CN101438145A - 光学探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检测由样本发出的光的光学探头。所述光学探头包括抛物线光波导与具有可分离部件的被配置用于保持透明传感器基底的外壳，所述基底可被耦接至所述光波导。所述光学探头还包括用于检测至少一种指定被分析物的感测材料。激励源被配置用于激励所述感测材料。所述光学探头还包括检测发出的光的测量光电检测器。

Description

光学探头
相关申请信息
本专利申请要求于2006年5月5日提交的申请号为60/798,423的美国临时申请的优先权。
技术领域
本公开一般地涉及用于收集在电介质界面处产生的发光(luminescence)的光学传感器探头领域，更具体地，涉及利用抛物线光波导的光学传感器探头，所述光波导被优化，用于对在电介质界面处产生的发光进行有效收集。
背景技术
光学传感器被广泛地应用于广泛的产业用途，这些产业例如包括生物医疗、环境和食品包装的行业中的宽范围的行业应用中。基于发光的光学传感器检测由被分析物引起的发光信号的改变。这种改变可能是由于被分析物引起的对从被分析物敏感的发光化合物的发光的抑制造成的，对于包括针对氧、二氧化碳、pH以及氯化物的传感器的很多光化学传感器就是这种情形。在所述情形下，发光化合物通常被封装在多孔的固体基质中，所述固体基质可作为薄膜沉积到基底上。或者，基于发光的光学传感器可以是基于将所关心的被分析物到使用适当的受体分子的表面的结合。通过使用发光标签将发光传递给这样的系统，所述发光标签可被附接于被分析物本身或与表面束缚被分析物结合的附加的分子上。发光量级的改变指示与所述表面结合的被分析物的浓度的改变。该方法通常用于基于发光的光学生物传感器的开发。
为灵敏地测量与受体分子结合的被分析物分子的浓度，必须仅检测源自于表面束缚分子的发光。由此得出结论：测量任务就是选择性地检测来自束缚于表面附近的分子的发光，排除任何来自表面上方环境中的未束缚分子的任何信号。该检测原则还与基于薄膜的光化学传感器有关。
需要了解在电介质表面处的光发射的特性，以便有效地检测发光以及开发有效的光化学/生物传感器。所述发射的各向异性特性促进了新的光学结构的开发，所述结构被设计用于更有效地捕获在电介质表面处或附近产生的发光，例如，授予Seeger以及Ruckstuhl的美国专利No.6,714,297，这里通过引用结合于本申请中。该引用文献描述了通过使用抛物线光波导对超临界角荧光(SAF)的检测，所述SAF是由位于电介质表面处或附近的发光分子产生的。除了作为一种表面选择性检测机制外，该检测能力还改善了可被检测的荧光的量。
不幸的是，当前的光学装置价格昂贵，且在用户想要监测多种被分析物的情况下，通常难于改变光学部件。此外，由于收集所发出的发光的能力有限，许多这些光学装置具有低的效率。
因此，针对高灵敏度的传感器的发展，期望提供能够有效检测发光的强壮的、低成本的、便携的光传感器探头。所述传感器探头应当包括允许有效收集表面产生的发光的设备，且所述检测原则取决于所期望的应用可以是基于强度或基于寿命的。所述探头本质上还应当是模块化的，便于使用感测材料和光学/光电部件的正确的组合进行对多种被分析物的检测。
发明内容
由此，公开了一种检测由样本发出的发光的光学探头。所述光学探头包括抛物线光波导和被配置为保持所述光波导的具有可分离部件的外壳。所述光学探头还包括用于检测至少一种被分析物的感测材料。激励源被配置为激励所述感测材料，测量光电检测器检测发出的光。在另一实施方式中，光学探头进一步包括在所述外壳和可分离部件之间的被配置为保持波导就位的波导支架，用于将发出的光聚焦于光电检测器上的收集光学装置，以及被配置为允许发出的光通过的发射滤波器。
在另一实施例中，所述光学探头包括在所述可分离部件和所述波导之间的透明的传感器基底，例如盖片或显微镜载片。感测材料可被沉积在透明的传感器基底上。在一可选实施例中，感测材料可被直接沉积在所述波导上。
