專利名稱：使用薄膜干涉計的生物分子的光學傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改善在樣品中檢測一種或多種被分析物的存在，含量，或結(jié)合率的裝置，特別是采用薄膜干涉計技術(shù)的裝置。
背景技術(shù)：
基于被分析物-抗-被分析物結(jié)合配對的成員之間的結(jié)合事件的診斷測試被廣泛應用于醫(yī)學，獸醫(yī)學，農(nóng)業(yè)和研究用途。通常這類方法被用于檢測樣品中被分析物的存在或含量，和/或該被分析物和抗-被分析物的結(jié)合率。典型的被分析物-抗-被分析物對包括核酸的互補鏈，抗原-抗體對，和受體-受體結(jié)合劑，其中被分析物可以是該配對中任一成員，以及該抗-被分析物分子，相對成員。此類型的診斷方法經(jīng)常采用具有已固定的抗-被分析物分子的固體表面，樣品被分析物分子將對其特異性結(jié)合，并在限定的檢測區(qū)域有高親合力。在這類被稱為固相分析的分析法中，該固體表面在促進被分析物結(jié)合至已固定的抗-被分析物分子的條件下被暴露至樣品。結(jié)合事件可以被直接檢測，例如，通過在質(zhì)量，反射率，厚度，顏色或其它結(jié)合事件的特性指示方面的變化。如果該被分析物經(jīng)過預標記，例如，用發(fā)色團，或熒光或放射標記，該結(jié)合事件可通過在檢測區(qū)域的可檢測標記的存在和/或量進行檢測。另外，該被分析物可以在其結(jié)合于檢測區(qū)域之后進行標記，例如，用第二熒光標記的抗-被分析物抗體。美國專利號5，804，453公開了一種在在樣品溶液中測定物質(zhì)濃度的方法，其使用遠端直接涂覆有試劑(捕獲分子)的光學纖維，該物質(zhì)可與該試劑結(jié)合。然后將該遠端浸入含有被分析物的樣品。該被分析物與該試劑層的結(jié)合形成干涉圖案，并可通過分光計檢測。美國專利號7，394，547公開了一種生物傳感器，其第一光學透明元件機械式連接至光學纖維梢端，它們之間有空氣間隙，然后作為干涉層的厚度大于50納米的第二光學元件被連接于該第一元件的遠端。在該第二光學元件的周圍表面上形成生物層。另一個厚度為5-50納米，折射指數(shù)大于1. 8的反射面層被覆蓋于該干涉層和第一元件之間。在此參考文獻中描述了在樣品中基于頻譜干涉的改變檢測被分析物的原理，其以參考方式被合并于此。美國專利號7，319，525公開了不同的結(jié)構(gòu)，其中光學纖維的一個部分被機械式連接至梢端連接器，該梢端連接器由一個或多個光學纖維組成，在該光學纖維部分和該梢端連接器的近端之間有空氣間隙。在該光學纖維部分的遠端表面上先形成該干涉層，然后再形成該生物層。結(jié)合纖維之間的空氣間隙具有若干缺點。一個缺點是減少結(jié)合效率。另一個問題是對準差。實際應用中，對于傳感器和儀器的不同配對，難以保持相同和準確的空氣間隙尺寸。另外，空氣-纖維界面易于導致更多地返回到分光計的反射，從而降低測量的信噪比。盡管現(xiàn)有技術(shù)在功能上提供了基于薄膜干涉計的生物傳感器的使用，該干涉計的性能仍然需要改進。

發(fā)明內(nèi)容
概述本發(fā)明涉及一種組件，其用于在樣品中基于薄膜頻譜干涉檢測被分析物。該組件包括波導連接器，其包含波導管，其中該波導管將光信號從光源傳遞至該組件，該波導管還將反射光信號從該組件傳遞至檢測器。該組件進一步包括整體式襯底，其具有結(jié)合側(cè)和傳感側(cè)，該結(jié)合側(cè)通過結(jié)合轂連接至該波導連接器，其中該波導連接器與該結(jié)合轂接合以在該波導管和該整體式襯底之間形成光學結(jié)合。該組件還包括結(jié)合介質(zhì)，其位于該波導連接器和該整體式襯底之間，由此該波導管的末端可無間隙地連接該整體式襯底。該組件還包括薄膜層，其直接結(jié)合至該整體式襯底的傳感側(cè)，其中該薄膜層包括，透明材料，含被分析物結(jié)合分子層的第一反射面，在該薄膜層和該整體式襯底之間的第二反射面。當樣品中的被分析物分子結(jié)合至該被分析物結(jié)合分子時，從該組件反射入該波導管的光之間的頻譜干涉發(fā)生變化。在一個實施方式中，該結(jié)合轂被插入該波導連接器中。在另一個實施方式中，該波導連接器為套管，且該套管被插入該結(jié)合轂中。本發(fā)明還涉及一種組件，包括(a)波導管；(b)整體式襯底，其具有結(jié)合側(cè)和傳感側(cè)，該結(jié)合側(cè)光學連接至該波導管；和(d)薄膜層，其直接結(jié)合至該整體式襯底的傳感側(cè)。 該波導管將光信號從光源傳遞至該組件，并且該波導管還將反射光信號從該組件傳遞至檢測器。該薄膜層包括透明材料，包括被分析物結(jié)合分子層的第一反射面，和介于該薄膜層和該整體式襯底之間的第二反射面。該整體式襯底的折射指數(shù)比該薄膜層的透明材料的折射指數(shù)高；并且該結(jié)合介質(zhì)的折射指數(shù)大于1. 3，優(yōu)選在該波導管和該整體式襯底的折射率之間。當樣品中的被分析物分子與該被分析物結(jié)合分子結(jié)合時，從所述第一和第二反射面反射入該波導管的光之間的頻譜干涉發(fā)生變化。在一個實施方式中，該組件還包括介于該波導管和該整體式襯底之間的結(jié)合介質(zhì)，其中該結(jié)合介質(zhì)的折射指數(shù)大于1. 3。


