CN101606053A - 具有渐逝波导和集成传感器的生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是针对一种用在诊断应用中的波导传感器以及渐逝场感应的传感器系统，所述系统包括外壳和集成波导传感器，所述集成波导传感器包括：波导层；被施加在所述波导层的上表面上的捕获化合物，其用于特别结合到目标物质；被相接触地设置在所述波导层的下表面上的包覆层；透射发光辐射同时吸收和/或反射激发辐射的辐射的滤光器，其中滤光器被设置在所述包覆层的下表面的下方；至少一个用于感测发光辐射的检测器，其中检测器被设置在所述滤光器的下表面的下方；与检测器相连接的基板，其包括所述检测器的电接口，其中，在波导层的上表面与外壳的下表面部分之间并且至少沿着外壳的下表面部分形成用于接收流体探测物的通道；并且通过结合到目标物质的发光标签作为受到渐逝场激发的结果而生成发光辐射。这样提高了渐逝场感应的传感器系统的灵敏度。

Description

具有渐逝波导和集成传感器的生物传感器

技术领域

本发明涉及基于渐逝场的传感器系统。更具体来说，本发明涉及具有渐逝波导和集成检测器的传感器系统，其用作检测生物分子的化学或生物传感器。

背景技术

渐逝发光激发在分析领域内有很重要的意义，这是因为激发被限于波导层的直接环境。特别地，由于其特有的灵敏性，渐逝场激发的荧光是用于生物传感器的一种非常重要的技术。

检测利用渐逝波激发的结合荧光分子的一个重要的优点在于，可以在水相反应溶液外部检测到所发射的荧光。大多数复杂的生物溶液都包含会与荧光发射发生干扰的分子。这意味着当荧光分子受到激发时其发射光子，光子常常被位于发射点与检测器之间的水悬浮液中的周围生物碎屑或材料所捕获或吸收，而不是作为特定结合反应的信号被检测到。同样地，光还可能激发水悬浮液中的分子，并且发射出与表面处的特定结合不相关的辐射。这种贡献常常被称作背景辐射或噪声辐射，并且已经与发射光子以便在检测之前穿过复杂生物基质的传统化验配置相关联。

在最简单的情况下，波导生物传感器通常包括3层系统，第一固体基板、无机导波层以及包括用于化验的样品的第二固体基板，其中无机导波层被夹在第一和第二固体基板之间。在US 2002/0110839 A1中公开了波导生物传感器的一个例子，其被合并在此以作参考。

在US 2002/0110839 A1中所公开的渐逝场波导生物传感器使用一种反应矩阵系统，其包括能够导向和引导光的波导并且在所述波导的表面上具有包覆层，该包覆层具有至少一个纳米阱形式的耗尽区域，其中可以通过在所述波导中引导的光的渐逝波来照射置于所述耗尽区域内的物质。这种纳米阱微阵列包覆层的制造需要更为复杂并且更为精确的工艺。此外，非常小的纳米阱需要把结合分子更为精确并且还要更为复杂地定位在所有阱内，从而导致另外的缺陷。此外，所述现有技术的渐逝场波导生物传感器没有夹在波导层与传感器之间的集成滤光器。

因此，本发明的一个目的是提供一种适于用作检测生物分子的化学或生物传感器的基于渐逝场的光学波导传感器，其对于由目标物质生成的发光辐射的检测精度更高，可以容易地生产并且具有较低的垂直制造范围。

发明内容

上述目的是通过提供一种基于渐逝场的波导传感器而实现的，所述波导传感器包括：

波导层；

被施加在所述波导层的上表面上的捕获化合物，其用于特别结合到目标物质；

被相接触地设置在所述波导层的下表面上的包覆层；

透射发光辐射同时吸收和/或反射激发辐射的辐射的滤光器，其中滤光器被设置在所述包覆层的下表面的下方；

至少一个用于感测发光辐射的检测器，其中检测器被设置在所述滤光器的下表面的下方；以及

与检测器相连接的基板，其包括所述检测器的电接口。

可能优选的是波导传感器包括集成在其中的激发光源，比如激光器、LED、OLED和/或PLED。此外，波导传感器可以包括集成在其中的光学透镜，比如射束成形器透镜和/或棱镜。

根据本发明，最为优选的是基于渐逝场的波导传感器，其中至少一个滤光器和至少一个检测器被集成在渐逝场感应的传感器/传感器系统中，从而在所述包覆层、(多个)滤光器和(多个)检测器的光学接触之间没有空气间隔。这样就提高了渐逝场感应的波导传感器和波导传感器系统的灵敏度，这是因为其避免了所发射的辐射在波导、包覆层和检测器之间的空气界面处的反射，所述反射对于发光辐射的检测灵敏度有负面影响。