在又一实施例中，所述光学探头包括附接于光学探头的气道适配器。所述气道适配器允许对用户的呼气进行检测。
所述光学探头可被用于检测各种被分析物，包括但不限于氧、二氧化碳、pH、磷酸盐、硝酸盐、氨、氯化物、其他化学物质或一系列生物分子，例如DNA、酶或抗体。
在另一实施例中，光学探头包括参考光电二极管，被配置用于测量来自所述激励源的反散射。此外，可包括至少一个密封环以提供在外壳、波导支架、波导与可分离部件之间的连接。
在又一实施例中，所述光学探头包括测量光电倍增管。
附图说明
在所附权利要求书中具体给出被认为具有新颖性的本公开的目的和特征。关于其结构和操作方式的本公开以及进一步的目的和优点可通过参考结合如下附图进行的以下说明得到最好的理解：
图1为根据本公开的原理的光学传感器探头的一个实施例的横截面图；
图2为根据本公开的原理的光学传感器探头的另一个实施例的横截面图；
图3为图1中所示的光学传感器探头的一种使用的示意图；
图4为图1的光学传感器探头针对溶解氧浓度的响应的曲线图；
图5为示出图4的相应校准曲线的曲线图；
图6为示出DNA杂交的实时检测的图；
图7为根据包括在呼吸监测设备中的本公开的光学传感器探头的使用的示意图；以及
图8为示出在呼吸监测期间氧的实时检测曲线图。
具体实施方式
本发明的多种示例性实施例针对光学传感器探头，所述探头包括抛物线光波导，被优化用于对电介质界面处产生的荧光进行有效的收集。本公开的优化的光学结构和探头如图1中所示，包括具有设置为探头几何形状的低成本部件的波导。图1示出可用于气体和/或化学检测应用的光学传感器探头结构。此外，所述光学传感器探头结构可被用于生物感测应用中。所述设备可被用于基于发光强度或基于寿命的测量中。所示出的尺度仅指示器件本身的比例。所述探头的尺寸可被调整以适于特定的应用。
更具体地，光学传感器探头10包括具有可分离帽14的外壳12，在所述外壳和可分离帽之间是使抛物线光波导18固定就位的波导支架16。所述可分离帽可以是辅助感测材料的放置和应用的任何可移除或可替换的部件。所述外壳12和波导支架16之间的以及可分离帽14和波导支架16之间的连接是光学密封环20，如果应用需要，则可使用所述光学密封环。在帽14和波导18之间是透明的传感器基底22，所述感测材料可沉积在该基底上。所述透明的传感器基底22可以是例如盖片或显微镜载片。此外，可使用浸油来确保波导18和透明的传感器基底22之间的良好的光学传输。在一可选实施例中，感测材料可直接沉积在波导18上。可分离帽14被用于容纳其上沉积有感测材料的所述透明的传感器基底22。在当前的实施例中，所述传感器基底借助于粘合剂被附接于所述帽，所述帽有螺纹以易于与波导支架16连接。如果期望改变该探头的检测功能，则可通过附接传感器帽来实现，所述传感器帽容纳其上沉积有不同的感测材料的传感器基底的传感器帽来实现。然而，可以想象在其他的探头实施例中，所述感测帽可具有替换传感器基底的集成检测区，使所述帽本身成为用后可弃的感测元件。
所述抛物线光波导可由塑料或玻璃构成。当然，也可使用其他材料和介质，包括围绕波导的液体介质或其他固体，例如塑料/玻璃界面。
使用激励源24激励所述感测材料。所述激励源24可以是，例如激励LED，使得在激励LED激励该感测材料时发出荧光。来自激励源24的光穿过孔26和激励滤波器28，之后由透镜30聚焦在感测材料上。所述激励滤波器28从所述激励光中除去可能与发射滤波器34的传输范围重合的任何光谱成分，否则所述成分将会导致不期望的高的背景信号。
参考光电二极管32可被用于测量来自激励源的反散射，由此提供对源发射中波动的补偿。
所述感测材料将在存在所关心的分子的情况下发出光。所述感测材料应被选择为使得其吸收波长与光源的发射波长重合。例如，钌或卟啉络合物、罗丹明或花青苷染料(例如Cy5)可以是适用的荧光染料。所述抛物线光波导18被配置为使得从感测材料发出的光被导向所述检测装置。如将在以下进一步详细讨论的，图2示出发射的光线路径。回头参考图1，所发出的光穿过发射滤波器34和收集光学装置36，之后由测量光电检测器38进行检测。
