CN101331390A - 用于分析样品的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于分析一或多种样品以分析在所述样品中是否存在一或多种分析物、其量或特性的装置，其中所述装置包括用于提高分析物光学检测的信号/背景比的聚焦显微结构。
Description
本发明涉及处理和/或检测样品中的一或多种分析物的装置的领域，特别是处理和检测溶液中生物分子的装置的领域。
本发明涉及对样品中的分析物的处理和检测，特别是对溶液中的生物分子的检测。所述检测通常以这样一种方式发生：在基底材料上提供待分析的液体，所述基底材料含有用于作为检测对象的分析物的结合物质。如果分析物也是DNA链，这种捕获探针可以是对应的DNA链。随后，液体中通常带有标记(优选光学荧光标记)的分析物将被结合物质捕获(如果是两个互补的DNA链，这一过程称为杂交)，并在除去液体后仍然保持在原处。然后可以对分析物进行检测。
然而，如果是光学检测，检测步骤的分辨率稍有降低，因为样品中分析物的体积或量很小，信号/噪音比变得极小以对样品进行适当的分析。
因此本发明的目的是提供一种允许获得更高灵敏度的分析装置。
这一目的通过根据本申请的权利要求1的装置来达到。
因此，提供了一种用于分析一或多种样品以分析在所述样品中是否存在一或多种分析物、其量或特性的装置，所述装置至少包括第一材料和第二材料，所述第一和第二材料彼此相向提供以形成至少一个聚焦显微结构，且波长在≥300nm至≤800nm之间的光在所述聚焦显微结构上的反射≥50％。
这样，在本发明的大部分应用中可获得以下优点中的一或多个：
-由于聚焦显微结构对光的集中，对大部分应用而言可显著提高信号/背景比
-而所述装置在大多数应用中可保持简单化，避免了复杂的设计
-高效的照明和收集(高NA)提供了高灵敏度
-检测和生物部分之间工作距离大
-与流控技术结合简单
根据本发明的一个实施方式，
(a)所述装置具有特异于至少一种所述分析物的至少一种结合物质；
(b)所述第一和第二材料彼此相向提供以形成至少一个聚焦显微结构，其焦点在至少一种结合物质的附近。
在本发明中，术语“焦点”特别还包括“焦点容积”，也就是万一由于聚焦显微结构的生成中的小错误，不是全部的光将仅聚集在一个点上，而将聚集在一个容积上。
根据本发明的一个优选实施方式，波长≥300nm至≤800nm的光在第一显微结构上反射≥60％。
优选地，这种光在第一显微结构上的反射≥70％，或≥80％，或≥90％，或≥95％。
优选地，这种光在第一显微结构上的反射≥60％或70％，或≥80％，或≥90％或95％。
根据本发明的一个优选实施方式，所述第一材料对波长范围从≥300nm至≤1000nm的光具有≥50％至≤99.99％的透光度。
在本发明中，术语“透光度”特别指其波长不能被所述材料吸收的入射光在空气中垂直入射时从样品中穿过。
根据本发明的一个优选实施方式，所述第一材料对波长范围从≥400nm至≤900nm的光，具有≥50％至≤99.99％的透光度。
优选地，所述第一材料对波长范围从≥500nm至≤800nm的光，具有≥50％至≤99.99％的透光度。
优选地，所述第一材料对波长范围从≥300nm至≤1000nm的光，具有≥80％至≤99.99％的透光度。
优选地，所述第一材料对波长范围从≥400nm至≤900nm的光，具有≥80％至≤99.99％的透光度。
优选地，所述第一材料对波长范围从≥500nm至≤800nm的光，具有≥80％至≤99.99％的透光度。
根据本发明的一个实施方式，所述第一材料是电解材料，所述第二材料的折射指数n2大于所述第一材料的折射指数n1以满足等式2≥n2-n1≥0.1，根据另一实施方式1.5≥n2-n1≥0.5，根据另一实施方式1.2≥n2-n1≥0.8。
根据本发明的一个实施方式，所述第一材料是金属材料。
根据本发明的一个优选实施方式，所述聚焦显微结构具有球形的截面形状。
根据本发明的一个不同的实施方式，所述聚焦显微结构具有椭圆形的截面形状。
根据本发明的一个优选实施方式，所述聚焦显微结构中的至少一个以凹槽的形式提供。
根据本发明的一个优选实施方式，所述聚焦显微结构中的至少一个以长条状的形式提供。
应该注意，本发明意义上的术语“条”不限于有些直的结构；根据本发明的一个实施方式，所述条包括弯曲的和/或弧形的部件。
