CN101416042A - 集成波导的核酸分析芯片和用于核酸探针检验的光学设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于核酸探针检验的集成波导的核酸分析芯片与光学设备。提供了一种用于核酸分析的芯片包括本体(2，9)，其中形成了检测腔(7)用于容纳核酸探针(12，12′)。波导(8)被集成在本体(2，9)中且布置在检测腔(7)的底部从而使得当光辐射在波导(8)内传送时在波导(8)的界面(8a)处产生的倏逝波(EW)朝检测腔(7)的里面照射。一种用于核酸探针检验的设备包括：支架(22)，其上承载了用于核酸分析的芯片(1)，该芯片包含核酸探针(12，12′)；光源(24)，用于供应激励辐射到核酸探针(12，12′)；和光传感器(25)，其被布置以便接收来自核酸探针(12，12′)的辐射。

Description

集成波导的核酸分析芯片和用于核酸探针检验的光学设备
技术领域
本发明涉及到用于核酸分析的芯片，其集成了波导，以及用于核酸探针检验的光学设备。
背景技术
如已知的，根据不同的模态，对应于寻求的序列，核酸分析需要：生物材料样品的制备、其中包含的核材料的扩增、以及单独的参照链或靶标链的杂交这些的预备步骤。如果样品包含与靶标链互补的链，则发生杂交(且测试产出了积极成果)。
在预备步骤的最后，样品必须被检查以控制杂交是否已发生(所谓的检测步骤)。为此，已知了各种检验方法和设备，例如光或电类型的方法与设备。特别是，光学类型的方法和设备通常是基于荧光现象。进行扩增和杂交的反应，使得包含于支架中制成的检测腔内的杂交链，包括荧光分子或荧光剂(fluorofor)(杂交链可以是要么移植到检测腔底部或保持在液体悬浮液中)。支架被暴露到具有适当发射光谱的光源，以便激发荧光剂。继而，所激发的荧光剂以高于激发光谱峰值的发射波长发射出次级辐射。荧光剂发射的光被光传感器收集和捕获。为了消除代表了扰动源的背景光辐射，光传感器设置有中心在荧光剂发射波长处的带通或干扰滤光器。
然而，荧光剂发射光谱的最大峰值与激发光谱的峰值之间的差值(也被称作“斯托克斯频移”)不是非常高，且不管滤光器是如何有选择性的，滤光器只可以衰减由源发射并随后散射的光，然而却不将其一起消除掉。也应考虑到，被用来提供支架的材料常常具有高的反射功率。例如，集成在半导体芯片中用于核酸分析的微流体器件是日趋普及的。在集成的微流体器件中，检测腔经常具有覆盖有一层二氧化硅涂层的底部，且有时也存在金属电极，例如金或铝的金属电极。因此，实际上，由源发射的仅相对较小的一部分光被吸收，而显著的部分被反射且很可能能够扰乱由荧光剂发射的光的检测。
发明内容
本发明的目的是提供用于核酸分析的芯片和用于核酸探针检验的光学设备，其能克服所说明的限制。
根据本发明，提供了用于核酸分析的芯片和用于核酸探针检验的光学设备，分别如权利要求1和13所限定的。
附图说明
为了更好理解本发明，现在说明其实施例，完全通过非限制性例子和参考所附的版图，其中：
图1是根据本发明的第一实施例用于核酸分析的芯片的顶部平面图；
图2是根据图1的II-II线的图1的芯片的横截面视图；
图3图示了图2视图的扩增细节；
图4和5图示了图1的芯片的第一变体和第二变体；
图6是用于核酸检测的光学检验设备的简化方块图，其使用图1的芯片；
图7是载入图6的设备内的图1的芯片的详细示例性图解；
图8示出了与图1的芯片中传播的光辐射相关联的强度分布；
图9是根据本发明第二实施例用于核酸分析的芯片的横截面视图；
图10是用于核酸检测的光学检验设备的简化方块图，其使用图9的芯片；和
图11是载入图10的设备内的图9的芯片的详细示例性图解。
具体实施方式