圖1顯示了本發(fā)明的總體實施方式。圖2A和2B顯示了薄膜干涉計中的檢測原理。圖3顯示了被插入結(jié)合轂的探針。圖4顯示了帶結(jié)合轂的生物傳感器。圖5顯示了以結(jié)合轂實施的本發(fā)明。圖6A-C顯示了一個結(jié)合轂實施方式，其具有預裝在該轂內(nèi)部的結(jié)合介質(zhì)。圖7A-E顯示了第二結(jié)合轂實施方式，其在該套管的梢端上形成有一滴結(jié)合介質(zhì)。圖8A-C顯示了第三結(jié)合轂實施方式，其結(jié)合介質(zhì)附著于該套管。圖9A-B顯示了第四結(jié)合轂實施方式，其結(jié)合轂包括結(jié)合介質(zhì)。圖10A-C顯示了另一個結(jié)合轂實施方式，該結(jié)合轂包括結(jié)合介質(zhì)。圖IlA-C顯示了另一個結(jié)合轂實施方式，其結(jié)合介質(zhì)附著于該波導連接器。圖12顯示了帶不均勻分支的Y型連接器。圖13顯示了通過薄膜干涉計檢測的結(jié)合分析的典型的干涉圖案。
圖14同時顯示了兩個探針的締合和解離曲線。詳細說明定義除非在下文定義，權(quán)利要求和說明書中使用的術(shù)語將根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的通常含義進行解釋。此處使用的“約”指在所列舉值的士 15%以內(nèi)。此處使用的“被分析物結(jié)合”分子指能參與和被分析物分子的特異性結(jié)合反應的任何分子。其實例包括，但不限于，(i)抗原分子，其用于檢測特異性針對該抗原的抗體的存在；(ii)抗體分子，其用于檢測抗原的存在；(iii)蛋白質(zhì)分子，其用于檢測該蛋白質(zhì)的結(jié)合配偶體的存在；(iv)配位體，其用于檢測結(jié)合配偶體的存在；或(ν)單鏈核酸分子，其用于檢測核酸結(jié)合分子的存在。此處使用的“套管”指作為接插組件的一部分限制或容納波導管的硬管。此處使用的“整體式襯底”指具有一個折射指數(shù)的單塊固體材料，如玻璃，石英，或塑料。此處使用的“探針”指在傳感側(cè)包覆有薄膜層的整體式襯底。此處使用的“波導管”指一種裝置(如導管，同軸電纜，或光學纖維)，其被設(shè)計成限制和引導電磁波(如光)的傳播；例如，波導管為用于引導超高頻率波的金屬管。此處使用的“波導連接器”指一種機械裝置，其用于光學連接波導管系統(tǒng)的被鎖定在一起的可分離配合零件。其又名波導結(jié)合器。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用結(jié)合介質(zhì)代替空氣間隙在整體式襯底和波導管之間進行連接可以減少結(jié)合損失，并減少從該波導管的表面和該整體式襯底的表面的反射。采用該結(jié)合介質(zhì)，大為增加了結(jié)合效率，降低了不期望的對該分光計的反射，并且解決了由于空隙而來的對準問題。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)了折射指數(shù)比干涉層更高的整體式襯底在光學組件中的應用，由此免除了在該干涉層上涂敷一層位于該干涉層和該整體式襯底之間的高折射指數(shù)材料層的需要。圖1顯示了本發(fā)明的的總體實施方式生物傳感器干涉計10包括光源11，檢測器 12，波導管13和光學組件14。該光學組件14包括該波導管15的梢端，結(jié)合介質(zhì)16，整體式襯底17，薄膜層(干涉層)22和生物分子層21。該薄膜層包括透明材料，第一反射面，其包括生物分子層21，以及第二反射面23，其位于該薄膜層和該整體式襯底之間。在該薄膜層22和該生物分子層21之間的分界面處還有傳感表面對。該裝置中的光源11可以是白光源，如發(fā)光二極管(LED)，其在廣譜上產(chǎn)生光，例如，400納米或以下至700納米或以上，通常在至少100納米的光譜范圍上發(fā)光。另外，光源可以為多源光源，其中每一個光源均具有不同特征波長，如設(shè)計用于在可見光范圍中以不同的選定波長發(fā)光的LED。通過單一光源也可以實現(xiàn)相同功能，例如，采用白光源，其帶有適宜的過濾器，用于將不同選定波長的光引導至該光學組件上。檢測器12優(yōu)選為分光計，如Ocean Optics USB 4000，其能夠記錄從該光學組件反射的干涉光的光譜。