根据本发明的一个优选实施方式，所述聚焦显微结构的高度∶宽度比为≥0.1∶1和≥1∶1，优选≥0.2∶1和≤0.8∶1，最优选≥0.3∶1和≤0.6∶1。
根据本发明的优选实施方式，所述聚焦显微结构的焦距∶高度比为≥1∶1和≤3∶1，优选≥1.5∶1和≤2.5∶1，最优选≥1.8∶1和≤2∶1。
在本发明的意义上，术语“高度”和“宽度”包括：高度是镜极(pole of the mirror)与剖面之间的距离，高度实际上是所得到的圆的一条弦，宽度是该弦的长度。
术语“焦距”在本发明的意义上，包括从所述显微结构的焦点到所述第一材料中的凹槽的底部的距离。
根据本发明的一个优选实施方式，至少一个聚焦显微结构的高度为≥0.2μm至≤100μm，优选≥1μm至≤80μm，更优选≥5μm至≤50μm，最优选≥10μm至≤30μm。
根据本发明的一个优选实施方式，至少一个聚焦显微结构的宽度为≥2μm至≤100μm，优选≥10μm至≤80μm，更优选≥20μm至≤70μm，最优选≥30μm至≤50μm。
根据本发明的一个优选实施方式，所述装置进一步包括在所述第一材料附近提供的至少一个结合层和/或结合区域。这一结合层和/或结合区域可用作例如将结合物质连接至所述装置的基础(随后将在本发明的一个优选实施方式中将加以描述)。
根据本发明的一个优选实施方式，所述第一材料选自包含Si、Mo、Ti、TiO、TiN、Al、Au、Ag、Cu、有机聚合物的组，优选选自包含聚丙烯酸、聚(甲基)丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯及其混合物、SiO2或其混合物的组。
根据本发明的一个优选实施方式，所述第二材料选自包含SiO2、Al2O3、HfO、MgF2、Ta2O5及其混合物的组。
根据本发明的一个优选实施方式，所述装置还包括基底材料。根据选择用于所述第二材料的材料，本发明有两个更优选的实施方式：
-当所述第一材料为金属材料时，在一些应用中优选第二材料以层状提供，并且在第二材料附近提供基底材料
-当所述第一材料为非金属材料时，在一些应用中优选将第二材料用作基底材料。
根据本发明的一个优选实施方式，所述装置进一步包括至少一个朝聚焦显微结构发射光的光发射装置和用于检测例如由标记的分析物发射的光的光检测装置。
根据本发明的一个实施方式，所述至少一个光发射装置是单波长光发射装置。根据本发明的一个实施方式，所述至少一个光发射装置是激光装置。
根据本发明的一个实施方式，所述至少一个光发射装置包括以至少两种不同波长发射光的装置。
根据本发明的一个实施方式，所述至少一个光发射装置包括发射波束宽度≥0.8×聚焦显微结构宽度的光的装置。
根据本发明的一个实施方式，所述至少一个光发射装置包括用于发射调制光的装置。
根据本发明的一个实施方式，所述调制包括对波幅、相位和/或极化的调制。
根据本发明的一个实施方式，所述至少一个光发射装置和所述检测装置彼此互相同步。
根据本发明的一个实施方式，所述装置包括至少一个过滤器和/或偏光装置。
根据本发明的一个实施方式，所述过滤器是波长过滤器。
根据本发明的一个实施方式，在所述光发射装置和所述聚焦显微结构之间提供所述过滤器。
根据本发明的一个实施方式，在所述检测装置和所述聚焦显微结构之间提供所述过滤器。
根据本发明的一个实施方式，所述偏光器包括圆形偏光器、同线偏光器和/或四分之一波长偏光器。
根据本发明的一个实施方式，在所述光发射装置和所述聚焦显微结构之间提供所述偏光器。
根据本发明的一个实施方式，在所述检测装置和所述聚焦显微结构之间提供所述偏光器。
根据本发明的一个实施方式，所述检测装置包括以例如图像、波谱、数据点序列的形式存储数据的检测装置。
根据本发明的一个实施方式，所述装置包括数据处理装置以存储和处理来自所述检测装置的、优选连同例如极化、调制和/或温度的数据。
根据本发明的一个优选实施方式，所述装置进一步包括至少一个引导装置以将样品、其中的分析物或样品的一部分引向所述结合物质。根据本发明的一个优选实施方式，这些引导装置包括传导装置(优选金属条)，其在所述结合物质附近沉积。通过在所述传导装置之间施加电压，产生不均匀的电场。已知某种分析物能通过电场进行操纵。这将允许将分子带至结合位点从而提高结合效率。根据本发明的一个优选实施方式，所述电场经调制。这将移动溶液中未结合的分子，允许荧光信号锁定性质的测量。通过如此操作，在许多应用中可以进一步提高信号/背景比并允许对仅少数分子的可靠检测。