图1和2示出了其中提供用于核酸(此处为DNA)分析的化学微反应器的芯片1。芯片1包括：由半导体材料制成的基片2；入口储存器4；多个微流体通道5；关联到微流体通道5的加热器6；检测腔7；和波导8。
更精确地，入口储存器4和检测腔7被限定在布置于基片2表面上的结构层9中(例如，结构层9可以要么包括淀积在基片2上的抗蚀剂层或者粘合到该处的玻璃片)。
微流体通道5被埋入到基片2内，例如在EP-A-1 043 770中、在EP-A-1 130 631中或在公开的专利申请US2005/282221中所说明的，并在入口储存器4和检测腔7之间延伸。此外，微流体通道5通过入口开口10流体耦合到入口储存器4，以便可以从外侧进入，并通过出口开口11到达检测腔7。
加热器6，此处包括由多晶硅制成的电阻元件，被形成在基片2的表面上并在微流体通道5的横向方向上延伸。此外，加热器6可以用已知方式电连接到外部电功率源(未示出)且可以被驱动以释放热功率到微流体通道5以便根据预定的热特性循环地控制它们里面的温度。
检测腔7被设计为接收包含了先前处理过的悬浮核材料的流体，以执行核酸序列的光学检测的步骤。如在图3中更详细图解的，检测腔7被形成在波导8上方并容纳了多个所谓的“DNA探针”12，包括了单链参照DNA，其包含核苷酸的预定序列。更精确地，DNA探针12被布置在预定位置中以便形成阵列并被直接移植到波导8，所述波导8形成了检测腔7的底部。在杂交步骤之后，标明为12′的某些DNA探针被杂交，即，它们被约束到单独的互补DNA序列，且包含荧光剂15。
波导8被形成在基片2上并至少在DNA探针12、12′的阵列之下延伸且，优选地，在整个检测腔7的底部延伸。此外，波导8包括具有预定的主折射率N1的光导材料的平面层。例如，可以使用氮氧化硅或二氧化硅，其适当地掺杂锗、磷或硼(主折射率N1的值实际上取决于掺杂剂种类的浓度)。可选地，有可能扩散钛，而获得了由于离子交换的导向效应。
由检测腔7的里面将波导8一侧限定在第一界面8a，且由基片2将波导8相对侧限定在第二界面8b。选择主折射率N1，从而使得关联到波导8中所传送的电磁辐射的能量部分保持限制在波导里面，除了预定部分或尾部以外，它们离开了波导(倏逝波；evanescent wave)。更精确地(也参看图8)，相对于次折射率N2选择了主折射率N1，其是引入到检测腔7用于检测步骤的流体的特征，从而使得通过第一界面8a离开的电磁能量(倏逝波EW的能量)是总数的预定部分。此外，主折射率N1与次折射率N2之间的关系为使得倏逝波EW的强度变为在距第一界面8a大约1-2μm的衰减距离D0处基本上可忽略。
优选地，波导8的主折射率N1与基片2的折射率之间的比率为达到了基本上阻止了通过第二界面8b能量的分散。
如图3中详细图解，芯片1的面1a被标明为暴露到外部激励的光源，所述面1a被切割以便形成相对于第一界面8a和第二界面8b的预定角度。波导8的外边缘被暴露在面1a上且限定了光耦合表面8c用于在波导8的方向上从外面传送可见的电磁辐射。
在图4中图解的变体中，DNA探针12被移植到波导8上淀积的锚定层14。在此情况下，第一界面8a被限定在波导8与锚定层14之间。也考虑到锚定层14的厚度和折射率，确定了主折射率N1。在实践中，倏逝波的衰减距离(距第一界面8a)大约比锚定层14的厚度大1-2μm。
在图5中图解的又一变体中，光导8包括核心8d和覆层8e，所述核心8d具有主折射率N1，所述覆层8e覆盖核心8d的两面且具有次折射率N2。在此情况下，第一界面8a被限定在核心8d与覆层8e之间，DNA探针12在该侧被锚定到所述覆层8e。优选地，覆层8e在DNA探针12被锚定处被减薄，以促成可能出现的荧光剂15激发。如果需要，可以构想(此处未示出)用于DNA探针12的锚定层。
