專利名稱：廣譜光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種廣譜傳感器及其制造方法，這種傳感器可以檢測(cè)到化學(xué)的、生物的、生物化學(xué)的或者是其他環(huán)境刺激，原理是急于這些物質(zhì)對(duì)傳感器材料的機(jī)械光學(xué)性質(zhì)的影響。
背景技術(shù)：
化學(xué)傳感器是將膠質(zhì)粒子的晶體域植入凝膠矩陣中。適當(dāng)?shù)闹苽淠z，如水凝膠，可以增大或者聯(lián)系物理化學(xué)環(huán)境下的反饋。被植入膠質(zhì)晶體的晶格常數(shù)隨著溶膠的膨脹而增大，而且它的光學(xué)衍生性質(zhì)也之變化，這些變化都可以被檢測(cè)到。這些相應(yīng)可以用特異性的刺激物來優(yōu)化，通過將功能性基團(tuán)引入凝膠當(dāng)中，該凝膠可以與刺激物反應(yīng)，并且減低想得到的對(duì)凝膠的結(jié)構(gòu)上的變化。
這種技術(shù)的實(shí)施例中，已經(jīng)將必要的功能性基團(tuán)直接整合到凝膠做組成的聚合體當(dāng)中(see Asher，U.S.Patent No.6,544,800，and Asher etal.，U.S.Patent Nos.5,187,599，5,854,078，and 5,898,004-hereafterthe″Asher patents″)。一旦凝膠用這種方法使其功能化，它將響應(yīng)特異性的刺激物而膨脹，而且已經(jīng)植入的膠質(zhì)粒子將被做為機(jī)械狀態(tài)或者功能化的水凝膠膨脹程度的被動(dòng)跟蹤者(標(biāo)記)。如Asher在其專利中所述，凝集的膨脹程度用測(cè)量植入凝膠的膠質(zhì)晶體的光學(xué)特性來監(jiān)控。晶格常數(shù)的變化將會(huì)使膠質(zhì)晶體衍射圖發(fā)生可測(cè)量的變化。
特別的，如Asher在其專利中所述，均一大小膠質(zhì)球體可以字聚集成晶體狀，然后已經(jīng)被整合為濃縮的取代性功能集團(tuán)的水凝膠將會(huì)聚合在成型的晶體周圍。一旦成形，這種功能性的凝膠晶體將被用做刺激物的定量傳感器，其中功能性基團(tuán)的響應(yīng)可以用光學(xué)分光計(jì)監(jiān)測(cè)其衍射情況。將不同功能性基團(tuán)同不同的凝膠整合，將導(dǎo)致傳感器材料對(duì)不同特異性環(huán)境刺激的敏感性的不同，都對(duì)一種特異性的刺激性有敏感性。
但是，如Asher在其專利中所述的上述方法，只對(duì)在同一時(shí)間檢測(cè)一種刺激物的時(shí)候有效，它并不能輕易的按比例提高對(duì)潛在刺激的光譜的監(jiān)測(cè)。進(jìn)一步的是，將幾個(gè)傳感器晶體組合到一個(gè)系統(tǒng)中，將給檢測(cè)和分辨不同的刺激源造成巨大的困難，因此而需要設(shè)置綜合系統(tǒng)，而這個(gè)步驟將成為一個(gè)很困難的步驟。然而，在現(xiàn)有的方法中，于相近的領(lǐng)域，沒有在凝膠中合成清楚的功能性域的方法。
更進(jìn)一步的是，如Asher在其專利中所述的，允許膠質(zhì)球體自凝集成膠質(zhì)凝膠，然后形成凝膠圍繞在晶格周圍的情況，將所不希望出現(xiàn)的變化引入了最中傳感器的光學(xué)性質(zhì)中，以上兩點(diǎn)是因?yàn)樽阅哪z質(zhì)晶體有構(gòu)造上的缺點(diǎn)，而且還因?yàn)榫w的晶格常數(shù)只有很小的控制性，僅僅稍微超過對(duì)其對(duì)成性的控制。
最后，如果自凝集的個(gè)體不容易分辨的或不可預(yù)知的光學(xué)特性，在一個(gè)傳感器陣列中，對(duì)不同刺激物的不同響應(yīng)的檢測(cè)將需要定位敏感性檢測(cè)，這將有很大的花費(fèi)。具有特征性光學(xué)信號(hào)傳感器域，將大大減少開支，不過難于做到，但是在膠質(zhì)晶體化過程中進(jìn)行控制是非常困難，而且有可能是不能達(dá)到的。
因此，需要一種傳感器，它可以同時(shí)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)大量不同的環(huán)境刺激，而且容易操作造價(jià)低廉。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種檢測(cè)化學(xué)、生物、生物化學(xué)或者其他環(huán)境刺激的傳感器，這種傳感器包括大量的表面具附著化學(xué)受體的膠質(zhì)粒子，其中所述大量的膠質(zhì)粒子由含有第一介電常數(shù)的原料組成，而且，其中所述粒子組成一維、二維或者三維的晶格結(jié)構(gòu)。
這種晶格結(jié)構(gòu)被凝膠矩陣所圍繞，這種凝膠矩陣具有一種第二介電常數(shù)并且該矩陣可以根據(jù)本地環(huán)境的特殊變化而膨脹或者濃縮。
當(dāng)一個(gè)目標(biāo)刺激物直接針對(duì)傳感器的時(shí)候，更明確的說，是直接針對(duì)化學(xué)受體的時(shí)候，凝膠矩陣將會(huì)壓縮或者膨脹，這些將會(huì)改變晶格常數(shù)，因此將會(huì)使衍射圖發(fā)生可測(cè)量的圖譜，依次，分光計(jì)可以檢測(cè)到目標(biāo)刺激物的存在。
在本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例中，將大量膠質(zhì)粒子用全息光學(xué)鑷子組合并且使其聚合而成整合狀態(tài)的傳感器陣列，其衍射光以一種特征性的狀態(tài)存在，這種特征狀態(tài)為每一種一維、二維或者三維空間結(jié)構(gòu)的粒子晶體域或每一種粒子的二維晶體域通過在特異性的方向衍射出不同的顏色。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，單分子層和薄的三維空間傳感器允許目標(biāo)刺激物容易的進(jìn)入并且改善凝膠傳感器上晶體域的敏感性。
在本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例中，特征性的傳感器域可以被三三維結(jié)構(gòu)中一個(gè)一個(gè)的堆放，以檢測(cè)和矯正因環(huán)境因子而發(fā)生偏差的傳感器域的晶格常數(shù)，而且，可以被用于分辨相似相關(guān)的刺激物。在一維、二維或者三維分布中，沒有被功能化的和難于功能化的域遺依然可以被用于達(dá)到相同的效果。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，兩重或者多重探測(cè)技術(shù)，其中傳感器將是首先被暴露于可能的刺激物中，隨后檢測(cè)刺激物，也可以達(dá)到同樣的效果。
在本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例中，凝膠化傳感器陣列可以被置于光學(xué)纖維的末端以便用纖維分光計(jì)用光學(xué)方法讀出，而且將上述整合入一種輕便的系統(tǒng)，以用于對(duì)化學(xué)、生物、生物化學(xué)或者是其他環(huán)境刺激物的檢測(cè)。
在本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例中，凝膠化傳感器可以作成束狀或者是一種“刷子”，可以使操作人員通過在目標(biāo)域橫掃傳感器束或傳感器刷以檢測(cè)大面積域。刷子的分布提供了傳感器元件和原位目標(biāo)的聯(lián)系，而不用將樣品傳輸?shù)男酒?dāng)中。
在本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例中，用珠子代替凝膠化傳感器陣列來對(duì)特異性的目標(biāo)刺激物響應(yīng)，這種珠子可以被處理可以被排列刷子的每個(gè)光學(xué)纖維的末端，以提供對(duì)目標(biāo)刺激物的響應(yīng)。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，可以在刷子的周圍設(shè)置一個(gè)套管，以提供足夠的硬度結(jié)構(gòu)，將傳感器插入一個(gè)寬松的填充材料。進(jìn)一步的說，一個(gè)硬化的有浸透性的屏幕可以設(shè)置在刷子的光學(xué)纖維的頂端，如此，使凝膠化傳感器陣列在使用時(shí)不會(huì)被磨損。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可以將目標(biāo)刺激物引入凝膠化傳感器陣列，目標(biāo)刺激物可以同在球面的功能性基團(tuán)相互反應(yīng)，以至使特異性功能化的球體附著在一起。在此之后，凝膠可以通過化學(xué)環(huán)境溫度的變化發(fā)生非特異性的膨脹。通過刺激物反應(yīng)而附著在一起的球面將不能因?yàn)榕蛎浂蛛x，因此，晶體域的衍射特性不會(huì)改變。相比較而言，不同的功能化球體不會(huì)因不會(huì)依照刺激物的反應(yīng)，而將因?yàn)槟z的膨脹而分離，從而造成衍射特性的改變。在本實(shí)施例中，目標(biāo)刺激物的檢測(cè)不包括凝膠膨脹時(shí)造成的顏色的變化。這個(gè)方法十分有用，例如，可以通過抗原附著球體的能力使相關(guān)的抗體功能化，以對(duì)抗原進(jìn)行特異性的檢測(cè)。