根据本发明的一个实施方式，所述装置还包括温度控制和/或调节装置以控制和/或调节所述聚焦显微结构上或周围的温度和/或所述装置内部的温度。
根据本发明的一个实施方式，所述温度控制和/或调节装置用作在不同的聚焦显微结构中和/或在一个聚焦显微结构中(例如特别是当所述聚焦显微结构以条的形式提供时)建立温度梯度。
此外，本发明涉及一种制备根据本发明的装置的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供第一材料和具有折射指数n2的第二材料，所述第一和第二材料彼此相向提供以形成至少一个具有焦点的聚焦显微结构
(b)提供特异于至少一种所述分析物的至少一种结合物质
(c)通过朝所述聚焦显微结构发射光，将所述至少一种结合物质与所述装置连接，使得所述结合物质的至少一部分与所述装置在所述聚焦显微结构的焦点附近连接。
优选地，步骤(c)中所用的光波是波长为≥200nm且≤500nm的光。实际上已显示，通过使用这种波长的光，在所述显微结构和所述结合物质之间可实现良好的连接。优选地，所述光具有≥200nm且≤400nm的波长，更优选≥300nm且≤400nm。
根据本发明的装置以及用本发明的方法生产的装置可用于广泛多样的系统和/或应用中，其中的一或多个系统和/或应用如下：
-用于分子诊断的生物传感器；
-对复杂的生物学混合物(例如血液或唾液)中的蛋白质和核酸的快速而灵敏的检测；
-用于化学、药学或分子生物学的高效筛选装置；
-测试装置，例如用于DNA或蛋白质测试、例如用于犯罪学、用于(医院中的)现场测试、用于中心实验室的诊断或科学研究；
-用于心脏病学、感染性疾病和肿瘤学、食品和环境诊断学中DNA或蛋白质诊断的工具；
-用于组合化学的工具；
-分析装置；
-纳米或微米流体装置。
上面提到的元件，以及所请求保护的元件和用于所描述的实施方式中的元件，对于它们的尺寸、形状、材料选择和技术概念，没有任何特殊例外，因此可不受限制地应用相关领域中已知的选择标准。
本发明的对象的额外细节、特性和优点在从属权利要求(subclaims)、附图和以下对各附图和实施例的描述中被公开，以下描述以示例性的方式显示了根据本发明的检测器的优选实施方式。
图1示出了根据本发明第一个实施方式的具有第一和第二材料的组件的截面示意图。
图2示出了根据本发明第二个实施方式的第二材料的透视图。
图3示出了根据本发明的第三个实施方式的具有第一、第二和基底材料的组件的截面示意图。
图4示出了根据本发明的第四个实施方式的包括光发射装置和检测装置的装置的示意图。
图5示出了根据本发明第五个实施方式的具有第一和第二材料以及传导装置的组件的截面示意图。
图1示出了根据本发明第一个实施方式的具有第一和第二材料10和20的组件1的截面示意图。正如图1中所见，所述第一和第二材料10和20形成略呈球形的聚焦显微结构。入射光hv将被聚焦显微结构弯曲并被导向结合物质40之一，结合物质40位于所述显微结构的焦点或紧邻焦点处。在所述第一材料的顶部设有结合层50，其用作用于结合物质40的设置。所述聚焦显微结构的焦距用“F”表示，高度用“H”表示。宽度用“W”表示。
图2示出了根据本发明第二个实施方式的第一材料10′的透视图。正如从图2中所见，所述聚焦显微结构略成形为延长的凹陷或凹槽。然而，在一些应用中也希望所述聚焦显微结构形成为(当从顶部看时)圆形或椭圆形。
图3示出了根据本发明的第三个实施方式的具有第一、第二和基底材料的组件的截面示意图。这一实施方式与图1的实施方式的不同之处在于，第一材料形成薄金属层10，它在不向第二材料20突出的面被基底材料30所包围。是根据这一实施方式的解决方案更有利还是根据图1的解决方案更有利取决于本发明的实际应用的情况。
图4示出了根据本发明的第四个实施方式的包括光发射装置和检测装置的装置的示意图。此处，所述装置具有光发射装置140(例如以灯等形式)，它朝二色镜100发射平行或半平行形式的光束，二色镜100朝向在基底材料30上提供的第一和第二材料(10；20)的聚焦显微结构60(仅示意性示出)。例如荧光标记的结合分析物发射的光将被所述微结构收集，然后穿过所述镜100，被透镜110聚焦并通过照相机150进行检测。通常，所述装置还将包括过滤器120，130。