芯片1中集成的微反应器被预先布置用于执行核材料扩增的反应，例如通过PCR(聚合酶链式反应)以及DNA探针12的杂交。为此，液体悬浮液中的生物样品包含了先前处理的核材料，该生物样品被供应到入口储存器4并被注入到微流体通道5。这里，样品经受热循环以便以已知方式扩增存在的DNA。在扩增步骤的最后，还使得生物样品前进到远至检测腔7处，在该处定位了DNA探针12。如果生物样品包含与DNA探针12互补的核苷酸序列，则DNA探针12被杂交。此外，进行扩增反应从而使得杂交的DNA探针12′将包含具有特征发射波长的荧光剂15(仅仅示意性示出)。
参考图6和7，数字20标明了基于荧光、用于杂交DNA链的检测的光学检验设备。检验设备20包括控制单元21，用于收纳一块芯片1的支架22，光源24和光传感器25，其设置有校准和聚焦器件26，以及滤光器27，其具有中心在荧光剂15所特有的发射波长左右的通带。
此外，控制单元21包括补偿器模块28，其接收来自光传感器25的数字图像IMG，以及图像处理模块30。
图7示出了载入支架22内以便加以检查的芯片1的细节。光源24发射具有光谱的电磁辐射以便激发荧光剂15且可以包括激光(相干单色光源)或常规白炽灯或LED，其具有适当的滤光器(非相干源)。当带有集成微反应器的芯片1在读取位置中位于支架22内时，光源24光学耦合到波导8。更精确地，布置光源24使得所发射的光指向芯片1的面1a。此外，光源24的方位为使得入射到波导8的光耦合表面8c上的辐射被沿着波导8本身传送。
布置光传感器25，例如CMOS或CCD类型的光传感器，以便收集由存在于芯片1中所集成的微反应器的检测腔7中的荧光剂15发射的光。在实际中，当芯片1被载入到支架22内时，在远大于衰减距离D0的检测距离Ds处，例如大约3-7cm处，光传感器25基本上平行于第一界面8a。
检验设备20以下文中说明的方式而运行。初始地，一块芯片1集成了其中已执行DNA探针12的杂交步骤的微反应器，所述芯片1被载入支架22。控制单元21启动光源24，且所发射的部分激励辐射被沿着波导8传送而穿过光耦合表面8c。
如图8中示意性示出的，关联到光辐射的一部份能量保持被约束在波导8内。然而，取决于主折射率N1与次折射率N2之间的比的一部分能量穿过界面8a离开并在波导8外面引起了倏逝波EW。倏逝波EW的强度随着距第一界面8a的距离D增加而指数式衰减并变成基本上在衰减距离D0中可忽略的。杂交DNA探针12′的荧光剂15在任何情况下位于距第一界面8a远短于衰减距离D0的距离处(通常，小于100nm)。倏逝波EW的能量因此足以激发荧光剂15，其发射在特征波长下可以被光传感器25检测到的光。然而，光传感器25不能检测由倏逝波EW引起的辐射，因为检测距离Ds(5-7cm)远大于衰减距离(1-2μm)。换句话说，倏逝波EW的强度在距第一界面8a为检测距离Ds处(该处定位了光传感器25)基本上为零。
光传感器25所检测到的数字图像IMG被发送到控制单元21的补偿器模块28，其平衡了亮度级别以补偿随着距光耦合表面8c的距离增加而沿波导8的光辐射(和倏逝波EW)的衰减(最远的荧光剂15由于衰减而在较小程度上被激发，且可能不被正确地辨认)。补偿器模块28提供经补偿的图像IMGC到图像处理模块30，其被设计用于检测包含荧光剂15的杂交DNA探针12′，以及用于检测它们在阵列中的位置。