所述测量光电检测器38可以是例如适用于对单个光子进行计数的雪崩光电二极管、硅PIN光电二极管、光电倍增器或CCD芯片。还示出配线40，其被用于控制这里所述的各种元件。使用适当的软件获取并处理从测量光电检测器38输出的信号。
光学探头10可包括例如LED(Roithner Lasertechnik，450-06U，最大＝450nm)，激励滤波器(Semrock，FF01-447-60)，发射滤波器(Semrock，FF01-583-120)，聚焦透镜(Edmund Optics，6mm半球，NT45-935)，光电二极管(Hamamatsu，S1223-01，Si PIN光电二极管)，以及收集光学装置(Edmund Optics，双凸透镜(x2)，NT45-294)。
根据本公开的光学探头示于图2。图2示出被配置用于生物感测应用及被调整用于检测Cy5(花青苷)荧光的光学探头50。图2的所述光学探头50包括具有可分离帽54的外壳52，其间是使波导58固定就位的波导支架56。在外壳52和波导支架56之间的、以及可分离帽54和波导支架56之间的连接是光学密封环60。透明的传感器基底62在帽54和波导58之间。感测材料可沉积在所述透明的传感器基底62上或可直接沉积到波导58上。
使用激励源64对所述感测材料进行激励。来自所述激励源64的光穿过孔66和激励滤波器68，之后由透镜70聚焦在感测材料上。参考光电二极管72可被用于测量来自激励源的反散射。从感测材料发出的光穿过发射滤波器74和收集光学装置76，之后由测量光电倍增管(PMT)78进行检测。
此外，在图2中所示的光学传感器探头中包括超临界角荧光孔(SAF孔)，以阻挡并非由特定于表面的结合产生的信号。适配器80用作光学探头和PMT之间的物理界面，允许用户将PMT“插入(plug)”所述探头的输出。
图1和2中所示的光学探头可用于检测多种被分析物和/或参数。可对大范围的气体或化学物质进行检测，只要有适当的、基于荧光的感测化学性质。例如，可检测氧、二氧化碳、pH、磷酸盐、硝酸盐、氯化物、氨或其他所关心的化学物质。所述探头还可被用做用于检测生物分子(例如但不限于DNA、酶或抗体)的光学生物传感器。
根据非限制性的例子，光学探头90被集成到耐用的聚合物外壳中，且作为对原理的验证随后被应用于溶解氧(DO)的检测，采用如图3所示的相位荧光测定法检测。所述探头90被浸入具有集成的气流连接的去离子水的流动池(flow cell)92中。气体在气体入口94进入，在气体出口96流出。通过使用MFC(质量流控制器)使变化的氧气浓度起泡(bubble)。所述流动池92被浸没于水浴98中，水浴98在试验期间保持恒定的工作温度20℃。控制电子装置100被用于对该试验进行控制。使用定制编写的LabVIEW VI(National InstrumentsTM，UK)获得并处理所述信号。
所述感测材料是基于包含荧光钌络合物[Ru(II)-三(4，7-二苯基-1，10-菲洛林)](Ru(dpp)3 2+)的n-丙基三乙氧基硅烷(PTEOS)前体的已知的溶胶-凝胶薄膜。所述膜制备可包括1摩尔的PTEOS/4H2O/6.25EtOH/7.2x10-3HCL，染料[Ru(dpp)3 2+]/PTEOS的摩尔比＝1.4 x 10-3；在EtOH中溶解[Ru(dpp)3 2+]，搅拌直到络合物溶解；在搅拌的同时添加PTEOS；且在搅拌的同时缓慢地、逐滴地增加HCl(pH1)。在使用前，所述溶液被搅拌至少3周。
根据溶解氧(DO)浓度的探头响应如图4所示，相应的校准曲线示于图5。DO的检测范围(LOD)被确定为小于1.5ppb，积分时间为0.6秒。所述LOD优于可从YSI购得的电化学溶解氧传感器(例如，YSI产品-产品名称YSI550A溶解氧气表-最小分辨率0.01mg/L或10ppb)。