另外，在該光源工作以將不同選定波長引導至該光學組件上時，該檢測器可以是簡單的光探測器，其用于記錄在每一個不同輻射波長下的光強。在又一個實施方式中，該檢測器可以包括多個過濾器，其容許檢測光強，例如，來自白色光源，在干涉反射波的多個選定波長中的每一個波長。波導管13將光信號從光源傳遞至光學組件，并將反射光信號從該光學組件傳遞至檢測器。通常該波導管包括纖維束。分光計是典型的用于生物傳感器干涉儀中的光檢測器。結(jié)合介質(zhì)16連接該波導管和該整體式襯底，在它們之間不留下任何空氣間隙。該結(jié)合介質(zhì)是光學透明材料，如聚合物，折射率匹配的凝膠，或折射率匹配的液體，其具有期望的特定折射指數(shù)。折射率匹配的液體應具有期望的物理和化學性質(zhì)，如高粘度，低蒸氣壓 (不易揮發(fā))和低腐蝕率。適宜的用于結(jié)合介質(zhì)的材料包括以下聚碳酸脂，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，聚苯乙烯(PS)，聚丙烯(PP)，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，折射指數(shù)匹配的凝膠，折射指數(shù)匹配的液體，或聚二甲硅氧烷(PDMS)。通常，該波導管13包括折射指數(shù)約為 1. 5的纖維材料。由于空氣間隙的折射指數(shù)接近1. 00，該波導管和該整體式襯底之間的空氣間隙將導致結(jié)合損失和高反射。當該結(jié)合介質(zhì)連接該波導管和該整體式襯底而在它們中間不留任何空氣間隙時，結(jié)合效率大為增加，反射降低，并且對準問題得到緩和。在一個優(yōu)選實施方式中，該結(jié)合介質(zhì)的折射指數(shù)介于該波導管和該整體式襯底的折射指數(shù)之間。由整體式絕緣材料制成的整體式襯底通過結(jié)合介質(zhì)被連接至波導管的梢端。該整體式襯底的橫截面可以是圓形，正方形，三角形，橢圓形，或矩形。在一個優(yōu)選實施方式中， 該整體式襯底的縱橫比(長度比寬度或長度比直徑)至少為5 1。該整體式襯底材料的折射指數(shù)優(yōu)選充分高于該薄膜層，以使該第二反射面有效反射被引導到該光學組件上的一部分光。優(yōu)選該整體式襯底材料的折射指數(shù)高于1.5，或高于1.8，或高于2.0。該整體式襯底材料的折射指數(shù)范圍優(yōu)選在約1. 55至約2. 0之間。當入射光以仍然容許全內(nèi)反射的某一角度進入該基質(zhì)相鄰面時，該整體式襯底作為光波導管有效工作。在此實施方式中，該角度由該發(fā)光光學纖維的數(shù)值孔徑，該基質(zhì)，以及該基質(zhì)和該發(fā)光光學纖維之間的機械結(jié)合綜合定義。干涉層(薄膜層)是涂覆在該整體式襯底的傳感側(cè)上的透明材料。薄膜是薄的材料層，其厚度為零點幾納米(單層)至若干微米。電子半導體裝置和光學涂層是受益于薄膜結(jié)構(gòu)的主要應用。本發(fā)明的薄膜層通常厚度為至少50納米，優(yōu)選至少100納米。示范性的厚度在約100-5，000納米，優(yōu)選400-1，000納米之間。該薄膜層材料的折射指數(shù)優(yōu)選類似于該第一反射面的折射指數(shù)，以使該光學組件的底部遠端的反射主要從被分析物結(jié)合分子形成的層發(fā)生，而非從該光學元件和被分析物結(jié)合分子之間的分界面發(fā)生。類似的，當被分析物分子結(jié)合至該光學組件的下層時，該組件下端的光反射主要從該被分析物結(jié)合分子和被結(jié)合的被分析物形成的層發(fā)生，而非從該分界面區(qū)發(fā)生。形成該薄膜層的一種示范性的材料是SiO2,例如，折射指數(shù)為約1. 4-1. 5的高品質(zhì)玻璃。該薄膜層還可以由作為整體式襯底的透明聚合物形成，如聚苯乙烯或聚乙烯，其折射指數(shù)優(yōu)選為1.3-1.8。該生物分子(被分析物結(jié)合分子)層21的厚度被設(shè)計成基于特定硬件和光學部件最優(yōu)化總靈敏度。常規(guī)的固定化學作用被用于化學地，例如，共價地，將被分析物結(jié)合分子層附著于該光學元件的底部表面。例如，各種雙功能試劑，其包含用于化學附著至SiO2 的硅氧烷基團，以及羥基，胺，羧基或用于生物分子附著的其它反應基團，如蛋白(例如，抗原，抗體)，或核酸。蝕刻或其它處理玻璃表面以增加被分析物結(jié)合分子可以結(jié)合的羥基基團密度的方法也是眾所周知的。當該薄膜層由聚合物形成時，如聚苯乙烯，許多方法可用于暴露可用的化學活性表面基團，如胺，羥基，和羧基基團。該被分析物結(jié)合層優(yōu)選在該光學元件的遠側(cè)表面被密集涂覆的條件下形成，以使被分析物分子和該層的結(jié)合使該層的厚度變化，而非填入該層。該被分析物結(jié)合層可以是單層或多層基質(zhì)。