如上所述，本發(fā)明的一些特征將在說明書部分中詳細(xì)描述，可以更容易理解，并且，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)表示感謝。再次，本發(fā)明的發(fā)附加技術(shù)特征將在下面描述，并且將作為從屬權(quán)利要求的主題。
與其相關(guān)的是，在詳細(xì)描述本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例之前，要聲明的是，本發(fā)明如下說明書和


中的具體結(jié)構(gòu)和成分的排列。本發(fā)明的方法和設(shè)備可以用于其他的是實(shí)施例而且可以在不同的方法中實(shí)施。此外，還要聲明的是，這里所用的措詞和術(shù)語，同樣也包括摘要當(dāng)中的，僅為描述發(fā)明所用，不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明的限定。
至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將接受，在本發(fā)明中沒有公開的概念，將可以容易的被應(yīng)用于設(shè)計(jì)其他的結(jié)構(gòu)、方法和系統(tǒng)以實(shí)施本發(fā)明覺的幾個(gè)不同的發(fā)明目的。非常重要的是，權(quán)利要求可以認(rèn)為包括其范圍內(nèi)的等同物，不能脫離本發(fā)明所要保護(hù)的方法和設(shè)備的保護(hù)范圍。

圖1.根據(jù)本發(fā)明中一個(gè)實(shí)施例中的功能化膠質(zhì)粒子的圖示。
圖2.根據(jù)本發(fā)明中一個(gè)實(shí)施例中的功能化膠質(zhì)粒子的膠質(zhì)晶體的單細(xì)胞晶格的圖示。
圖3.根據(jù)本發(fā)明中一個(gè)實(shí)施例中的凝膠化傳感器晶體的圖示。
圖4.通過凝膠化晶體域檢測(cè)刺激物的原理圖示，根據(jù)本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例將刺激物引入凝膠。
圖4B.通過凝膠化晶體域檢測(cè)刺激物的原理圖示，根據(jù)本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例將個(gè)體的目標(biāo)刺激物分子附著于個(gè)體的粒子之上。
圖5.根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一種全息光學(xué)鑷子系統(tǒng)的圖示。
圖6.根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，將特征性的功能化域分布于一種整合狀態(tài)的傳感器陣列的圖示。
圖7A和圖7B.根據(jù)本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例，在單分子層中由特征性一維粒子鏈和特征性二維粒子域組成的傳感器陣列的圖示。
圖8.根據(jù)本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例，一種三維粒子域的圖示。
圖9.圖示為，根據(jù)本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例，在三維域中，單獨(dú)的傳感器材料和幾種不同的域結(jié)合，并相互疊加在頂部，這寫傳感器材料對(duì)不同的刺激物具有敏感性。
圖10A.根據(jù)本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例，圖示為一個(gè)傳感器域，這個(gè)域似是由功能化的粒子疊加在表面沒有被功能化的粒子上的相同域的頂部上。
圖10B.根據(jù)本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例，圖示為圖10A中的疊加粒子，表示了相對(duì)于較低的非功能化的域，上部的功能化域的響應(yīng)。
圖11A-圖11C.圖示為凝膠化傳感器用于兩重或者多重檢測(cè)技術(shù)。
圖12.根據(jù)本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例，圖示為將凝膠化傳感器置于光學(xué)纖維的末端以便使用光纖分光計(jì)的光學(xué)讀出器，以形成整合狀態(tài)的光學(xué)傳感器系統(tǒng)。
圖13.根據(jù)本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例，圖示為將多種樣品置于便攜傳感器系統(tǒng)中，以便和域中其他的部署交互反應(yīng)，以提供全景的環(huán)境條件和其隨著時(shí)間的進(jìn)程。
圖14.根據(jù)本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例，圖示為一種刷子的方法，這種刷子將被用于在寬范圍的多種樣品上，感覺和檢測(cè)生物、化學(xué)和放射線學(xué)的威脅。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及一種膠質(zhì)晶體傳感器以及這種膠質(zhì)晶體傳感器的生產(chǎn)方法，該方法包括如下步驟(1)使膠質(zhì)粒子功能化，而不是將其植入凝膠；(2)利用全息光學(xué)捕獲技術(shù)將一種或多種功能化膠質(zhì)粒子同精密的具有化學(xué)和光學(xué)特性的精密結(jié)構(gòu)域想結(jié)合。
更詳細(xì)的說，通過在膠質(zhì)粒子表面添加功能性的化學(xué)基團(tuán)，可以使膠質(zhì)晶體傳感器被功能化，以便進(jìn)行化學(xué)、生物化學(xué)和物理因素的檢測(cè)，所述基團(tuán)的設(shè)置是為了通過凝膠中化學(xué)環(huán)境的改變而對(duì)取代性的刺激物進(jìn)行響應(yīng)，例如，通過改變凝膠中的離子強(qiáng)度、溫度、化學(xué)成分或者是PH值。凝膠的膨脹或者收縮，因而使膠質(zhì)晶體中的膠質(zhì)粒子或者球體分離。功能化晶體的晶格常數(shù)發(fā)生改變，因而其衍射特性可以被分光計(jì)檢測(cè)，以此，可以檢測(cè)到目標(biāo)刺激物的存在。目標(biāo)刺激物可以是核酸、蛋白質(zhì)、碳水化合物或油脂中的一種。
圖1中圖示的功能化膠質(zhì)粒子120，例如，一種膠質(zhì)球體100，一種特異性的化學(xué)受體110附著于其表面。這種膠質(zhì)粒子100本身本身可以是硅、聚苯乙烯、鈦氧化物火氣其他具有所需適合光學(xué)特性的材料，并且沒有對(duì)任何預(yù)定的目標(biāo)環(huán)境刺激物有特異性的或者非特異性的反應(yīng)。
配合基或者化學(xué)受體110應(yīng)當(dāng)同被選擇的刺激物發(fā)生特異性反應(yīng)，例如，當(dāng)同刺激物反應(yīng)時(shí)，通過化學(xué)黏結(jié)目標(biāo)分子或者通過催化化學(xué)反應(yīng)。配合基110將被不可逆轉(zhuǎn)的黏附于粒子或者球體的表面?？梢酝ㄟ^添加不同的配合基110在球體120的表面以制造不同的數(shù)量的離子或者球體120。這些數(shù)量可以通過粒子的大小、形狀和材料組成來區(qū)分。在本案中的球狀粒子，大小可以用直徑“a”來表示(如圖1所示)。
圖2圖示了膠質(zhì)晶體的晶胞200，這種晶胞是由功能化粒子120組成的，如球體120所示，從一個(gè)個(gè)體組織進(jìn)入周期性點(diǎn)陣200，以特征性空間“D”表示。晶格200表現(xiàn)為簡單的二維方形陣列的一個(gè)晶胞200，但是所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，晶格可以采取一般水平的單層或者是多層的晶體構(gòu)造的組成結(jié)構(gòu)。
對(duì)于這個(gè)晶格或者是陣列200，作為一種衍射光學(xué)元件，粒子或者是球體100應(yīng)當(dāng)用這樣一種材料，這種材料的介電常數(shù)可以同周圍媒介150的介電常數(shù)相區(qū)分。在這種情況下，光通過媒介150被粒子或者球體100分散，從粒子或者球體100規(guī)律性的位置調(diào)整散射光，以便得到所需的衍射光。更詳細(xì)的說，波長λ碰撞在這樣分布的粒子或者球體100上，通過粒子或者球體100的線條(二維)或者位面(三維)被衍射，根據(jù)布拉格定律，衍射的角度為θSinθ＝nλ/D其中，n為整數(shù)，n＝1，2，3，........