图5示出了根据本发明第五个实施方式的具有第一和第二材料10和20以及传导装置的组件1″的截面示意图。在这一实施方式中，传导装置70和80在结合层50上以金属板的形式提供。如果第二材料按图2中所示成形，所述导电装置可简单地是位于聚焦显微结构的左侧和右侧的条。在许多应用中，通过在条之间施加电压可将样品或样品中的分析物引向结合物质40。应该注意到，所述传导装置70和80仅以示例性方式显示；在大多数实际应用中它们的尺寸会小的多。
以上详述的部件和特征的特定组合只是示例性的；这些教导与其他在该方面的教导的互换和替换也是明显可预期的。正如本领域技术人员将认识到的那样，对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，这些实施方式可发生变化、修饰并存在其他的实施方式。因此，前面的描述仅是用于举例而非限制。本发明的范围由所附权利要求及其等价形式所限定。此外，说明书和权利要求书中所用的附图标记不限制本发明所请求保护的范围。
Claims (11)
1、一种用于分析一或多种样品以分析在所述样品中是否存在一或多种分析物、其量或特性的装置(1)，该装置至少包括第一材料(10)和第二材料(20)，所述第一和第二材料彼此相向提供以形成至少一个聚焦显微结构，且波长为至少300nm到至多800nm的光在该聚焦显微结构上的反射为至少50％。
2、根据权利要求1的装置，其中
(a)所述装置具有特异于至少一种所述分析物的至少一种结合物质(40)；和
(b)所述第一和第二材料彼此相向提供以形成至少一个聚焦显微结构，其焦点在至少一种结合物质的附近。
3、根据权利要求1的装置，其中所述聚焦显微结构呈球形或椭圆形的形式。
4、根据权利要求1或2的装置，其中所述装置还包括在所述第一材料附近提供的结合层(50)。
5、根据权利要求1到4中任一项的装置，其中所述第一材料选自包含Si、Mo、Ti、TiO、TiN、Al、Au、Ag、Cu、有机聚合物的组，优选选自包含聚丙烯酸、聚(甲基)丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯及其混合物、SiO2或其混合物的组。
6、根据权利要求1到5中任一项的装置，其中所述第二材料选自包含SiO2、Al2O3、HfO、MgF2、Ta2O5或其混合物的组。
7、根据权利要求1到6中任一项的装置，其中至少一个聚焦显微结构的高度是至少0.2μm到至多100μm，优选至少1μm到至多80μm，更优选至少5μm到至多50μm，最优选至少10μm到至多30μm。
8、根据权利要求1到7中任一项的装置，其中至少一个聚焦显微结构的宽度是至少2μm到至多100μm，优选至少10μm到至多80μm，更优选至少20μm到至多70μm，最优选至少30μm到至多50μm。
9、根据权利要求1到8中任一项的装置，其中至少一个聚焦显微结构以长条的形式提供。
10、制备根据权利要求1到9中任一项的装置的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供具有折射指数n1的第一材料和具有折射指数n2的第二材料，所述第一和第二材料彼此相向提供以形成至少一个具有焦点的聚焦显微结构；
(b)提供特异于至少一种所述分析物的至少一种结合物质；和
(c)通过朝所述聚焦显微结构发射紫外光，将所述至少一种结合物质与所述装置连接，使得所述结合物质的至少一部分与所述装置在所述聚焦显微结构的焦点附近连接。
11、包括根据权利要求1到9中任一项的装置的系统，其适合实施权利要求10的方法，并被用于以下一或多个应用中：
-用于分子诊断的生物传感器；
-对复杂的生物学混合物例如血液或唾液中的蛋白质和核酸的快速而灵敏的检测；
-用于化学、药学或分子生物学的高效筛选装置；
-测试装置，例如用于DNA或蛋白质测试，例如用于犯罪学、用于(医院中的)现场测试、用于中心实验室的诊断或科学研究；
-用于心脏病学、感染性疾病和肿瘤学、食品和环境诊断学中DNA或蛋白质诊断的工具；
-用于组合化学的工具；
-分析装置；
-纳米或微米流体装置。
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