通過在該光學組件中來自該兩個反射面的反射光柱的干涉，測量被分析物的存在，濃度，和/或被分析物與該光學組件的結(jié)合率。特別地，當被分析物分子附著或者脫離該表面時，該第一反射層的平均厚度相應變化。因為所有的其它層的厚度保持相同，由從該兩個表面反射的光波形成的干涉波根據(jù)由于該被分析物結(jié)合變化的厚度而相移。在該光學組件中使用整體式襯底材料代替光學纖維具有若干優(yōu)點。在一個優(yōu)選實施方式中該整體式襯底的折射指數(shù)高于該薄膜層的透明材料的折射指數(shù)。因為該整體式襯底是單一的固體材料，將易于選擇折射指數(shù)比該薄膜層更高的材料。相反，光學纖維通常為圓形截面的絕緣波導管，其由絕緣材料組成(芯材料)，該絕緣材料被另一種折射指數(shù)更低的絕緣材料(包層)圍繞；因此，將難以變換折射指數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中(美國專利號 7，394，M7)，該光學傳感器纖維和該干涉層的折射指數(shù)基本相同，其值約為1. 46。因此，該現(xiàn)有技術(shù)在該干涉層上需要有額外的高折射率材料涂層，以適當?shù)胤瓷淙肷涔狻Ｔ诓僮髦?，入射光信?5從光源11發(fā)出，并通過該波導管13被傳遞，其中該入射光信號25通過該結(jié)合介質(zhì)16被連接至該整體式襯底17，隨后被連接至該薄膜層和該生物分子層21。在該光學組件14之內(nèi)，光在該第二反射面23反射，產(chǎn)生反射光信號沈。另外， 光在該第一反射面觀反射，產(chǎn)生反射光信號27。在被分析物結(jié)合前，該第一反射面是生物分子(被分析物結(jié)合分子)層21和樣品溶液之間的表面。被分析物結(jié)合后，該第一反射面變成被分析物分子層和樣品溶液之間的表面。來自第一和第二折射面之間的邊界的兩個光信號形成頻譜干涉圖案，如圖加所示。當生物分子與該薄膜層(干涉層)的周圍表面上的被分析物分子結(jié)合時，該第二反射信號的等價光程延伸。從而該頻譜干涉圖案從TO移動至Tl，如圖2b所示。通過測量該圖案實時的連續(xù)不斷的相移，可以測量移動量對時間的動態(tài)結(jié)合曲線。被分析物和固定于該表面上的捕獲分子的結(jié)合速率可被用于計算被分析物的濃度。因此，此相移的測量是薄膜干涉計的檢測原理。參照圖2a，當該AC分量最大化而該DC偏移最小化時，該生物傳感器干涉計的性能增加。為實現(xiàn)這些目的，必須增加入射光信號25從該光源11至該傳感表面M的結(jié)合效率，以及反射光信號26和27從該第一和第二折射面至該分光計12的結(jié)合效率。同時，來自其他個分界面的反射應盡可能降低。在一個實施方式中，本發(fā)明包括結(jié)合轂，如圖3所示，其中探針32被插入模制塑料 31的中心孔，形成結(jié)構(gòu)33。然后該探針被插入該模制塑料轂的中心孔。圖4顯示了基于薄膜干涉儀的生物傳感器的簡化示意圖。該生物傳感器包括光源11，分光計12，波導管13，套管41，結(jié)合轂31，探針42，和傳感表面M。該探針和該傳感表面M的梢端被浸入含有被分析物結(jié)合分子的涂覆溶液。本發(fā)明涉及一種組件，其用于在樣品中基于薄膜頻譜干涉檢測被分析物。該組件包括(a)波導連接器，其包含波導管，其中該波導管將光信號從光源傳遞至該組件，且該波導管還將反射光信號從該組件傳遞至檢測器；(b)整體式襯底，其具有結(jié)合側(cè)和傳感側(cè)， 該結(jié)合側(cè)通過結(jié)合轂連接至該帶有波導管的波導連接器；(C)結(jié)合介質(zhì)，其位于該波導連接器和該整體式襯底之間，以使該波導管光學連接該整體式襯底，而沒有任何空隙；和(d) 薄膜層，其直接結(jié)合至該整體式襯底的傳感側(cè)，其中該薄膜層包括透明材料，含有被分析物結(jié)合分子層的第一反射面，和介于該薄膜層和該整體式襯底之間的第二反射面；從該組件反射入該波導管的光之間的頻譜干涉由此可以在樣品中的被分析物分子與該被分析物結(jié)合分子結(jié)合時發(fā)生變化。在一個實施方式中，該結(jié)合轂被插入該波導連接器中。在另一個實施方式中，該波導連接器為套管，且該套管被插入該結(jié)合轂中。在一個實施方式中，該結(jié)合轂包括結(jié)合介質(zhì)。在另一個實施方式中，該波導連接器為套管，并且該結(jié)合介質(zhì)在該套管和該結(jié)合轂的底部之間。在圖5中，生物傳感器50顯示了以結(jié)合轂51實現(xiàn)的本發(fā)明。生物傳感器50是用于在樣品中基于薄膜頻譜干涉檢測被分析物的組件。生物傳感器50包括套管55，其包含波導管13，其中該波導管13將來自該光源11的入射光信號傳遞至該結(jié)合轂51，并將反射光信號從該結(jié)合轂51傳遞至該分光計12 (檢測器)。