所述的芯片和检验设备由于在杂交DNA探针的光学检测期间的荧光剂激励辐射而能消除扰动。激励辐射实际上几乎完全被约束在波导内，且在检测腔的方向上离开以激发荧光剂的倏逝波在距波导本身非常短的距离处被衰减且没有达到光传感器。有利地，检验设备需要仅一个波导，因为由荧光剂所发射的辐射直接被光传感器所收集。波导在芯片内的集成代表了本发明的又一优点。一方面，实际上，波导的几何形状可以被优化从而使得倏逝波将精确地具有所需强度。另一方面，集成的波导可以用简单且精确的方式被光学地耦合到激励光源，且微流体器件适合于以完全自动化的方式执行检测步骤。
图9和10示出了本发明的不同实施例。在此情况下(图9)，芯片100集成了化学微反应器、入口储存器104、埋入基片102的微流体通道105、加热器106、检测腔107、和波导108，所述化学微反应器包括由半导体材料制成的基片102。
入口储存器104和检测腔107被限定在布置于基片102表面上的结构层109中且流体耦合到微流体通道105，如已经参考图1和2解释的。如图9中可见，基片102在检测腔107侧延伸到结构层109以外。
检测腔107被形成在波导108上方且容纳多个DNA探针112，所述探针112布置在预定位置中以便形成阵列。DNA探针112再被移植到波导108，所述波导108形成检测腔107的底部。杂交DNA探针112′包含荧光剂115。
波导108包括具有预定的主折射率N1的光导材料平面层，例如适当掺杂的氮氧化硅或二氧化硅。此外，波导108被形成在基片102上，并在例如与微流体通道105相反的方向上，在DNA探针12的阵列的底部处以及在检测腔7外面延伸。横向地在结构层109之外的一部份波导108限定了光耦合表面108c。优选地，光耦合表面108c是自由的且直接地布置成朝外。
在图10中图解的是光学类型的检验设备120，其包括控制单元121，用于收纳芯片100的实例的支架122，光源124，光耦合元件123，和光传感器125，其设置有校准和聚焦器件126以及干扰滤光器127，所述干扰滤光器127具有中心在荧光剂115所特有的发射波长左右的通带。
此外，控制单元121包括补偿器模块128，其接收来自光传感器125的数字图像IMG，以及图像处理模块130。
如图11所示，光耦合元件123包括具有输入表面131a以及输出表面的光学棱镜131，所述输入表面131a接收由光源124发射的辐射，当该光耦合元件123被载入支架122内时所述输出表面面对芯片100的光耦合表面108a。配置光学棱镜131，以便在波导108内传送来自光源124的辐射。
最后，显然的是可以对本文所述芯片和设备作出修改和变化，而不离开如所附权利要求限定的本发明的范畴。例如，波导可以由任何材料制成并使用任何技术，尤其是那些适合于集成到半导体器件制作工艺中的技术。杂交DNA探针可以是在液体悬浮液中，而非在检测腔底部固定不动的。在此情况下，只有包括在位于紧邻波导附近处在衰减距离内的DNA探针中的荧光剂被激发。当存在用于耦合到光源的光学棱镜时，其可以被集成到芯片中(例如结合)，而不是形成检测设备的部分。最后，除了波导以外，芯片也可以包括仅检测腔。

Claims (19)

1.一种用于核酸分析的芯片，包括本体(2，9；102，109)和检测腔(7；107)，所述检测腔形成在所述本体(2，9；102，109)中用于容纳核酸探针(12，12′；112，112′)，其特征在于：其包括集成在所述本体(2，9；102，109)中并邻近所述检测腔(7；107)设置的波导(8；108)从而使得当激励辐射在所述波导(8；108)中传送时在所述波导(8；108)的界面(8a；108a)处产生的倏逝波(EW)将朝所述检测腔(7；107)里面辐射。
2.根据权利要求1所述的芯片，其中所述波导(8；108)是平面波导。
3.根据权利要求2所述的芯片，其中所述波导(8；108)包括由从以下构成的组中选择的材料制成的平面层：氧化硅和氮氧化硅。