相反的，給出散射光角度的波長可以從以下公式得出λ＝DSinθ/n粒子或者是球體100可以影響到所觀察到的衍射圖，將需要用動(dòng)力學(xué)衍射原理來預(yù)見特定波長的光的衍射圖。即使如此，波長將根據(jù)晶格常數(shù)散射到特定的方向。
圖3表示了凝膠化晶體傳感器250，在這個(gè)傳感器中，將功能化的粒子或者球體120中的晶格200植入凝膠化矩陣210。凝膠210可以來源于水凝膠，在此例中，支持球體120和凝膠120的流動(dòng)介質(zhì)是水。其他凝膠或者溶劑可以根據(jù)需要作為特定的應(yīng)用，因?yàn)樽鳛樗鶎兕I(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)知。凝膠210被置于已經(jīng)集合好的膠質(zhì)晶體250的周圍，并可以通過，例如光化聚合作用、化學(xué)誘導(dǎo)聚合，熱誘導(dǎo)聚合或者是通過所屬領(lǐng)域技術(shù)人員掌握的其他方法。
凝膠210將被闡明，如此以致，其特定體積的增大或減少(或者膨脹收縮)將作為對(duì)其周邊環(huán)境的反應(yīng)，因此膠質(zhì)晶體250中球體的間距D。相關(guān)的變化包括鹽濃度的變化，周圍離子強(qiáng)度的變化，PH數(shù)值的變化，或者是在溶液中化學(xué)物質(zhì)濃度的變化。
更適宜的是，凝膠210自身將不會(huì)對(duì)任何針對(duì)傳感器陣列200的目標(biāo)刺激物反應(yīng)強(qiáng)烈。而且，目標(biāo)刺激物應(yīng)當(dāng)用附著于粒子或者是球體100上的配合基110相互反應(yīng)，以致影響凝膠210對(duì)化學(xué)變化的反應(yīng)。膠質(zhì)粒子或球體100，配合基110，凝膠210和溶劑120將會(huì)根據(jù)情況進(jìn)行選擇。例如，將冠醚化學(xué)黏附于粒子或球體120的表面，特異性的吸附會(huì)導(dǎo)致水溶液中產(chǎn)生離子，因此增將周圍的離子強(qiáng)度并且使周圍的水凝膠收縮。
因?yàn)槟z120的收縮或者膨脹，被植入的膠質(zhì)晶體200的晶格常數(shù)也隨之變化。這些將會(huì)依次影響膠質(zhì)晶體200的衍射特性?？梢酝ㄟ^射入光白光和測(cè)量其后散射光的波長來檢測(cè)到功能化的晶體210晶格常數(shù)因此的改變。在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，可以通過使用手持的光纖光學(xué)分光光度計(jì)來測(cè)量非常精確的結(jié)果。
圖1A和圖4B表示了凝膠化晶體傳感器250檢測(cè)其特定的目標(biāo)刺激物300，如較小的球體120的圖示。個(gè)體的刺激物分子260(如圖4A)附著于配合基110，并粘貼于個(gè)體粒子或球體120之上(如圖4B)。這個(gè)反應(yīng)由粒子或者球體100上特定的化學(xué)變化引起，并且傳播至周圍的凝膠210中。通過設(shè)計(jì)，這些化學(xué)變化引起了凝膠晶體200膨脹，使被植入的膠質(zhì)晶體的晶格常數(shù)從D變化到D｀ 。這些，也會(huì)依次改變散射于特定位置的光的波長，因此，目標(biāo)刺激物120的存在可以被檢測(cè)到。
因此，功能的配合基110被附著在膠質(zhì)粒子100上，而不是附著在周圍的凝膠210之上。這些相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，在使用相同的化學(xué)凝膠的情況下，不同的粒子100可以形成不同種類的傳感器250。更進(jìn)一步的是，它還提供了一種在單一設(shè)備上制造多重自校準(zhǔn)傳感器的方法。
通過使粒子或球體100功能化，而不是使凝膠210功能化，多重的監(jiān)測(cè)器可以被整合在單一的凝聚210上，因此，而制造出一種高密度單相對(duì)來說價(jià)格不高的傳感器250。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，不將所需的膠質(zhì)粒子自凝結(jié)為膠質(zhì)域，而是將膠質(zhì)粒子的凝結(jié)用全息光學(xué)鑷子300操作(如圖5所示)。
在傳統(tǒng)的傳感器中，允許膠質(zhì)粒子自聚集為膠質(zhì)晶體，進(jìn)而產(chǎn)生出其周圍的凝膠而形成晶格，以使最終的傳感器具有多樣的光學(xué)特性，因?yàn)樽跃奂哪z質(zhì)晶體可能遭受結(jié)構(gòu)上的破壞，也可能難于控制所形成的晶格常數(shù)和其對(duì)稱性。
但是，通過使用全息光學(xué)鑷子300(如圖5所示)，粒子可以從粒子庫中篩選或者捕獲，再移至集合域，然后快速、經(jīng)濟(jì)和有效的組織成任何所需的構(gòu)形，包括三位陣列的結(jié)構(gòu)。這種建構(gòu)不需要同任何自凝集的膠質(zhì)粒子相關(guān)聯(lián)；鑷子構(gòu)成晶體的晶格空間也不必要粒子之間的自然平衡力相關(guān)聯(lián)。因此，粒子可以因?yàn)樗麄兊墓鈱W(xué)和化學(xué)的特性被優(yōu)化，不必要考慮他們之間的相互作用。因此，用于此目的粒子需要為球形，而不必要精確的特定的大小。
全息光學(xué)鑷子300再技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知，而且在Grieer et al.的專利U.S.Patent No，6,055,106中有所描述，在此可以結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)。在本發(fā)明中的應(yīng)用，如圖5所示，例如，全息光學(xué)鑷子300將位于一個(gè)透明的化學(xué)制的膠質(zhì)粒子200通過流動(dòng)空腔315插入一個(gè)三維的陣列當(dāng)中去。一個(gè)位于空腔315內(nèi)的樣品310被發(fā)光體320照明。光學(xué)攜帶物使這樣制作的，通過將計(jì)算機(jī)控制的激光束330輸入到扇面的散射光束350當(dāng)中去，其中所述散射光350通過一系列的鏡面360，散射光束350中的每一被鏡子355直接反射并且直接聚焦到一個(gè)高倍物鏡370中。用全息光學(xué)鑷子組織組織樣品中的每一個(gè)膠質(zhì)粒子，這些膠質(zhì)粒子根據(jù)精確的光學(xué)位置的捕捉來占據(jù)相應(yīng)的位置。
經(jīng)光學(xué)鑷子300處理后的光，被攝像機(jī)380瀏覽，并且同時(shí)用顯微鏡對(duì)結(jié)果膠質(zhì)粒子的陣列(在本例中為聚苯乙烯)觀察，在水中分散，并且通過捕捉被組織成一個(gè)方形的陣列。
普通的膠質(zhì)粒子陣列，已知作為膠質(zhì)晶體并且對(duì)可見光具有常規(guī)的散射特性。他們可以被認(rèn)為是三維空間那結(jié)構(gòu)的衍射光柵，其衍射的特性圖案根據(jù)晶體的對(duì)稱性和晶格常數(shù)而改變。通過構(gòu)建精確的膠質(zhì)陣列的結(jié)構(gòu)可以使晶體的區(qū)別性的光學(xué)特征得到優(yōu)化，而且，他們利用在此處作為一種測(cè)量濃度的方法，并與環(huán)境刺激物相連接。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖6所示，不同來源的不同的膠質(zhì)粒子可以被組織同時(shí)用此方法形成不同的域，并可以用他們的化學(xué)功能和他們的光學(xué)特性相區(qū)分。這些分離的域可以絕對(duì)靠近的放置，即使用動(dòng)力學(xué)全息光學(xué)鑷子300(圖5)重新排列。一旦域中得到所需的膠質(zhì)粒子或者球體，整個(gè)系統(tǒng)將可以聚合以制造一個(gè)整合的傳感器陣列400，如圖6所示。