生物傳感器50還包括探針42，其通過結(jié)合轂51連接至該具有波導管31的套管55，并且套管55被插入該結(jié)合轂51。在該結(jié)合轂51之內(nèi)，結(jié)合介質(zhì)53位于該套管55和該探針52之間，以使該波導管31的末端直接接觸該探針42的整體式襯底，而沒有任何間隙，如空氣間隙。圖6顯示了具有結(jié)合轂組件60的一個圖5的結(jié)合轂實施方式。結(jié)合轂51具有預裝于結(jié)合轂51內(nèi)部并在其底部的結(jié)合介質(zhì)16，如圖6a所示。探針42在該轂的底部接觸該結(jié)合介質(zhì)16。如圖6b所示，帶有纖維束(波導管13)的套管55被插入結(jié)合轂51。如圖 6c所示，該結(jié)合介質(zhì)16連接探針42和該儀器纖維束(波導管13)，而沒有間隙。由此，該結(jié)合介質(zhì)16位于該套管55和該結(jié)合轂51的底部之間。圖7顯示了具有結(jié)合轂組件70的圖5的第二結(jié)合轂實施方式，其在該套管的梢端上形成有一滴結(jié)合介質(zhì)。圖7a顯示帶纖維束(波導管13)的套管55被浸入折射率匹配凝膠或液體的結(jié)合介質(zhì)的儲庫65 (圖7b)。在圖7c中，該具有纖維束(波導管13)的套管55 從該儲庫65被移出，導致該套管55的梢端上形成一滴結(jié)合介質(zhì)16。在圖7d中，所得具有纖維束(波導管13)的套管55被插入結(jié)合轂51。結(jié)果是該滴結(jié)合介質(zhì)16無間隙連接探針 42和該儀器纖維束(波導管1 ，如圖7所示，由此，該滴結(jié)合介質(zhì)16位于該套管55和該結(jié)合轂51的底部之間。圖8顯示了帶有結(jié)合轂組件80的圖5的第三結(jié)合轂實施方式，該結(jié)合轂組件80 具有預裝在套管55上的結(jié)合介質(zhì)81，如圖8所示。在圖8b中，帶有結(jié)合介質(zhì)81和纖維束 (波導管13)的套管55被插入結(jié)合轂51。結(jié)果是結(jié)合介質(zhì)81連接探針42和儀器纖維束 (波導管13)，而沒有任何間隙，如圖8c所示。由此，該結(jié)合介質(zhì)81位于該套管55和該結(jié)合轂51的底部之間。圖9顯示了圖5的第四結(jié)合轂實施方式，其結(jié)合轂組件90包括結(jié)合介質(zhì)，如聚合物材料。如圖9a所示，結(jié)合轂92包括結(jié)合介質(zhì)。在圖9b中，帶纖維束(波導管13)的套管陽被插入結(jié)合轂51。結(jié)果是套管55接觸結(jié)合轂92的底部，而探針42接觸該結(jié)合轂92的相對側(cè)，使該套管陽和探針42之間無間隙結(jié)合。圖IOa-IOc顯示了另一個具有結(jié)合轂組件100的結(jié)合轂實施方式。組件100包括波導連接器102和可移動探針101。圖IOa是透視圖，其顯示該波導連接器102和該可移動探針101彼此不連接。該波導連接器102在頂端具有孔114，波導管(例如纖維)在該處被插入。圖IOb是彼此不連接的該波導連接器102和該可移動探針101的剖視圖。圖IOc顯示該可移動探針101被插入該波導連接器102。首先參照圖10a，該可移動探針101由被薄膜層包覆的整體式襯底104，以及在中央有孔105的筒形結(jié)合轂103組成。該整體式襯底104被沉積上薄膜涂層，如SiO2層和被分析物結(jié)合分子。該整體式襯底104為桿狀，其長度至少比直徑大5倍。如圖IOb所示，該可移動探針具有用于檢測被分析物的傳感表面111和結(jié)合面112。在一個設(shè)計中，該轂103 由透明塑料制成。該轂103中的孔105不是貫通孔，其一端具有和該轂103相同材料的透明塑料層108。層108是筒形轂103的頂部。該襯底104朝著該層108的結(jié)合表面112的內(nèi)壁插入該襯底的結(jié)合表面，從而固定連接至該轂103。此層108作為該襯底的結(jié)合表面112和裝在該波導連接器102內(nèi)的波導管113之間的光學結(jié)合介質(zhì)。此處顯示的該波導連接器具有彈性嚙合臂107，以接合該轂103并保持充足的摩擦力，來將該襯底104相對于該波導管113固定于適當位置。該波導連接器102的內(nèi)部具有和該波導管的表面齊平的平坦接合表面109。該轂 103具有平坦頂面110。當被接合時，該頂面110被推向該接合表面109，以使這兩個表面之間的間隙完全閉合。該層108作為結(jié)合介質(zhì)被夾在該襯底104的結(jié)合表面112和波導管 113之間。在具有折射指數(shù)大于空氣的結(jié)合介質(zhì)的情況下，其優(yōu)選在該波導管113和襯底 104之間，將提高結(jié)合效率，最小化不希望的返回該分光計的反射，并減少該襯底104和該波導管113之間的橫向偏移的靈敏度。