4.根据权利要求3所述的芯片，其中所述波导(8；108)包含具有预定浓度的掺杂剂种类，所述掺杂剂种类在包括以下的组中选择：磷，锗，硼，和钛。
5.根据前述任一项权利要求所述的芯片，其中所述波导(8；108)包括可以从外面光学地到达的光耦合表面(8c；108c)。
6.根据权利要求5所述的芯片，其中所述光耦合表面(8c)形成相对于所述界面(8a)的预定角度(α)从而使得在所述光耦合表面(8c)上从外面入射的辐射在所述波导(8)内传送。
7.根据权利要求7所述的芯片，其中所述检测腔(107)被限定在所述波导(108)上方的结构层(109)中且所述波导在所述结构层(109)外面横向延伸从而使得横向地在结构层(109)之外的一部份所述波导(108)限定了所述光耦合表面(108c)。
8.根据前述任一项权利要求所述的芯片，其中所述核酸探针(12，12′)被移植到所述检测腔(7)的底部。
9.根据权利要求8所述的芯片，其中所述波导包括核心(8d)和覆盖所述核心(8d)的相对面的覆层(8e)，所述覆层(8e)被减薄，在该处移植所述核酸探针(12，12′)。
10.根据前述任一项权利要求所述的芯片，其中所述波导被形成在由半导体材料制成的基片(2；102)上。
11.根据权利要求10所述的芯片，其包括埋入到所述基片(2；102)中并流体耦合到所述检测腔(107)的多个微流体通道(5；105)。
12.根据权利要求11所述的芯片，其包括多个加热器(6；106)，其被关联到所述微流体通道(5；105)且可连接到外部电功率源用于以受控方式释放热功率到所述微流体通道(5)。
13.一种用于检验核酸探针的光学设备，包括：
支架(22；122)，用于收纳用于核酸分析的芯片，包含核酸探针(12，12′；112，112′)；
光源(24；124)，用于提供激励辐射到所述核酸探针(12，12′；112，112′)；和
光传感器(25；125)，其被布置以接收来自所述核酸探针(12，12′；112，112′)的辐射，
其特征在于根据前述任一权利要求中用于核酸分析的芯片(1；100)被载入所述支架中。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述波导(8；108)通过所述光耦合表面(8c;108c)被耦合到所述光源(24；124)。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述光源(24)被布置以便将激励辐射直接朝所述光耦合表面(8c)传送。
16.根据权利要求14所述的设备，其包括布置在所述光源(124)与所述光耦合表面(108c)之间的光耦合元件(123)。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述光耦合元件(123)包括具有输入表面(131a)和输出表面的光学棱镜(131)，所述输入表面(131a)用于接收来自光源(124)的激励辐射，所述输出表面朝向所述光耦合表面(108a)，以便在所述波导(108)内传送来自所述光源(124)的激励辐射。
18.根据权利要求13-17任一项所述的设备，包括从所述光传感器(25；125)接收数字图像(IMG)的控制单元(21；121)。
19.根据权利要求的设备，控制单元(21；121)包括补偿器模块(28；128)，用于平衡所述数字图像(IMG)中的亮度级别以随着距所述光耦合表面(8c；108c)的距离增加而补偿沿所述波导(8；108)的激励辐射的衰减和所述倏逝波(EW)的衰减。
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