圖6.表示兩個(gè)域410，420，這兩個(gè)域是由表面配合基與晶體晶格結(jié)構(gòu)不相同的功能化膠質(zhì)粒子或球體120在同一個(gè)凝膠矩陣中肩并肩的分布，而形成的傳感器陣列400。
即使只有一個(gè)或兩個(gè)目標(biāo)刺激物使所需的，目前的傳感器陣列可以具有可以與現(xiàn)有技術(shù)競(jìng)爭的優(yōu)點(diǎn)，更詳細(xì)的說，多重特征性的域提供了原位標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)性，減少了多余的交叉檢測(cè)，還有對(duì)臨近的相關(guān)的目標(biāo)刺激物的超強(qiáng)的識(shí)別能力。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，傳感器陣列又在單分子層中的粒子的特征行一維鏈，或粒子的特征性二維域組成，而且仍然可以在特定情況下，對(duì)光進(jìn)行散射，通過設(shè)定特定的方向，每一個(gè)鏈和每一個(gè)域都可以對(duì)特定的顏色進(jìn)行散射。
因此，如圖7A所示的三個(gè)一維功能性膠質(zhì)球體的晶體700，710，720，用全息光學(xué)鑷子分布于傳感器構(gòu)造770中。球體700，710，720的每一條鏈都具有區(qū)別性的空間和可分辨的散射信號(hào)。
進(jìn)一步的是，圖7B表示了四個(gè)二維功能化的膠質(zhì)晶體730，740，750和750，用全息光學(xué)鑷子分布于傳感器構(gòu)造780中，每個(gè)域都有特征性的空間，如在730，750和760中，或者都有特征行的空間和對(duì)稱性，如740中。
如圖8中所示的三維的域，這個(gè)域?qū)獾纳⑸鋸?qiáng)于其他的較低維的結(jié)構(gòu)，并且提供很強(qiáng)的回散射能力(如180度的散射)。強(qiáng)的回散射在一些光學(xué)檢測(cè)方案中被需要，而且可以通過增加在膠質(zhì)粒子和周圍的液態(tài)凝膠之間的介電常數(shù)的錯(cuò)配而強(qiáng)調(diào)出來。高介電常數(shù)材料，如氧化鈦，可以在這樣的情況下，優(yōu)選的用于粒子。高介電常數(shù)粒子的應(yīng)用將大大的減少經(jīng)過散射的波長穿過晶體時(shí)的穿透深度，如此，兩到三層將足以達(dá)到必須的完全的回散射。
單層的分子和薄的三維傳感器優(yōu)于厚的傳感器，在單層的和薄的三維傳感器中目標(biāo)刺激物可以被允許容易的進(jìn)入其內(nèi)部，因此可以對(duì)相對(duì)極少的目標(biāo)刺激物表現(xiàn)出強(qiáng)反應(yīng)。這些提高了凝膠化傳感器晶體域的敏感性。
在這種情況下，圖8表示了一個(gè)三維的面心立方結(jié)的膠質(zhì)球體晶格的晶胞。這樣的三維晶體構(gòu)造具有特征性的衍射圖案，圖案的頂點(diǎn)依賴于粒子之間的空間大小。不同的晶體對(duì)稱性和晶格空間導(dǎo)致了不同的可分辨的衍射圖案。
下面的這個(gè)方法，如上所述，對(duì)幾種不同的刺激物敏感的幾種不同的域可以被結(jié)合在一個(gè)單獨(dú)的傳感器材料上(如圖6)。這種材料可以用分光光度計(jì)觀察，例如一種手持的光纖分光光度計(jì)(OceanOptics有售)。每個(gè)域的衍射圖案將以被分辨，因?yàn)橐粋€(gè)或者更多的區(qū)別性衍射峰可以被分光光度計(jì)記錄下來。
將刺激物引入一個(gè)域，會(huì)導(dǎo)致它的特征性衍射峰改變波長。這種波長上的改變可以用分光光度計(jì)分辨，并且，分光光度計(jì)還可以告知特異性刺激物的存在以及其濃度。將凝膠化傳感器陣列整合入一個(gè)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)在下面進(jìn)行進(jìn)一步的描述(參見圖12)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，，如果傳感器的域的特性被設(shè)計(jì)允許照明光通過所有的域而且散射光可以通過監(jiān)測(cè)器，區(qū)別性傳感器的域也可以在三維結(jié)構(gòu)中相互疊加在頂端(如圖9)。
如圖9所示，三個(gè)光學(xué)特征性膠質(zhì)晶體域在三維空間結(jié)構(gòu)中疊加(注意，在各個(gè)域之間沒有實(shí)際的空間，而在圖中表示出一定的空間間隔是為了對(duì)發(fā)明的理解)。詳細(xì)的說，域1000是為了反射光束1050的波長，但是，可以傳送光束1060和1070的波長。相似的，域1010反射光束1060的波長，并且傳送光束1070的波長。最后，光束1070被域1020反射。因此，如果域1000，1010或者1020的任何一者的晶格常數(shù)被改變，這個(gè)域的甚至是其他兩個(gè)域的衍射圖的變化將清晰可見。
將檢測(cè)域用這種方式疊加將會(huì)抵消其增加敏感性的優(yōu)點(diǎn)而通過薄的傳感器來確定反應(yīng)時(shí)間。但是在一些應(yīng)用當(dāng)中，最終的系統(tǒng)的疊加可能提供其他附加的優(yōu)點(diǎn)。
例如，一個(gè)傳感器由一個(gè)功能化粒子疊加在其他的表面未經(jīng)功能化的粒子相同的域上所組成(如圖10A)。如圖10A所示，兩個(gè)膠質(zhì)粒子晶體域1100和1110，二者都被設(shè)計(jì)反射光束1150的波長，但是可以傳送其他光束的波長，如光束1160。二者的唯一區(qū)別是，域1110被功能化，對(duì)刺激物1190的反應(yīng)為膨脹，但是域1100沒有。因此，在沒有刺激物的情況下，兩層域都可以散射光，但是當(dāng)刺激物存在的時(shí)候，上層的功能化域?qū)⒂兴从?，而下面的未?jīng)功能化的域則不能。進(jìn)一步的是，未經(jīng)功能化的粒子的一維鏈將用于功能化的域之間來監(jiān)測(cè)內(nèi)部域的交叉干擾。
圖10B表示了對(duì)刺激物1190的反應(yīng)。功能化的域1110膨脹，以作為對(duì)刺激物的反應(yīng)。作為結(jié)果，域1110的晶格常數(shù)將會(huì)發(fā)生改變，以至于光束1160的波長不能被傳送，而是被反射。反射光將通過晶格沒有被功能化的域1100，因此，對(duì)于刺激物1190，域1100的衍射圖譜將會(huì)發(fā)生微小的變化。域1100和1110的晶格常數(shù)的任何被動(dòng)誘導(dǎo)的變化都會(huì)很明顯的在光束1150和1160的散射波長的普通模型轉(zhuǎn)換表現(xiàn)出來。刺激物的濃度將會(huì)從衍射峰的微分轉(zhuǎn)移中顯現(xiàn)出來。