圖IOc顯示了該波導連接器102和該可移動探針101的接合。圖Ila-Ilc顯示了具有結(jié)合轂組件110的另一種結(jié)合轂實施方式的細節(jié)。組件 100由波導連接器202和可移動探針201組成。圖Ila為透視圖，其顯示該波導連接器202 和該可移動探針201彼此不連接。圖lib是彼此不連接的該波導連接器202和該可移動探針201的剖視圖。該波導連接器202在頂端具有孔114，該波導管(例如纖維)在其中被插入。圖Ilc顯示被插入該波導連接器202的該可移動探針201。首先參照圖11a，該可移動探針201由桿狀的長度至少比直徑大5倍的整體式襯底 104，以及在中央具有孔205的筒形轂203組成。如圖lib所示，該襯底104具有傳感表面 111和結(jié)合表面112。該轂203由透明塑料組成。該襯底104通過插入該孔，直至該結(jié)合表面112與該轂的頂面210齊平，而被固定連接至該轂203。該傳感表面111被沉積以薄膜涂層，其包括S^2層和能被用于檢測被分析物的被分析物結(jié)合分子。結(jié)合介質(zhì)213被裝在該波導連接器202內(nèi)部的波導管113末端。該結(jié)合介質(zhì)優(yōu)選自光學透明的彈性材料或液體狀材料。一個例子是PDMS。此處顯示的該波導連接器202具有彈性嚙合臂107，以接合該轂203，并保持充足的摩擦力來將該襯底104相對于該波導管 113固定于適當位置。當被接合時，該轂的頂面210被壓向該結(jié)合介質(zhì)213，以使該波導管113和該襯底 104之間的間隙完全閉合。該結(jié)合介質(zhì)213被夾在該襯底104的結(jié)合表面112和該波導管113之間。在具有折射指數(shù)大于空氣的結(jié)合介質(zhì)的情況下，其優(yōu)選在該波導管113和該襯底104之間，將提高結(jié)合效率，最小化不希望的返回該分光計的反射，并減少該襯底104和該波導管113之間的橫向偏移的靈敏度。圖Ilc顯示了該波導連接器202和該可移動探針201的接合。如先前所指出的，波導管可以被提供為Y形光學纖維結(jié)合器(Y形結(jié)合器)。圖12 中示范了 Y形光學纖維結(jié)合器的一個改進的實施方式。實施方式100包括光源11，分光計 12，和Y形結(jié)合器，其具有連接至該光源11和分光計12的不均勻分支121。為了增加該生物傳感器的性能，與該分光計12(檢測器)的連接尺寸被設(shè)計成比光源11的連接尺寸更大。如圖12所示，當使用Y形光學纖維結(jié)合器時，優(yōu)選將較小直徑的光學纖維與較大直徑的光學纖維融合。該較小者將被用于來自光源11的照明光，較大者用于該分光計12。此結(jié)構(gòu)能夠使更多反射光到達該分光計12，因此增加了總體結(jié)合效率。本發(fā)明還涉及一種用于在樣品中基于薄膜頻譜干涉檢測被分析物的組件。該組件包括(a)波導管；(b)整體式襯底，其具有結(jié)合側(cè)和傳感側(cè)，該結(jié)合側(cè)被光學連接至該波導管；(c)薄膜層，其直接結(jié)合至該整體式襯底的傳感側(cè)；其中該波導管將光信號從光源傳遞至該組件，并且該波導管還將反射光信號從該組件傳遞至檢測器；該薄膜層包括透明材料， 包括被分析物結(jié)合分子層的第一反射面，在該薄膜層和該整體式襯底之間的第二反射面； 該整體式襯底的折射指數(shù)高于該薄膜層的透明材料的折射指數(shù)；由此，當樣品中的被分析物分子結(jié)合至該被分析物結(jié)合分子時，從所述第一和所述第二反射面反射入該波導管的光之間的頻譜干涉發(fā)生變化。在此組件中，所有的術(shù)語具有和前面所記載內(nèi)容相同的特征。在一個設(shè)計中，該組件通過將該波導管和該整體式襯底端對端連接，去除了它們之間的間隙。另外，該組件還在該波導管和該整體式襯底之間包括結(jié)合介質(zhì)，以填充其間的任何間隙。該結(jié)合介質(zhì)的折射指數(shù)通常大于約1. 3，優(yōu)選在該波導管和該整體式襯底的折射指數(shù)之間。在又一個設(shè)計中，在該波導管和該整體式襯底之間有間隙。此申請中所述的裝置能被用于以下用途(i)以梢端上攜帶的抗物種(species) 抗體，用于篩選具有高抗體表達的細胞系的雜交瘤細胞表達系；(ii)以梢端上攜帶的抗原表征對應該抗原的高親合力抗體；(iii)以梢端上攜帶的蛋白質(zhì)，用于識別和表征該蛋白質(zhì)的結(jié)合配偶體(DNA，RNA，蛋白，糖類，有機分子)；(iv)以梢端上攜帶的糖類或糖基部分， 用于識別和表征該糖類的結(jié)合配偶體(例如，DNA，RNA，蛋白，糖類，有機分子)；(ν)以梢端上攜帶的可參與多蛋白質(zhì)復合物的蛋白質(zhì)，用于表征該結(jié)合組分和/或復合物形成的動力學；(vi)以該梢端上攜帶的小蛋白質(zhì)結(jié)合分子，用于識別和表征該分子的蛋白質(zhì)結(jié)合劑； (vii)以該梢端上攜帶的抗體，用一組被分析物標準構(gòu)建該被分析物的校準曲線。采用此校準曲線可以測定被分析物在未知溶液(細胞培養(yǎng)上清液，生物樣品，工藝混合物等)中的濃度。(viii)以梢端上攜帶的單鏈核酸，例如，ssDNA或RNA，用于識別和表征特異性結(jié)合該核酸的分子。以下實施例進一步示范了本發(fā)明，其不應被解釋為將本發(fā)明的范圍限制為其中所述的特定步驟。
