部。當(dāng)進(jìn)行組裝時(shí)，使用任何能將其固定并保持在一起的適當(dāng) 連接方法將柱結(jié)構(gòu)14的底表24偶聯(lián)到底層20上反射鏡52的頂面54。在 備選實(shí)施例中，反射鏡52可布設(shè)在底層的背面上，其中底層布設(shè)在反射鏡 和柱結(jié)構(gòu)的底面之間。圖6是針對(duì)根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器進(jìn)行掃描撿 測(cè)方法的框圖表示視圖。該檢測(cè)方法使用的檢測(cè)器60包括激光設(shè)備62、 二 色分光鏡64、檢測(cè)器66、透鏡68、透鏡70和透鏡72。圖6僅表示若干可 能掃描檢測(cè)器中的一個(gè)，該掃描檢測(cè)器將設(shè)置中的柱結(jié)構(gòu)與激發(fā)源和檢測(cè) 單元一同使用。激光器62提供激光束72，其聚焦在基于柱的生物傳感器50內(nèi)柱14 的一端上。柱材料的折射率高于沿箭頭22所示方向流動(dòng)的生物載體的折射 率。因此，激光所照射的柱作為光纖，從而將激光限制在其內(nèi)部。另外， 這種構(gòu)型在柱的側(cè)面產(chǎn)生漸逝場(chǎng)，延伸到足以選擇性激發(fā)在柱14涂覆的生 物層16上雜化的標(biāo)記分子。激發(fā)的熒光團(tuán)的熒光被有效地收集在柱內(nèi)。在 柱另一端的反射鏡52用于有效使用激發(fā)光，并將收集的熒光引向檢測(cè)器 66。 二色分光鏡64將反射光進(jìn)行過(guò)濾(在步驟65中)、由將光聚焦到柱內(nèi) 所使用的同一透鏡70進(jìn)行收集，使得僅熒光74到達(dá)檢測(cè)器66。該設(shè)計(jì)確 保漸逝場(chǎng)與已知設(shè)備相比達(dá)到更高的強(qiáng)度。高漸逝場(chǎng)為更好的信噪比 (SNR)和更小的積分時(shí)間的先決條件。由于漸逝激發(fā)，而不需要沖洗步 驟。另外，雜化動(dòng)力學(xué)可在原處進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖7是根據(jù)本公開(kāi)另一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器80的一部分的 剖視圖。基于柱的生物傳感器80包括頂層82和多個(gè)柱結(jié)構(gòu)84，圍繞柱結(jié) 構(gòu)84的周長(zhǎng)布設(shè)有生物特異性層86。頂層82包括多個(gè)顯微透鏡88。每個(gè) 顯微透鏡88與下面相應(yīng)的柱結(jié)構(gòu)對(duì)齊。在該實(shí)施例中，基于柱的生物傳感 器80包括底層90。底層卯包括多個(gè)顯微透鏡92。每個(gè)顯微透鏡92與上 面相應(yīng)的柱結(jié)構(gòu)對(duì)齊。箭頭22示出了適當(dāng)?shù)纳镙d體通過(guò)周期性柱結(jié)構(gòu)84 之間區(qū)域的雙向流動(dòng)。生物載體的流動(dòng)接觸到圍繞柱結(jié)構(gòu)84的周長(zhǎng)布設(shè)的 生物特異性層86。圖7進(jìn)一步示出了根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器的原 理，其中在兩層之間嵌有周期性柱結(jié)構(gòu)。將生物載體流22設(shè)計(jì)成沿如圖7 所示的水平方向，并且其流動(dòng)特性(例如，均勻性、流速等)可由特定的 周期性柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行修整。另外，柱84涂覆有作為分子特異性結(jié)合區(qū)域 的生物特異性層86。在圖7的實(shí)施例中，使用模塊化制造技術(shù)來(lái)制造基于柱的生物傳感器80。該制造技術(shù)包括分別制造頂部(或第一組成部分)和底部(或第二組 成部分)，然后將頂部和底部連接在一起以形成組合的基于柱的生物傳感器 80。如圖所示，頂部包括頂層82、柱結(jié)構(gòu)84和生物特異性層86。在一個(gè) 實(shí)施例中，柱結(jié)構(gòu)84和頂層82的布置可以例如使用任何適當(dāng)?shù)淖⒛９に?一起制造或成型。另外，可以例如使用任何適當(dāng)?shù)纳疃韧扛补に噥?lái)增加生 物特異性層86。此外，底部包括底層卯。在一個(gè)實(shí)施例中，與頂部或頂結(jié)構(gòu)分離地， 使用任何適當(dāng)?shù)淖⒛＜夹g(shù)制造底部和底結(jié)構(gòu)。也可使用薄膜技術(shù)將反射鏡 增加到底層90上，后面將對(duì)此做進(jìn)一步討論。最后，圖7示出了在裝配布 置中的頂部和底部，其中使用任何能將其固定并保持在一起的適當(dāng)連接方 法將柱結(jié)構(gòu)84的底面85偶聯(lián)到底層90的頂面91 。圖7的基于柱的生物傳 感器80還可使用類似于本文有關(guān)圖4和5的實(shí)施例所描述的制造方法進(jìn)行 制造。