因此，如圖10B中的案例，當(dāng)單個(gè)的衍射波峰通過可測(cè)量數(shù)量的加寬或甚至是一分為二的時(shí)候，對(duì)刺激物的反應(yīng)可以測(cè)量。這樣的微分測(cè)量將被用于彌補(bǔ)晶格常數(shù)的偏離，由于環(huán)境中無常的變化，例如溫度或者是濕度的變化，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，用不同的功能化產(chǎn)物在同一域疊加，將用于分辨相近相似的刺激物，一個(gè)將對(duì)上層域的影響比較強(qiáng)烈，而另一個(gè)將對(duì)下層域的影響比較強(qiáng)烈。
在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，通過把非功能化的或者是微分功能化的域布置在二維甚至是三維空間中，也會(huì)具有許多同樣的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)此，最后的限制將是一個(gè)功能化過程和晶格常數(shù)通過其長度、范圍或者體積而不斷變化的等級(jí)晶體傳感器。
傳感器陣列通過刺激物在附著于粒子之上的配合基的影響而直接檢測(cè)環(huán)境刺激物。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，傳感器陣列也可以用作兩重或者多重的檢測(cè)技術(shù)。
例如，圖11A中，凝膠化傳感器陣列1100附著著一個(gè)刺激物1110，但是，并沒有在陣列的晶格常數(shù)D中立刻表現(xiàn)出來。因此，進(jìn)行另外一個(gè)化學(xué)或者物理的處理，用圖11B中1120表示，將刺激物轉(zhuǎn)移到一個(gè)新的實(shí)體1130中去，如圖11C中所示，而這個(gè)過程影響了陣列的晶格常數(shù)，以至于可以檢測(cè)到。通過1120而引入的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化可以包括將一個(gè)抗體附著于之前的蛋白質(zhì)刺激物上；選擇性是使用化學(xué)氧化或者減少附著的刺激物；或者一個(gè)光學(xué)的導(dǎo)出變換，其中，實(shí)體1130將可以被理解的表現(xiàn)為光束在附著的目標(biāo)物1110上的反應(yīng)。其他可能的附著刺激物的變換還可以包括熱學(xué)過程。
對(duì)于檢測(cè)蛋白質(zhì)、碳水化合物和其他相關(guān)的生物的在混合樣品中的材料，本發(fā)明相對(duì)于常規(guī)的檢測(cè)方法提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括用簡易制得的膠質(zhì)粒子上的取代性吸附位點(diǎn)來檢測(cè)每一種目標(biāo)分子。這些這些吸附位點(diǎn)的取代性可以被選擇以優(yōu)化對(duì)于相同目標(biāo)物的敏感性和識(shí)別性，沒有涉及到對(duì)沒一種吸附分子的類型的優(yōu)化系統(tǒng)的條件。最終的傳感器陣列1140(圖11C)可以用許多方法使其暴露于未知的樣品之中，包括浸漬和固體樣品的表面接觸。因此，陣列1140可以被漂靜并且具有只檢測(cè)附著分子的出現(xiàn)而不與其等同的化學(xué)活性。例如，檢測(cè)被吸附蛋白質(zhì)的出現(xiàn)可以通過將陣列暴露于生化酶或者是ATP的溶液中來實(shí)現(xiàn)。任何附著著目標(biāo)蛋白質(zhì)的域都將膨脹，因?yàn)楦街牡鞍踪|(zhì)將產(chǎn)生代謝變化，并且他們的出現(xiàn)可以通過他們晶體域中的衍射波長的變化來檢測(cè)到。
因此，粒子的位置、大小和球體外殼，以及他們的間距和對(duì)稱性，外加他們們的化學(xué)功能化，都將影響到其對(duì)目標(biāo)刺激物的反應(yīng)。
因此，如上所述的膠質(zhì)傳感器陣列，應(yīng)該具有作為基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、碳水化合物芯片的應(yīng)用，以及在快速檢測(cè)和分辨大數(shù)量相近相似分子的能力。在檢測(cè)食品、藥品、化妝品和其他商品時(shí)具有即使檢測(cè)的應(yīng)用，病原體很容易進(jìn)入這些商品，需要可以經(jīng)常使用而且十分經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)方法。凝膠化傳感器將會(huì)被浸上產(chǎn)品的樣品，可以對(duì)重金屬污染、鹽的濃度和PH等特征進(jìn)行即使的檢測(cè)。依次，它可以被選擇性的使用多步驟檢測(cè)法以找到病原體或者病原體的代謝物。更通用的多步驟檢測(cè)方法可以以同樣的原理作為其他的應(yīng)用。
凝膠化傳感器陣列可以被放置于光學(xué)纖維的末端并用光纖分光計(jì)的光學(xué)讀出器，以形成整個(gè)全光學(xué)傳感器1290，如圖12所示。膠質(zhì)傳感器陣列可以監(jiān)測(cè)到域特性的衍射峰。例如，兩層域由膠質(zhì)球體產(chǎn)生出容易測(cè)量的衍射信號(hào)。因此，幾百個(gè)特征性域可以被整個(gè)在如圖12所示的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。
如圖2所示，從光源1280所發(fā)射出的白光1200投射光學(xué)系統(tǒng)1210發(fā)射到一個(gè)多模光學(xué)纖維1220中。光學(xué)纖維1220將白光1200調(diào)整為光束形狀，然后通過光學(xué)器件1230發(fā)射到膠質(zhì)傳感器陣列1240的背面上。膠質(zhì)傳感器1240將光向各個(gè)方向散射。只有有限方向的光被光束形狀的光學(xué)器件1230收集，并返回光學(xué)纖維1260中去。所以在陣列1240中的每一個(gè)傳感器域都被指定為僅衍射特定角度的特定波長，這些返回的光1250將僅包括這些特殊的波長。這種光通過光纖或者光線束傳導(dǎo)到分光計(jì)1270，分光計(jì)有能力分辨這些衍射光的波長并把結(jié)果報(bào)告給終端用戶，或者傳送到一個(gè)自動(dòng)讀出系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)1290由如下器件組成，光源1280，投射光學(xué)系統(tǒng)1210，收集光學(xué)器件1230，和分光計(jì)1270，這些元件組成了一個(gè)整合的全光學(xué)傳感器系統(tǒng)1290。
分光計(jì)1270可以選自包便攜程度的手持的光纖分光計(jì)。分析衍射圖譜的對(duì)于個(gè)體波長的不同性，因此，對(duì)于暴露于環(huán)境刺激物的多樣性需要最小限度的計(jì)算支持，而且可以用一個(gè)簡單的植入處理器處理，或者通過通過接口連接到一個(gè)手動(dòng)操作的計(jì)算設(shè)備上。在本案中，整個(gè)系統(tǒng)1290可以被整個(gè)入一個(gè)手持的廣譜傳感器系統(tǒng)中。這樣的傳感器系統(tǒng)可以被很容易的整合到一個(gè)更普通的便攜信息處理系統(tǒng)。這樣的的信息處理系統(tǒng)包括手持的計(jì)算能力，無線通信和全球定位接收能力。這里所描述的整合光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)可以被輕松的整個(gè)到這樣的系統(tǒng)中。這種整合系統(tǒng)可以向一個(gè)中央數(shù)據(jù)分析站報(bào)告它的位置和檢測(cè)狀態(tài)。