具體實施方式
實施例1.鏈霉親和素探針的制備1毫米直徑及2厘米長度的玻璃棒(整體式襯底)，其結(jié)合端和傳感端均被拋光。 該傳感端先用物理汽相沉積技術(shù)涂覆以厚度650納米的SiO2涂層(薄膜層)，然后按照制造商的方案，用化學氣相淀積工藝(Yield工程系統(tǒng)，1224P)沉積氨基丙基硅烷(APS)。沉積APS以固定蛋白質(zhì)。APS通過疏水性和離子相互作用的組合將蛋白質(zhì)吸附至該探針的表面。蛋白質(zhì)還可以通過用交聯(lián)試劑共價結(jié)合而被結(jié)合至APS的氨基集團。APS僅為單層，約 7納米厚。然后該探針(包覆以SiO2和APS的玻璃棒)被插入該模制塑料轂的中心孔，如圖 3所示。隨后用膠粘劑或鎖定機構(gòu)將該探針鎖定至該轂。然后具有傳感端的該探針被浸入50 μ g/ml的鏈霉親和素的pH 7. 4磷酸鹽緩沖液 (PBS)溶液(Scripps實驗室)。使鏈霉親和素吸附至該探針5分鐘后，在PBS中洗滌該探針梢端，然后浸入10%蔗糖溶液30秒鐘，隨后在30°C干燥一小時，再在干燥條件下保存。通常該探針至少浸入0.5毫米。實施例2. A蛋白與人類IgG結(jié)合的檢測如圖3所示，每個探針先在套管中被連接到波導管。該波導管連接鹵素光源和分光計，使得該光會被傳輸至該探針的傳感表面，并且會被傳輸至分光計，用于測量?？梢越⒍鄠€這種系統(tǒng)以實現(xiàn)并行檢測。這些分光計測量來自這些探針的傳感端的反射光并以每個波長下的波長和光強的實時函數(shù)輸出頻譜干涉圖案。圖13顯示了典型的干涉圖案。峰和谷左移形式的相變表示薄膜厚度減少(分子在該傳感表面上脫離)；右移表示薄膜厚度增加(分子在該傳感表面上締合)。通過將該干涉圖案轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，可用計算機在任何時間情形測定厚度改變。可以對應于時間繪制結(jié)合曲線(或締合和解離曲線)。因此可以分析其一在溶液中，其一固定在探針的傳感表面上的兩種不同分子之間的分子相互作用的動力學。在量化分析中，可以由動力學得出溶液中的被分析物分子濃度較快的結(jié)合動力學意味著較高的被分析物濃度。用兩個平行測量的探針論證了一個實施例。圖14同時顯示了兩個探針的締合和解離曲線。為了開始分析，將該探針的傳感端浸入PBS中約20秒，以水化被固定的鏈霉親和素(步驟1)。此步驟還被用于建立結(jié)合曲線的基準。然后在步驟2中，這些探針被轉(zhuǎn)移至濃度為50 μ g/ml的生物素?；腁蛋白樣品(Pierce Chemical)的PBS溶液。約100秒后有約1納米的移動。步驟3要求在PBS中短暫洗滌這些探針傳感端。步驟4顯示了濃度為0. lmg/ml的人類IgGCJackson ImmunoResearch)的PBS溶液與A蛋白涂覆的探針傳感端的結(jié)合。在約兩分鐘內(nèi)，該薄膜層(SiO2涂層)加生物分子層的總厚度增加6. 5納米(步驟4)。為了解離該IgG/A蛋白復合物，將這些探針轉(zhuǎn)移至pH 4的乙酸鈉溶液，在約75秒內(nèi)，該薄膜厚度降低3納米(步驟5)。本發(fā)明及其制作和使用的方式和步驟現(xiàn)已用充分，清楚，簡要和準確的術(shù)語進行了敘述，以使其所涉及領(lǐng)域技術(shù)人員能夠進行同樣的制造和使用。應當理解，上述內(nèi)容描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并且在不離開權(quán)利要求所述的本發(fā)明范圍的前提下，還可以進行修改。為了特別指出和清楚地申明被認為是發(fā)明的主題內(nèi)容，以下權(quán)利要求總結(jié)了此說明書。
權(quán)利要求