圖8是針對(duì)根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的圖7的基于柱的生物傳感器進(jìn)行 成像檢測(cè)方法的框圖表示視圖。該檢測(cè)方法使用的檢測(cè)器IOO包括激發(fā)光 102、濾波器106和檢測(cè)陣列108。檢測(cè)陣列108包括任何用于檢測(cè)熒光的 適當(dāng)檢測(cè)陣列，例如CCD、 CMOS或類似陣列。圖8僅表示若干可能掃描 檢測(cè)器中的一個(gè)，該掃描檢測(cè)器將設(shè)置中的柱結(jié)構(gòu)與激發(fā)源和檢測(cè)單元一 同使用。顯微透鏡結(jié)構(gòu)有效地將未校準(zhǔn)的激發(fā)光束102偶聯(lián)到生物傳感器的柱 結(jié)構(gòu)80中。柱材料的折射率高于沿箭頭22所示方向流動(dòng)的生物載體的折 射率。在頂層82處偶聯(lián)進(jìn)入每個(gè)柱84的光生成漸逝場(chǎng)，該漸逝場(chǎng)延伸進(jìn) 入生物特異性層86從而激發(fā)結(jié)合分子的熒光團(tuán)。 一部分熒光有效地偶聯(lián)進(jìn) 入相應(yīng)的柱結(jié)構(gòu)84。在各個(gè)柱結(jié)構(gòu)84另一端的底層部分90處，第二顯微 透鏡結(jié)構(gòu)92任選地將附圖標(biāo)記104指示的光(即，激發(fā)和熒光)引向檢測(cè) 陣列108。在檢測(cè)陣列108之前，濾波器106確保僅有附圖標(biāo)記107指示的 熒光到達(dá)檢測(cè)器陣列108。圖9是針對(duì)根據(jù)本公開(kāi)另一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器進(jìn)行掃描 檢測(cè)方法的框圖表示視圖。該檢測(cè)方法使用的檢測(cè)器110包括激光設(shè)備62、 二色分光鏡64、檢測(cè)器66、透鏡68、透鏡70和透鏡72，這些類似于參照?qǐng)D6所公開(kāi)和討論的內(nèi)容。圖9僅表示若干可能掃描檢測(cè)器中的一個(gè)，該 掃描檢測(cè)器將設(shè)置中的柱結(jié)構(gòu)與激發(fā)源和檢測(cè)單元一同使用。然而，在該 實(shí)施例中，除了生物傳感器的第一部分單獨(dú)用在開(kāi)流布置中并且具有反射 鏡外，生物傳感器11類似于參照?qǐng)D1-3和5所公開(kāi)和討論的生物傳感器。 即，第一部分這樣倒置使得柱結(jié)構(gòu)14的暴露面24豎直取向。另外，將反 射鏡28布設(shè)在層12的表面13上。反射鏡28可包括任何適當(dāng)?shù)姆瓷溏R或 反射層，例如，施加于層12的表面13的反射涂層、貼附于層12的表面13 的平面反射鏡或其他類似的反射鏡構(gòu)型。如圖9所示，基于柱的生物傳感 器ll用于開(kāi)放構(gòu)型，其中不包括上層。如果生物載體的蒸發(fā)不是問(wèn)題，則 這種開(kāi)放構(gòu)型有可能導(dǎo)致更低的制造成本和可能更高的檢測(cè)性能。
仍然參照?qǐng)D9，激光器62提供激光束72，其聚焦在基于柱的生物傳感 器11內(nèi)柱14的一端上。柱材料的折射率高于沿箭頭22所示方向流動(dòng)的生 物載體的折射率。因此，激光所照射的柱作為光纖，從而將激光限制在其 內(nèi)部。另外，這種構(gòu)型在柱的側(cè)面產(chǎn)生漸逝場(chǎng)，其延伸到足以選擇性激發(fā) 在柱14涂覆的生物層16上雜化的標(biāo)記分子。激發(fā)出熒光團(tuán)的熒光被有效 地收集在柱內(nèi)。在柱另一端的反射鏡28用于有效使用激發(fā)光，并將收集的 熒光引向檢測(cè)器66。 二色分光鏡64將反射光進(jìn)行過(guò)濾(在步驟65中)、由 將光聚焦到柱內(nèi)所使用的同一透鏡70進(jìn)行收集，使得僅熒光74達(dá)到檢測(cè) 器66。該設(shè)計(jì)確保漸逝場(chǎng)與已知設(shè)備相比達(dá)到更高的強(qiáng)度。高漸逝場(chǎng)為更 好的信噪比(SNR)和更小的積分時(shí)間的先決條件。由于漸逝激發(fā)，而不 需要沖洗步驟。另外，雜化動(dòng)力學(xué)可在原處進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
圖IO是針對(duì)根據(jù)本公開(kāi)又一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器進(jìn)行掃描 檢測(cè)方法的框圖表示視圖。該檢測(cè)方法使用的檢測(cè)器120包括激光設(shè)備62、 二色分光鏡64、檢測(cè)器66、透鏡68、透鏡70和透鏡72，這些類似于本文 參照?qǐng)D6和9所公開(kāi)和討論的內(nèi)容。圖IO僅表示若干可能掃描檢測(cè)器中的 一個(gè)，該掃描檢測(cè)器將設(shè)置中的柱結(jié)構(gòu)與激發(fā)源和檢測(cè)單元一同使用。然 而，在該實(shí)施例中，除了生物傳感器的第一部分單獨(dú)用在開(kāi)流布置中并且 具有反射鏡外，生物傳感器81類似于參照?qǐng)D7所公開(kāi)和討論的生物傳感器。 即，第一部分這樣倒置使得柱結(jié)構(gòu)84的暴露面85豎直取向。另外，反射 鏡122布設(shè)在層82的表面83上。反射鏡122可包括任何適當(dāng)?shù)姆瓷溏R或反射層，例如，施加于層12的表面83的反射涂層或其他反射鏡構(gòu)型。如 圖10所示，基于柱的生物傳感器81用于開(kāi)放構(gòu)型中，其中不包括上層。 如果生物載體的蒸發(fā)不是問(wèn)題，則這種開(kāi)放構(gòu)型有可能導(dǎo)致更低的制造成 本和可能更高的檢測(cè)性能。