根据本公开，图6示出表示DNA杂交的实时检测的曲线图。图6示出由所述探头附接的光子计数光电倍增管(PMT)(如图2所示)记录的两条曲线。所述发光信号对于一条曲线显著增加，而对于另一条曲线则保持相对不变。前者代表传感器对单链DNA的20-mer匹配样本的响应，所述单链DNA被使用荧光指示剂Cy5进行标记。每个数据点对应于由PMT在500ms时段上记录的光子的数量。在引入20-mer匹配样本时信号的显著增加指示了样本DNA与感器样本表面上的受体DNA的结合。第二条曲线指示在表面处不发生结合，这针对非匹配样本的情况是预料到的。这些数据示出光学探头针对生物感测应用提供对表面结合事件的实时测量的能力。
图7示出用于呼吸气体分析的手持设备110。气道适配器114被连接至光学探头112。对于该应用，所述气道适配器替换了如图1中所示的可分离传感器帽14。探头120可被壳122包围。气道适配器114允许用户的呼气与光学感测探头120的感测元件118相互作用。手持设备110可被配置为连接至电源、PC、PDA或其他设备，以辅助信息的收集和处理。还可以想到根据本公开的探头可被结合到面罩中以监测用户的呼吸。所述设备还可以是无线的以向用户提供移动的便利。
图8示出对人呼吸中氧的实时检测。通过使测试对象在休息状态下向气道适配器114中呼气来记录数据，所述休息状态相应于每分大约10次呼吸的呼吸速率。如前所述的氧敏感的溶胶-凝胶材料被沉积到感测元件上，在测试对象通过气道适配器114呼吸的同时对来自该材料的荧光进行实时记录。图8示出如由传感器记录的呼气中氧浓度的实时演变。假设存在适当的感测材料，所述系统适合检测呼气中的多种被分析物，包括二氧化碳、氨以及麻醉气体。
可以理解，可以对这里公开的实施例进行多种修改。因此，上述说明不应当理解为限制性的，而是仅作为对多种实施例的示例说明。本领域技术人员将会想到在所附权利要求的精神和范围内的其他修改。

Claims (10)

1.一种用于检测由样本发出的光的光学探头，包括：
抛物线光波导；
外壳，具有可分离部件，所述外壳被配置用于保持所述光波导；
波导支架，在所述外壳与所述可分离部件之间，被配置用于使所述波导保持就位；
感测材料，用于检测至少一种被分析物；
激励源，被配置用于激励所述感测材料；
发射滤波器，被配置用于允许发出的光通过；
收集光学装置，用于将发出的光聚焦到光电检测器上；以及
测量光电检测器，用于在发出的光经过所述收集光学装置之后对其进行检测。
2.权利要求1的光学探头，进一步包括透明的传感器基底，所述透明的传感器基底耦接在所述可分离部件与所述波导之间，被配置为允许感测材料被沉积。
3.权利要求1的光学探头，其中，所述感测材料被直接沉积在所述波导上。
4.权利要求1的光学探头，进一步包括气道适配器，所述气道适配器被可工作地耦接至所述光学探头以分析用户的呼气。
5.权利要求1的光学探头，其中，所述至少一种特定的被分析物是氧、二氧化碳、pH、磷酸盐、硝酸盐、氨、氯化物或一系列生物分子，如DNA、酶或抗体。
6.权利要求1的光学探头，进一步包括参考光电二极管，被配置用于测量来自所述激励源的反散射。
7.权利要求1的光学探头，进一步包括至少一个密封环，用于提供所述外壳、所述波导支架、所述波导以及所述可分离部件之间的连接。
8.权利要求1的光学探头，其中，所述测量光电检测器为测量光电倍增管。
9.一种用于检测由样本发出的光的光学探头，包括：
抛物线光波导；
外壳，具有可分离部件，所述外壳被配置用于保持所述光波导；
感测材料，用于检测至少一种被分析物；
激励源，被配置用于激励所述感测材料；以及测量光电检测器，检测发出的光。
10.一种用于检测由样本发出的光的光学探头，包括：
抛物线光波导；
外壳，具有可分离部件，所述外壳被配置用于保持所述光波导；
感测材料，用于检测至少一种被分析物；
激励源，被配置用于激励所述感测材料；
测量光电检测器，检测发出的光；以及
气道适配器，可工作地耦接至所述光学探头以分析用户的呼气。
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