1.一種用于在樣品中基于薄膜頻譜干涉檢測被分析物的組件，包括波導連接器，其包括波導管，其中該波導管將光信號從光源傳遞至該組件，并且該波導管將反射光信號從該組件傳遞至檢測器；整體式襯底，其具有結(jié)合側(cè)和傳感側(cè)，該結(jié)合側(cè)通過結(jié)合轂連接至該波導連接器； 結(jié)合介質(zhì)，其位于該波導連接器和該整體式襯底之間，使該波導管與該整體式襯底光學連接，無任何間隙；和薄膜層，其直接結(jié)合至該整體式襯底的傳感側(cè)，其中該薄膜層包括透明材料，包括被分析物結(jié)合分子層的第一反射面，和在該薄膜層和該整體式襯底之間的第二反射面，由此，在樣品中的被分析物分子結(jié)合至被分析物結(jié)合分子時，從所述第一和所述第二反射面反射入該波導管的光之間的頻譜干涉發(fā)生變化。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該整體式襯底的折射指數(shù)高于該薄膜層的透明材料的折射指數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該結(jié)合介質(zhì)的折射指數(shù)大于1.3。
4.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該結(jié)合介質(zhì)的折射指數(shù)介于該波導管和該整體式襯底的折射指數(shù)之間。
5.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該整體式襯底是傳感器纖維。
6.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該結(jié)合轂被插入該波導連接器。
7.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該結(jié)合轂包括結(jié)合介質(zhì)。
8.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該波導連接器為套管，并且該套管被插入該結(jié)合轂。
9.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該波導連接器為套管，并且該結(jié)合介質(zhì)在該套管和該結(jié)合轂的底部之間。
10.一種用于在樣品中基于薄膜頻譜干涉檢測被分析物的組件，包括 波導管；整體式襯底，其具有結(jié)合側(cè)和傳感側(cè)，該結(jié)合側(cè)被光學連接至該波導管； 薄膜層，其直接結(jié)合至該整體式襯底的傳感側(cè)；其中該波導管將光信號從光源傳遞至該組件，并且該波導管將反射光信號從該組件傳遞至檢測器；和其中該薄膜層包括透明材料，包括被分析物結(jié)合分子層的第一反射面，和在該薄膜層和該整體式襯底之間的第二反射面；該整體式襯底的折射指數(shù)高于該薄膜層的透明材料的折射指數(shù)；和由此，在樣品中的被分析物分子結(jié)合至被分析物結(jié)合分子時，從所述第一和所述第二反射面反射入該波導管的光之間的頻譜干涉發(fā)生變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的組件，其還包括在該波導管和該整體式襯底之間的結(jié)合介質(zhì)， 其中該結(jié)合介質(zhì)的折射指數(shù)大于1. 3。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的組件，其中該結(jié)合介質(zhì)的折射指數(shù)介于該波導管和該整體式襯底的折射指數(shù)之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或10的組件，其中該整體式襯底的長度比寬度或長度比直徑的縱橫比至少為5比1。2
14.根據(jù)權(quán)利要求1或10的組件，其中該整體式襯底由玻璃，石英，或塑料組成。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或10的組件，其中該整體式襯底的折射指數(shù)至少為1.55。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或10的組件，其中Y形纖維光學結(jié)合器從該波導管連接至該光源和該檢測器，其中連接至該檢測器的分支直徑大于連接至該光源的分支。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種組件，其用于在樣品中基于薄膜頻譜干涉檢測被分析物。該組件包括波導管，光學連接該波導管的整體式襯底，和直接結(jié)合至該整體式襯底的傳感側(cè)的薄膜層。該整體式襯底的折射指數(shù)比該薄膜層的透明材料的折射指數(shù)高。當樣品中的被分析物分子與該薄膜層上涂覆的被分析物結(jié)合分子結(jié)合時，從第一反射面和第二反射面反射入該波導管的光之間的頻譜干涉發(fā)生變化。
文檔編號G01N33/483GK102326068SQ201080008563
公開日2012年1月18日 申請日期2010年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者夏明 , 曹二華, 羅伯特·F·祖克, 譚洪, 譚玉山 申請人:萬邁醫(yī)療儀器有限公司