目前，許多探測(cè)器不能檢測(cè)寬范圍環(huán)境威脅和報(bào)告它們的檢測(cè)結(jié)果，并且位置使自然的定量估價(jià)成為可能，檢測(cè)異常的范圍和時(shí)間。因此，每一種便攜傳感器系統(tǒng)在一定的范圍內(nèi)同其他裝置互相作用以提供環(huán)境情況的全景和他們?cè)跁r(shí)間上的評(píng)估價(jià)值。圖13提供了一個(gè)在領(lǐng)域中的互操作的簡化的圖示，其中在領(lǐng)域中的的多重報(bào)告單位設(shè)備對(duì)環(huán)境污染物的情況的廣度提供了數(shù)量分布圖。這些將在戰(zhàn)爭指揮和控制以及工業(yè)環(huán)境檢測(cè)方法的控制和污染檢測(cè)和補(bǔ)救上有著廣泛的應(yīng)用。
膠質(zhì)傳感器1240，因其高度的專用化，可以有很多的應(yīng)用。例如，傳感器晶體可以充滿食品，藥品和其他產(chǎn)品，在運(yùn)輸期間檢測(cè)其腐壞的副產(chǎn)品和攙雜的假貨。凝膠化傳感器陣列認(rèn)知產(chǎn)品并檢測(cè)其副產(chǎn)品等，進(jìn)而可以在稍遲的時(shí)間里檢測(cè)到通過掃描系統(tǒng)的樣品的運(yùn)輸期間可能性的變化。因此，凝膠化傳感器陣列的讀書沒有必要在在檢測(cè)的統(tǒng)一時(shí)間讀出反應(yīng)。
如上所述的應(yīng)用，可以擴(kuò)展到對(duì)消費(fèi)品的保護(hù)，和檢測(cè)長時(shí)間貯藏的穩(wěn)定性。
單一的凝膠化傳感器可以同時(shí)監(jiān)測(cè)不同范圍的刺激物，從空運(yùn)的化學(xué)品和生物制劑到致電離輻射的劑量。
傳感器元件可以被任意使用，而且當(dāng)污染或者選擇不同的試驗(yàn)的時(shí)候可以被容易的取代。
讀數(shù)器可以在適合的經(jīng)濟(jì)條件下提供手持設(shè)備并且可以進(jìn)行構(gòu)建以將數(shù)據(jù)通過無限連接傳輸?shù)街匾恢?。這種設(shè)備可以對(duì)所有試驗(yàn)的所有操作者展示連續(xù)的即使的分析。
設(shè)備中的光學(xué)信號(hào)通過他們的自然屬性而不容易受到污染物和干擾物的影響。這種設(shè)備非常適合危險(xiǎn)的環(huán)境，并且通過拋出航空器可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的部署或者操作。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，凝膠化傳感器可以作為一個(gè)束或者“刷子”1300(如圖14)，而且操作者可以通過橫掃傳感器束或者刷子1300在目標(biāo)域中，以檢測(cè)大的域范圍。刷子的部署提供了傳感器元件同原位目標(biāo)的聯(lián)系，因?yàn)椴挥脤悠穫鬟f到芯片中去。
在刷子1300中的每個(gè)纖維1320是傳感器元件，可以橫掃表面或者是在空氣和流動(dòng)的水中。刷子的光纖或者剛毛是自由和靈活柔軟的。刷子方法的應(yīng)用，傳感器沒有被限制在表面，而且它可以插入裂縫和正常的放置在難于讀數(shù)的地方。
進(jìn)一步的說，不使用凝膠化傳感器陣列，水珠1340(如圖14所示)，可以對(duì)特異性的目標(biāo)刺激物做出反應(yīng)，可以被處理或者放置在刷子1300的每一個(gè)光纖1320的末端，以提供對(duì)目標(biāo)刺激物的反應(yīng)。
一個(gè)套筒1310可以被布置在刷子1300的周圍，如此套筒1310可以提供足夠的硬度結(jié)構(gòu)以將傳感器插入一個(gè)松軟的充滿的材料中。套筒可以使用于任何材料，因?yàn)樗撬芰虾徒饘俚炔牧?，可以提供足夠的硬度。一旦傳感器插入材料中，套筒就可以被取出來，如此，凝膠化傳感器陣列可以感應(yīng)材料，對(duì)刺激物進(jìn)行反應(yīng)，并且反應(yīng)可以被讀出。
不同傳感器對(duì)不同刺激物的反應(yīng)可以通過刷子1300的不同的光纖或剛毛1320反應(yīng)出來(如，在分開的光纖上做試驗(yàn))。
進(jìn)一步的說，對(duì)同一目標(biāo)刺激物的測(cè)定可以分布在剛毛上于不同的敏感性水平上，以進(jìn)行半定量和交驗(yàn)定量，并且，提供了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的基礎(chǔ)，并大大的減少了主動(dòng)錯(cuò)誤信息和被動(dòng)錯(cuò)誤信息。
進(jìn)一步的說，硬化的可透視的金屬或尼龍屏幕1350，或其他適合的材料，可以設(shè)置在刷子1300中的每一個(gè)光纖3120的末端(例如，一個(gè)傳感器襯墊)，如此傳感器陣列1330的凝膠可以在使用的時(shí)候不被擴(kuò)大(如圖14)。
操作組可以用刷子掠過指定的污染域。結(jié)果可以即時(shí)報(bào)告，或者稍候讀出，然后同領(lǐng)域想聯(lián)系以建立圖案和強(qiáng)度分析。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，附著于膠質(zhì)離子的基團(tuán)可以對(duì)選定的刺激物發(fā)生反應(yīng)，例如，可以通過各種方法測(cè)定所發(fā)生的放熱反應(yīng)。其他在凝膠中生物的、化學(xué)的或是放射線學(xué)的變化可以被檢測(cè)到以斷定目標(biāo)刺激物的出現(xiàn)。需要注意的是凝膠必須對(duì)所要檢測(cè)的刺激物具有滲透性。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，傳感器晶體被全息光學(xué)鑷子所聚集，粒子或者球體植入凝膠中并且互相緊密關(guān)聯(lián)，球體可以暴露于刺激物，例如抗原，或DNA鏈，或碳水化合物等，之后，特定的抗體可以被附著于球體之上，詳細(xì)的說，不同大小的不同球體可以用于對(duì)許多不同的抗體做出反應(yīng)。
因此，球體選擇性的附著于特定的球體之上，并且可以跨過球體之間小的溝壑。因此，球體被連接在一起，但是沒有附著抗體的域沒有被連接。
如果溫度或者其他化學(xué)反應(yīng)沒有發(fā)生，附著抗體的域中的凝膠將會(huì)發(fā)生膨脹，但是球體沒有附著抗體的域?qū)⒉粫?huì)發(fā)生膨脹。同理，當(dāng)溫度變化時(shí)，例如，凝膠膨脹，球體之間發(fā)生分離，而衍射的波長將變?yōu)榧t光。因此，這種顏色上的變化可以通過分光計(jì)測(cè)量。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明可以用于核酸的雜交。更詳細(xì)的說，結(jié)合劑可以用于通過一個(gè)整體將兩個(gè)物體想連接，例如用雜交DNA陣列，瘦素，碳水化合物或生物素等。在核酸雜交中，核酸將含有一個(gè)特殊的編碼，這個(gè)編碼將搜尋特殊的序列。因此，墊片可以用探測(cè)器包裹，探測(cè)器具有一個(gè)用一種或者多種核酸包裹的序列，探測(cè)器還具有一個(gè)含有至少一個(gè)針對(duì)特定核酸域的基因序列。