仍然參照?qǐng)DIO，激光62提供激光束72，其聚焦在基于柱的生物傳感 器81內(nèi)柱84的一端上。柱材料的折射率高于沿箭頭22所示方向流動(dòng)的生 物載體的折射率。因此，激光所照射的柱作為光纖，從而將激光限制在其 內(nèi)部。另外，這種構(gòu)型在柱的側(cè)面產(chǎn)生漸逝場(chǎng)，其延伸到足以選擇性激發(fā) 在柱84涂覆的生物層86上雜化的標(biāo)記分子。激發(fā)出熒光團(tuán)的熒光被有效 地收集在柱內(nèi)。在柱另一端的反射鏡122用于有效使用激發(fā)光，并將收集 的熒光引向檢測(cè)器66。 二色分光鏡64將反射光進(jìn)行過(guò)濾(在步驟65中)、 由將光聚焦到柱內(nèi)所使用的同一透鏡70進(jìn)行收集，使得僅熒光74達(dá)到檢 測(cè)器66。該設(shè)計(jì)確保漸逝場(chǎng)與已知設(shè)備相比達(dá)到更高的強(qiáng)度。高漸逝場(chǎng)為 更好的信噪比(SNR)和更小的積分時(shí)間的先決條件。由于漸逝激發(fā)，而 不需要沖洗步驟。另外，雜化動(dòng)力學(xué)可在原處進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
圖11是根據(jù)本公開(kāi)另一個(gè)實(shí)施例的基于柱的生物傳感器130的一部分 的頂視圖。基于柱的生物傳感器130包括頂層132和多個(gè)柱結(jié)構(gòu)134，圍繞 柱結(jié)構(gòu)134的周長(zhǎng)布設(shè)有生物特異性層136。柱結(jié)構(gòu)134和生物特異性層 136用虛線示出以表示它們都在頂層132的下方。如圖11所示，各柱結(jié)構(gòu) 布置成蛇形的兩行，其中第一行和第二行分別用附圖標(biāo)記138和140表示。 雖然已經(jīng)參照?qǐng)D1和11示出并描述了兩種柱布置，但是應(yīng)該理解的是，任 何方式的柱結(jié)構(gòu)、構(gòu)型或布置都是可以的。
根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例，生物傳感器包括頂層和多個(gè)與頂層一體形 成并從頂層的表面伸出的柱結(jié)構(gòu)。另外，生物特異性層圍繞多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的 其中一個(gè)或多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的周長(zhǎng)布設(shè)。在另一實(shí)施例中，頂層包括多個(gè)顯微 透鏡，此外其中，多個(gè)顯微透鏡中的每一顯微透鏡安置在多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的相 應(yīng)一個(gè)上方。在又一實(shí)施例中，生物傳感器還包括布設(shè)在頂層的頂面上的 反射鏡，其中反射鏡將光反射入多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的端部。反射鏡可包括例如薄 膜反射鏡。
更進(jìn)一步，響應(yīng)于將生物傳感器倒置使得頂層變成底層，多個(gè)柱結(jié)構(gòu)和底層共同形成用于生物載體流的流通式構(gòu)型，其使得能夠(i)相對(duì)于未 結(jié)合分子進(jìn)行雜化分子的選擇性漸逝激發(fā)，以及(ii)進(jìn)行熒光檢測(cè)。此外， 底層和多個(gè)柱結(jié)構(gòu)還可包括折射率比生物載體的折射率高的材料。
在又一實(shí)施例中，頂層包括多個(gè)顯微透鏡，此外其中多個(gè)顯微透鏡中 的每一顯微透鏡安置在多個(gè)柱結(jié)構(gòu)中相應(yīng)一個(gè)的上方。生物傳感器還包括 布設(shè)在頂層的頂面上的反射鏡，反射鏡將光反射入多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的端部。另 外，響應(yīng)于將生物傳感器倒置使得頂層變成底層，多個(gè)柱結(jié)構(gòu)和底層共同 形成用于沿大體垂直于柱結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度尺寸的方向的生物載體流的流通式構(gòu)