本发明的另一个目的是针对一种渐逝场感应的传感器系统，其包括外壳和集成的波导传感器，所述波导传感器包括：

波导层；

被施加在所述波导层的上表面上的捕获化合物，其用于特别结合到目标物质；

被相接触地设置在所述波导层的下表面上的包覆层；

透射发光辐射同时吸收和/或反射激发辐射的辐射的滤光器，其中滤光器被设置在所述包覆层的下表面的下方；

至少一个用于感测发光辐射的检测器，其中检测器被设置在所述滤光器的下表面的下方；

与检测器相连接的基板，其包括所述检测器的电接口，其中

在波导层的上表面与外壳的下表面部分之间并且至少沿着外壳的下表面部分形成用于接收流体探测物(fluidic probe)的通道；并且通过目标物质作为受到渐逝场激发的结果而发光生成发光辐射。

发光辐射优选地是荧光。

超基板(superstrate)围绕和/或接触至少波导层的上表面。超基板通常是折射率n为1.33的水。

可能优选的是，所述波导传感器和/或所述渐逝场感应的传感器系统包括波导层。所述波导层可以优选地是透明的聚合物波导层。更为优选的是，所述波导层可以具有≥0.10μm并且≤0.50μm的厚度，并且具有1.39到1.79的折射率n。

如果没有按照其他方式声明，则在23℃的温度下和632.8nm的波长下测量折射率。

另外可能优选的是，所述波导层的下表面与具有1.29到1.69的折射率n的包覆层光学接触或者与之相接触，其中所述波导层和所述包覆层的材料被选择成使得所述波导层与所述包覆层的折射率差Δn至少是Δn 0.1。包覆层可以优选地是透明聚合物材料。

本发明的一个优选实施例是波导传感器和/或渐逝场感应的传感器系统，其包括具有低折射率的包覆层和具有高折射率波导层的薄层，所述具有高折射率波导层的薄层例如是透明聚合物波导层，其被旋涂在所述包覆层的上表面之上，其中，所述波导层的外上表面具有特定的结合化合物，以便检测至少一种特定的化学和/或生物化学物质。此外，把至少一个滤光器和至少一个检测器设置成夹在包覆层与基板之间，其中滤光器被设置在检测器上方并且与之光学接触，以便阻断激发辐射并且透射发光辐射，从而提高(多个)检测器的检测精度。

根据本发明的一个优选实施例，传感器可以由有机材料(OLED/PLED类型)制成。

可以借助于适当的结合材料把检测器安装在基板上。举例来说，可以通过所述结合材料嵌入检测器。但是检测器的上外表面优选地没有所述结合材料。优选的是，检测器的上外表面与滤光器的下表面相接触。适当的结合材料是没有或者实际没有自荧光的材料。这种材料通常为专家所公知。

可能优选的是，检测器具有大表面。检测器的大表面增加了对发光发射的总收集，而与之相对的是，增大的表面积通常会对传感器的噪声有贡献。检测器的表面可以在0.001到1000mm²的范围内，优选地是0.01到100mm²的范围内，更为优选地是0.1到10mm²的范围内。此外还优选的是在相同的基板上具有单独的检测器的阵列。可以以这种方式对准这种阵列，即使得每一个检测器收集来自特定生物点或点集合的辐射，以便对物质中的各目标进行多路复用的检测。

为了进一步提高(多个)检测器的检测精度，可能优选的是波导层、包覆层、滤光器、检测器以及基板的设置具有集成波导传感器的形式，并且其间没有空气间隔。这提高了渐逝场感应的传感器系统前灵敏度和精度，这是因为其避免了任何内部光反射以及干涉效应。

由荧光分子导致的发射辐射通常并不是在所有方向上都是均匀的。此外，发射辐射光的主要部分以较大角度进入波导和包覆层基板，并且从现有技术的基于渐逝场的波导传感器输出的光由于总内部反射而发生侧向衍射。因此，只有减少数量的发射光能够到达检测器。

在根据本发明的基于渐逝场的波导传感器的设置中，其中在波导层、包覆层、滤光器以及检测器之间没有空气间隔以避免或最小化内部反射，从而使得检测器能够接收增加数量的发光辐射或者至少大部分的发光辐射。

在理想情况下，在渐逝发光激发时在与激发束方向正交的方向上检测发光可以避免激发辐射入射到检测器上。但是由于激发辐射被样品以及/或者波导和包覆层中的受激体积内的粒子所散射，激发辐射仍然可能击中检测器并且产生背景信号，其降低对目标的检测灵敏度。通过根据优选实施例把检测器与波导集成在一起，可以最小化其他外部辐射的贡献。因此，本发明的主题是在波导层与检测器之间(优选地是在包覆层与检测器表面之间)的光路中包括滤光器。可以基于不同的物理操作原理来使用滤光器，比如吸收、反射以及干涉。在优选设置中，可以把滤光器选择性调节到应用的要求。在某些情况下可以容忍较低的选择性，从而允许使用基于透明基质中的固体染料溶液的吸收滤光器，其具有较低的垂直制造范围，但是与二向色干涉滤光器相比具有相对较差的滤光器特性。根据本发明可用的光学聚合物滤光器例如是掺杂染料的聚合物层，比如(多个)掺杂有苏丹染料的聚二甲基硅氧烷(PDMS)层。