此外，材料可以用于處理目標(biāo)物，使其更容易進(jìn)入探測(cè)器，而且在墊片上發(fā)生反應(yīng)。例如，核酸雜交可以同限制性內(nèi)切酶在凝膠中結(jié)合，以將目標(biāo)DNA切為碎片，使其更容易進(jìn)入墊片。進(jìn)一步的說其他物質(zhì)可以結(jié)合在凝膠上以使反應(yīng)簡易化，例如晶體。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，上述實(shí)施例僅僅是本發(fā)明應(yīng)用中的可能的例子，以使本發(fā)明更容易理解。在不背離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可以對(duì)發(fā)明做相應(yīng)修改和變化。所有的這些修改將被包括在本發(fā)明和如下的權(quán)利要求所要保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種傳感器，包括大量的膠質(zhì)粒子，有一個(gè)特異性的化學(xué)受體吸附于所述粒子之上，并且這種粒子被功能化以便同目標(biāo)刺激物反應(yīng)；所述粒子被整合在陣列中。
2.如權(quán)利要求1所述傳感器，其中所述的每個(gè)粒子是一個(gè)墊片。
3.如權(quán)利要求1所述傳感器，其中所述的每個(gè)粒子由硅、聚苯乙烯和氧化鈦組成。
4.如權(quán)利要求1所述傳感器，其中所述的每個(gè)粒子沒有對(duì)所述的目標(biāo)刺激物做出特異性的或者非特異性的反應(yīng)。
5.如權(quán)利要求1所述傳感器，其中所述的每個(gè)化學(xué)受體特異性的同每個(gè)所述目標(biāo)刺激物反應(yīng)。
6.如權(quán)利要求1所述傳感器，其中不同種類的所述粒子的形成是通過將不同化學(xué)受體附加于所述粒子的表面。
7.如權(quán)利要求1所述傳感器，還包括一種凝膠，其中所述的粒子植入凝膠內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述傳感器，還包括一種介質(zhì)，所述的植入凝膠的粒子在這種介質(zhì)中。
9.如權(quán)利要求8所述傳感器，其中所述的粒子于目標(biāo)刺激物的反應(yīng)包括，在本地離子強(qiáng)度的變化，溫度的變化，化學(xué)成分的變化，和凝膠中與介質(zhì)中PH數(shù)值的變化。
10.如權(quán)利要求7所述傳感器，其中所述凝膠因?yàn)樗瞿繕?biāo)刺激物的作用使所述功能化粒子改變粒子之間的間距。
11.如權(quán)利要求10所述傳感器，其中因?yàn)槟繕?biāo)刺激物的反應(yīng)，所述陣列的晶格常數(shù)發(fā)生改變。
12.如權(quán)利要求10所述傳感器，其中所述的對(duì)目標(biāo)刺激物的反應(yīng)為變色反應(yīng)。
13.如權(quán)利要求11所述傳感器，用分光計(jì)測(cè)量所述晶格常數(shù)的變化。
14.如權(quán)利要求13所述傳感器，其中所述分光計(jì)用于測(cè)量背向散射光的波長，所述背向散射光是用白光照射所述陣列產(chǎn)生的。
15.如權(quán)利要求1所述傳感器，所述陣列在至少一個(gè)層上。
16.如權(quán)利要求8所述傳感器，其中所述粒子由具有介電常數(shù)的材料制成，所述介電常數(shù)至少同所述介質(zhì)和凝膠二者之一的介電常數(shù)不同。
17.如權(quán)利要求7所述傳感器，其中所述凝膠為水凝膠。
18.如權(quán)利要求1所述傳感器，其中因?yàn)閷?duì)目標(biāo)刺激物的反應(yīng)，所述陣列的衍射圖將發(fā)生變化。
19.如權(quán)利要求1所述傳感器，還包括一種凝膠，將所述粒子植入凝膠中，所述凝膠通過光聚作用、化學(xué)誘導(dǎo)聚合、熱學(xué)誘導(dǎo)聚合之中的一種方法在所述陣列的周圍形成。
20.如權(quán)利要求1所述傳感器，其中所述粒子用全息光學(xué)鑷子聚合為所述陣列。
21.如權(quán)利要求20所述傳感器，其中所述粒子被聚集以形成多維陣列。
22.如權(quán)利要求20所述傳感器，其中所述全息光學(xué)鑷子包括發(fā)出激光束的激光源；衍射所述激光束的衍射光學(xué)元件；聚焦在所述激光束上的物鏡；用光束照射的流動(dòng)的腔室，在腔室中每個(gè)粒子可以被光學(xué)捕捉。
23.如權(quán)利要求22所述傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)攝像機(jī)用來觀察所述光學(xué)捕捉。
24.如權(quán)利要求6所述傳感器，來源于所述不同種類的不同的粒子可以被組織以形成分開的域，這些域可以用它們的化學(xué)功能和光學(xué)特性來區(qū)分。
25.如權(quán)利要求24所述傳感器，其中所述的域可以用全息光學(xué)鑷子很貼近的分布成一個(gè)組件。
26.如權(quán)利要求25所述傳感器，其中所述組件可以被聚合為一個(gè)整合狀態(tài)的傳感器陣列。
27.如權(quán)利要1所述傳感器，其中所述傳感器由粒子區(qū)別性的一維鏈和粒子的區(qū)別性的二維域在單分子層中組成。
28.如權(quán)利要求27所述傳感器，其中每一種鏈和域于將不同的光衍射到特定的方向。
29.如權(quán)利要求27所述傳感器，還包括未經(jīng)功能化的一維鏈，并且被置于粒子的功能化域之間以監(jiān)測(cè)域內(nèi)部的交互反應(yīng)。
30.如權(quán)利要求27所述傳感器，其中所述陣列是多維陣列，包括一個(gè)二維的和一個(gè)三維的陣列，其中所述一維的鏈，所述二維的域，以及所述的三維陣列被分布，以使所述例子具有不同的空間和不同的衍射信號(hào)。
31.如權(quán)利要求26所述傳感器，其中所述整合的傳感器陣列包括對(duì)不同目標(biāo)刺激物具有敏感性的不同的域。
32.如權(quán)利要求30所述的傳感器，其中每個(gè)所述的對(duì)目標(biāo)刺激物的反應(yīng)包括所述的不同域的特征性衍射峰的波長的變化。
33.如權(quán)利要求32所述傳感器，其中分光計(jì)用于檢測(cè)所述波長的變化。
34.如權(quán)利要求25所述傳感器，其中所述域在三維空間中相互疊加。
35.如權(quán)利要求34所述傳感器，其中所述域以交錯(cuò)的方式疊加。
36.如權(quán)利要求34所述傳感器，其中照明光可以通過所屬有的疊加的域，而衍射光可以通過檢測(cè)器。
37.如權(quán)利要求34所述傳感器，其中每一種所述的疊加域反射一種特定的波長，傳遞一種特定的波長。
38.如權(quán)利要求34所述的傳感器，其中所述一個(gè)域的表面包括功能化的粒子，而另一個(gè)域的表面包括未經(jīng)功能化的粒子。
39.如權(quán)利要求11所述傳感器，其中所述陣列使用多重檢測(cè)方法。
40.如權(quán)利要求39所述傳感器，其中所述多步驟方法，所述陣列用對(duì)陣列晶格常數(shù)沒有影響的目標(biāo)刺激物連接，然后，所述目標(biāo)刺激物用接下來的步驟被轉(zhuǎn)移至所述陣列中的一個(gè)新的實(shí)體，所述實(shí)體影響陣列的所述晶格常數(shù)。
41.如權(quán)利要求40所述傳感器，其中所述方法包括將抗體附著于之前所述的連接的目標(biāo)刺激物上，選擇性的采用化學(xué)氧化物和減少之前連接的目標(biāo)刺激物，影像導(dǎo)出變換和熱學(xué)方法。
42.如權(quán)利要求1所述傳感器，其中所述目標(biāo)刺激物是核酸、蛋白質(zhì)、碳水化合物和液體中的一種。