型，其使得能夠(i)相對(duì)于未結(jié)合分子進(jìn)行雜化分子的選擇性漸逝激發(fā)， 以及(ii)進(jìn)行熒光檢測(cè)。此外，底層和多個(gè)柱結(jié)構(gòu)還可包括折射率比生物 載體的折射率高的材料。
在又一實(shí)施例中，生物傳感器還可包括底層和布設(shè)在底層的頂面或底 面之一上的反射鏡，其中將底層和反射鏡的組合一同偶聯(lián)到多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的 端部，另外其中所述反射鏡將光線反射入多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的端部。反射鏡可包 括例如薄膜反射鏡。底層還可包括多個(gè)顯微透鏡，其中多個(gè)顯微透鏡中的 每一顯微透鏡根據(jù)多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的相應(yīng)一個(gè)來(lái)安置。
生物傳感器可配置成這樣使得多個(gè)柱結(jié)構(gòu)、頂層和底層共同形成用于 沿大體垂直于柱結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度尺寸的方向的生物載體流的流通式構(gòu)型，其使 得能夠(i)相對(duì)于未結(jié)合分子進(jìn)行雜化分子的選擇性漸逝激發(fā)，以及(ii) 進(jìn)行熒光檢測(cè)。另外，頂層、底層和多個(gè)柱結(jié)構(gòu)可包括折射率比生物載體 的折射率高的材料。
雖然上面僅詳細(xì)描述了幾個(gè)示例性實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng) 當(dāng)很容易意識(shí)到的是，在本質(zhì)上不脫離本公開(kāi)各實(shí)施例的新穎講授和優(yōu)點(diǎn) 的情況下各示例性實(shí)施例中可能有許多的改進(jìn)。例如，如參照?qǐng)Dl-5、 7和 11所描述的各生物傳感器可進(jìn)一步集成到更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中，例如生物傳感 器盒中。另外，本公開(kāi)的各實(shí)施例可用于分子診斷領(lǐng)域的多種應(yīng)用中，包 括但不局限于臨床診斷、床旁診斷、先進(jìn)的生物分子診斷研究-生物傳感 器、基因和蛋白質(zhì)表達(dá)陣列、環(huán)境傳感器、食品質(zhì)量傳感器等等。因此， 所有這些修正旨在落在如權(quán)利要求書(shū)中所定義的本公開(kāi)各實(shí)施例的范圍 內(nèi)。在權(quán)利要求書(shū)中，裝置加功能的條款旨在覆蓋本文在執(zhí)行所引述功能 時(shí)描述的各結(jié)構(gòu)，且不但是結(jié)構(gòu)的等價(jià)物，還包括等價(jià)的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1. 一種生物傳感器(10)，包括頂層(12)；多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14)，與所述頂層一體形成并從所述頂層的表面伸出；以及生物特異性層(16)，圍繞所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的其中一個(gè)或多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的周長(zhǎng)布設(shè)。
2、 如權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，所述頂層(82)包括多個(gè) 顯微透鏡(88)，此外其中，所述多個(gè)顯微透鏡的每一顯微透鏡安置在所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的相應(yīng)一個(gè)上方。
3、 如權(quán)利要求l所述的生物傳感器，其中，所述頂層(12)和所述多 個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14)共同包括注模組成部分。
4、 如權(quán)利要求l所述的生物傳感器，其中，使用深度涂覆工藝圍繞所 述柱結(jié)構(gòu)的周長(zhǎng)布設(shè)所述生物特異性層(16)。
5、 如權(quán)利要求1所述的生物傳感器，還包括反射鏡(28)，布設(shè)在所述頂層(12)的頂面(13)上，其中，所述反 射鏡將光反射入所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的端部。
6、 如權(quán)利要求5所述的生物傳感器，其中，所述反射鏡(28)包括薄 膜反射鏡。
7、 如權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，響應(yīng)于使所述生物傳感器 (11)倒置使得所述頂層(12)變成底層，所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14)和所述底層共同形成用于生物載體流的流通式構(gòu)型，其使得能夠(i)相對(duì)于未結(jié) 合分子進(jìn)行雜化分子的選擇性漸逝激發(fā)，以及(ii)進(jìn)行熒光檢測(cè)。
8、 如權(quán)利要求7所述的生物傳感器，其中，所述底層和所述多個(gè)柱結(jié) 構(gòu)(14)包括折射率比所述生物載體的折射率高的材料。
9、 如權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，所述頂層(82)包括多個(gè) 顯微透鏡(88)，此外其中，所述多個(gè)顯微透鏡的每一顯微透鏡安置在所述 多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(84)的相應(yīng)一個(gè)上方，所述生物傳感器還包括反射鏡(122)，布設(shè)在所述頂層(82)的頂面上，其中，所述反射鏡 將光反射入所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(84)的端部，并且其中，響應(yīng)于使所述生物 傳感器倒置使得所述頂層變成底層，所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)和所述底層共同形成 用于沿大體垂直于所述柱結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度尺寸的方向的生物載體流的流通式構(gòu) 型，其使得能夠(i)相對(duì)于未結(jié)合分子進(jìn)行雜化分子的選擇性漸逝激發(fā)， 以及(ii)進(jìn)行熒光檢測(cè)。
10、 如權(quán)利要求9所述的生物傳感器，其中，所述底層和所述多個(gè)柱 結(jié)構(gòu)(84)包括折射率比所述生物載體的折射率高的材料。
11、 如權(quán)利要求1所述的生物傳感器，還包括 底層(20);以及反射鏡(52)，布設(shè)在所述底層的頂面或底面之一上，其中，將所述底 層和反射鏡的組合一同偶聯(lián)到所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14)的端部，此外其中， 所述反射鏡將光反射入所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的端部。
12、 如權(quán)利要求ll所述的生物傳感器，其中，所述反射鏡(52)包括 薄膜反射鏡。
13、 如權(quán)利要求11所述的生物傳感器，其中，所述底層(90)包括多 個(gè)顯微透鏡(92)，此外其中，所述多個(gè)顯微透鏡的每一顯微透鏡根據(jù)所述 多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的相應(yīng)一個(gè)進(jìn)行安置。
14、 如權(quán)利要求ll所述的生物傳感器，其中，所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14)、 所述頂層(20)和所述底層共同形成用于沿大體垂直于所述柱結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度 尺寸的方向的生物載體流的流通式構(gòu)型，其使得能夠(i)相對(duì)于未結(jié)合分 子進(jìn)行雜化分子的選擇性漸逝激發(fā)，以及(ii)進(jìn)行熒光檢測(cè)。
15、 如權(quán)利要求14所述的生物傳感器，其中，所述頂層(12)、所述 底層(20)和所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14)包括折射率比所述生物載體的折射率 高的材料。
16、 如權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，所述頂層(12)、所述多 個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14)和所述生物特異層(16)包括第一組成部分，所述生物傳 感器還包括第二組成部分(20, 38， 90)，偶聯(lián)到所述第一組成部分。
17、 如權(quán)利要求16所述的生物傳感器，其中，所述第二組成部分包括 底層(20)。
18、 如權(quán)利要求16所述的生物傳感器，其中，所述第二組成部分包括-底層(38);第二多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(40)，與所述底層一體形成并從所述底層的表面伸出；以及第二生物特異性層(42),圍繞所述第二多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的其中一個(gè)或多個(gè) 柱結(jié)構(gòu)的周長(zhǎng)布設(shè)。