43.如權(quán)利要求1所述傳感器，其中所述的每一種陣列在大量具有柔韌性的光學(xué)纖維的活動(dòng)末端。
44.如權(quán)利要求43所述傳感器，還包括一個(gè)套管，并將所述光纖裝入其中。
45.如權(quán)利要求44所述傳感器，其中所述套管是可回收的。
46.如權(quán)利要求43所述傳感器，其中每種所述光纖末端陣列對(duì)不同的目標(biāo)刺激物反應(yīng)。
47.如權(quán)利要求43所述傳感器，其中每種所述光纖末端陣列對(duì)相同的目標(biāo)刺激物表現(xiàn)出不同敏感性程度的反應(yīng)。
48.如權(quán)利要求43所述傳感器，還包括一個(gè)位于所述光纖末端的屏幕以保護(hù)所述陣列。
49.如權(quán)利要求1所述傳感器，其中所述目標(biāo)刺激物引起球體特異性的功能化以互相連接。
50.如權(quán)利要求49所述傳感器，其中所述目標(biāo)刺激物是抗原，吸附抗體的粒子將會(huì)與其發(fā)生發(fā)應(yīng)，用這樣的方法使衍射信號(hào)發(fā)生反應(yīng)，這種反應(yīng)可以被分光計(jì)檢測(cè)到。
51.如權(quán)利要求43所述傳感器，其中眾多產(chǎn)品的至少一種可以填充到所述陣列中，以檢測(cè)出腐壞的副產(chǎn)品和假貨。
52.如權(quán)利要求49所述傳感器，其中所述的對(duì)目標(biāo)刺激物的反應(yīng)是一個(gè)化學(xué)的、生物的或放射線學(xué)的變化。
53.如權(quán)利要求2所述傳感器，其中每種陣列位于大量具有柔韌性光纖的可移動(dòng)末端。
54.一種檢測(cè)目標(biāo)刺激物的設(shè)備，包括大量具有柔韌性的含有凝膠化傳感器陣列的光學(xué)纖維，這些凝膠化傳感器陣列包括大量功能化的膠質(zhì)粒子，以同目標(biāo)刺激物反應(yīng)，所述陣列被位于所述每個(gè)光纖可活動(dòng)末端。
55.如權(quán)利要求54所述設(shè)備，還包括一個(gè)套管，所述光纖位于其中。
56.如權(quán)利要求55所述設(shè)備，其中所述套管是可回收的。
57.如權(quán)利要求54所述設(shè)備，其中每種所述光纖末端的陣列對(duì)不同的刺激物反應(yīng)
58.如權(quán)利要求54所述設(shè)備，其中每種所述光纖末端的陣列對(duì)同一目標(biāo)刺激物表現(xiàn)為不同敏感性水平的反應(yīng)。
59.如權(quán)利要求54所述設(shè)備，還包括位于所述光纖末端的屏幕以包括所述陣列。
60.一種檢測(cè)目標(biāo)刺激物的設(shè)備，包括大量含有功能化墊片陣列的具有柔韌性光學(xué)纖維同目標(biāo)刺激物反應(yīng)，每種所述墊片放置于光學(xué)纖維的可移動(dòng)末端。
61.如權(quán)利要求60所述設(shè)備，還包括一個(gè)套筒，所述光纖位于其中。
62.如權(quán)利要求60所述設(shè)備，還包括放置于所述每個(gè)光纖末端的屏幕以保護(hù)所述陣列。
63.一個(gè)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，包括發(fā)射激光束的光源；將所述激光聚焦在一個(gè)傳感器陣列上的投射光學(xué)系統(tǒng)，所述傳感器陣列上具有大量的對(duì)目標(biāo)刺激物作出反映的功能化膠質(zhì)粒子；分析收集光學(xué)設(shè)備，用于收集和傳遞由所述傳感器陣列所散射的光；一個(gè)分光計(jì)用于檢測(cè)由于目標(biāo)刺激物的出現(xiàn)而發(fā)生的在所述傳感器上的變化。
64.如權(quán)利要求63所述的系統(tǒng)，其中所述的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)是便攜式的。
65.如權(quán)利要求63所述的系統(tǒng)，其可以同時(shí)檢測(cè)空氣傳播的化學(xué)物質(zhì)和生物試劑以及致電離輻射。
66.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其中所述的對(duì)于衍射信號(hào)變化的檢測(cè)可以即時(shí)的讀數(shù)也可以延遲讀數(shù)。
67.一種聚集檢測(cè)目標(biāo)刺激物的設(shè)備的方法，包括將陣列置于每一個(gè)可移動(dòng)的大量的韌性光學(xué)纖維的末端，所述的陣列含有大量的膠質(zhì)粒子，其中每個(gè)粒子具有吸附于所述粒子之上的特異性化學(xué)受體，這些例子被功能化以對(duì)目標(biāo)刺激物反應(yīng)。
68.如權(quán)利要求67所述的方法，還包括將所述的光纖聚集在一起以形成刷子形狀。
69.如權(quán)利要求67所述的方法，還包括在所述刷子上安置一個(gè)套筒。
70.如權(quán)利要求67所述方法，還包括在所述陣列上安置一個(gè)監(jiān)視屏。
71.一種檢測(cè)對(duì)目標(biāo)刺激物的反應(yīng)的方法，包括提供大量的膠質(zhì)粒子，每個(gè)膠質(zhì)粒子上含有附著于所述粒子上的特異性化學(xué)受體，這些粒子被功能化以同這些刺激物反應(yīng)；聚集所述粒子在陣列上，將目標(biāo)刺激物引入所述陣列的粒子上。
72.如權(quán)利要求71所述的方法，其中所述的聚集步驟包括形成一個(gè)多維陣列。
73.如權(quán)利要求77所述的方法，還包括在引入目標(biāo)刺激物之后，對(duì)所述陣列使用一種方法，以將目標(biāo)刺激物轉(zhuǎn)移至一個(gè)新的實(shí)體；測(cè)量所述陣列晶格常數(shù)的變化。
74.如權(quán)利要求71所述的方法，其中所述的聚集步驟包括形成不同的域，并將這些域想疊加。
75.如權(quán)利要求71所述的方法，還包括將抗原引入所述陣列之中，并且測(cè)量所述陣列晶格常數(shù)的變化。
76.如權(quán)利要求53所述的設(shè)備，還包括，保護(hù)所述光纖的措施。
77.如權(quán)利要求53所述的設(shè)備，還包括，包括所述陣列的措施。
78.如權(quán)利要求43所述的傳感器，還包括保護(hù)所述陣列和光纖的措施。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)化學(xué)、生物、生物化學(xué)或者其他環(huán)境刺激物的傳感器，包括大量的膠質(zhì)粒子，在其表面上具有特異性吸附的化學(xué)受體，當(dāng)刺激物同吸附的化學(xué)受體相遇時(shí)，凝膠化陣列膨脹或者收縮，以改變晶格常數(shù)，因此衍射光圖譜發(fā)生可測(cè)量的改變，故目標(biāo)刺激物的出現(xiàn)可以用分光計(jì)檢測(cè)到。大量的膠質(zhì)粒由具有第一介電常數(shù)的材料組成，以及凝膠和具有第二介電常數(shù)的周圍的介質(zhì)。膠質(zhì)粒子可以被聚集，用全息光學(xué)鑷子和聚合作用以制造一個(gè)整個(gè)狀態(tài)的傳感器陣列，這個(gè)陣列可以用可檢測(cè)到的特征性的方式將光線衍射。
文檔編號(hào)G01N33/543GK1668924SQ03816674
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月14日
發(fā)明者大衛(wèi)·G.·格里爾, 劉易斯·格魯伯 申請(qǐng)人:艾瑞克斯公司