19、 如權(quán)利要求18所述的生物傳感器，其中，所述頂層(82)包括多 個(gè)顯微透鏡(88)，此外其中，所述多個(gè)顯微透鏡的每一顯微透鏡安置在所 述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(84)的相應(yīng)一個(gè)上方，并且其中，所述底層(90)包括第 二多個(gè)顯微透鏡(92)，此外其中，所述第二多個(gè)顯微透鏡的每一顯微透鏡 安置在所述第二多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的相應(yīng)一個(gè)下方。
20、 如權(quán)利要求18所述的生物傳感器，其中，所述頂層(32)、所述 第一組成部分的多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(34)、所述底層(38)和第二多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(40) 共同形成用于沿大體垂直于所述柱結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度尺寸的方向的生物載體流的 流通式構(gòu)型，其使得能夠(i)相對(duì)于未結(jié)合分子進(jìn)行雜化分子的選擇性漸 逝激發(fā)，以及(ii)進(jìn)行熒光檢測(cè)。
21、 如權(quán)利要求20所述的生物傳感器，其中，所述頂層(32)、所述 第一組成部分的所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(34)、所述底層(38)和所述第二多個(gè)柱 結(jié)構(gòu)(40)包括折射率比所述生物載體的折射率高的材料。
22、 如權(quán)利要求18所述的生物傳感器，此外其中，所述第二組成部分 的第二多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(40)包括互補(bǔ)的所述第一組成部分的所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(34)。
23、 如權(quán)利要求22所述的生物傳感器，此外其中，所述第二組成部分 的第二生物層(42)和所述第一組成部分的所述生物層(36)為同樣的成 分。
24、 如權(quán)利要求22所述的生物傳感器，此外其中，所述第二組成部分 的所述第二生物層(42)和所述第一組成部分的所述生物層(36)為不同 的成分。
25、 如權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，每個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14)具有 相當(dāng)于一到一百微米的柱直徑和相當(dāng)于小于或等于其直徑的二到十倍的長(zhǎng) 度。
26、 如權(quán)利要求1所述的生物傳感器，此外其中，所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14) 在空間上以相當(dāng)于柱直徑的柱間距相分離。
27、 如權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，每個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14)具有相當(dāng)于二十微米的柱直徑和相當(dāng)于六十微米的長(zhǎng)度，此外其中，所述多個(gè) 柱結(jié)構(gòu)在空間上以相當(dāng)于所述柱直徑的柱間距相分離。
28、 如權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，圍繞每個(gè)柱結(jié)構(gòu)的周長(zhǎng) 布設(shè)的所述生物特異性層(16)作為分子特異性結(jié)合區(qū)域，并且其中，所 述柱結(jié)構(gòu)配置成使所述分子特異性結(jié)合區(qū)域最大。
29、 如權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，所述多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14) (i) 布置成平行的多行柱結(jié)構(gòu)，或(ii)布置成蛇形方式平行的多行柱結(jié)構(gòu)，或(iii)布置成任何方式的柱結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種生物傳感器(10)包括頂層(12)和與頂層一體形成的多個(gè)柱結(jié)構(gòu)(14)，該多個(gè)柱結(jié)構(gòu)從頂層的表面伸出。該生物傳感器還包括圍繞多個(gè)柱結(jié)構(gòu)的柱結(jié)構(gòu)周長(zhǎng)布設(shè)的生物特異性層(16)。
文檔編號(hào)B01L3/00GK101305274SQ200680041413
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2006年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月7日
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