但是，优选的是滤光器对于荧光团的发射辐射高度透明，并且对于激发辐射则不透明或者透明性较差。发射辐射相对于(over)激发辐射的透射选择性应当至少是因数10。但是，发射辐射相对于激发辐射的透射选择性的因数优选地处于100到1000000之间。因此，发射辐射相对于激发辐射的透射比可以处于≥10∶1到1.000.000的范围内，优选地是≥100∶1的范围内，进一步优选地是≥1000∶1的范围内，更为优选地是≥10000∶1的范围内，最为优选地是≥100000比1或≥1000000∶1的范围内。

一般来说，激发辐射的最大值与发光辐射的最大值之间的差大约是20nm到30nm，其中发射波长关于激发向红色偏移。因此，优选地把滤光器选择成使得透射频谱的边缘在激发与发射辐射之间的波长区域内表现出从吸收到透射的尖锐过渡。适当的滤光器可以表现出直到670nm的高吸收以及从690nm往上的高透射，所述吸收和透射对于利用660nm的辐射激发并且在700nm处具有最大发射的染料更高。

包括波导层、包覆层以及基板的渐逝场感应的传感器系统的各组件可以都由聚合物材料制成，并且优选地都由透明有机聚合物制成。此外，检测器和/或滤光器可以由有机材料制成，优选地是有机聚合物。此外，波导传感器和/或渐逝场感应的传感器系统可以由有机材料制成，优选地是有机聚合物。这使得波导传感器和/或渐逝场感应的传感器系统由于热-机械属性的更好的匹配而更加稳定。此外，与具有无机层结构的波导传感器和渐逝场感应的传感器系统相比，全有机聚合物波导传感器和/或渐逝场感应的传感器系统的灵活性得到提高。

在本发明中，术语“聚合物”包括热塑性、热固性以及/或者在结构上交联的塑料。

为了实现足够强烈的渐逝场，对波导层厚度以及所述波导层与所述包覆层的折射率差Δn进行调节是重要的。

波导层的厚度可以被选择成使得X处于1到9的范围内，优选地处于1.2到6的范围内，更为优选地处于1.5到4.5的范围内，最为优选地处于2到3.5的范围内，从而基于下面的等式来计算d：

X＝d n ₂  2π

λ

其中d是以nm计的波导层的厚度，n₂是波导层的折射率，λ是以nm计的波长，其中波长处于360nm到1000nm的范围内，优选地处于400nm到800nm的范围内，更为优选地处于600nm到750nm的范围内。

对于633nm的波长，薄波导层的厚度可以是≥0.12μm并且≤0.40μm，优选地是≥0.14μm并且≤0.30μm，更为优选地是≥0.16μm并且≤0.28μm，最为优选地是≥0.18μm并且≤0.24μm。

但是可能有益的是，所述波导层与所述包覆层的折射率差Δn越小，波导的厚度就可以越大。

可能优选的是，波导层的厚度可以是≥0.13μm并且≤0.29μm。对于厚度≥0.17μm并且≤0.22μm的波导层，可以获得渐逝场感应的传感器系统的增强的强烈的渐逝场。

包覆层的厚度可以是≥2μm并且≤5mm。但是可能优选的是，包覆层的厚度是≥20μm并且≤3mm，更为优选地是≥50μm并且≤1.5mm。包覆层的厚度还可以是≥100μm并且≤500μm。

可能优选的是，所述波导层的下表面与包覆层的上表面完全接触。

另一个关键特征是关于所述波导层与包覆层的折射率差是Δn 0.1到Δn 0.5，优选地是Δn 0.2到Δn 0.4，更为优选地是Δn 0.25到Δn 0.35，以便获得足够高的渐逝强度，从而利用根据本发明的渐逝场感应的传感器系统定性地和/或定量地确定化学或生物化学化合物。

此外，很重要的是波导层的折射率n高于包覆层的折射率n，该包覆层与所述波导的下表面相接触。

可能优选的是，所述波导层具有耦合格栅凹陷结构，以用于增强光波到所述波导层中的耦合。波导层在所述波导的外上表面上可以具有至少一处凹陷和/或至少一处升高。此外，波导层在所述波导与所述包覆层相接触的下上表面上可以具有至少一处凹陷和/或至少一处升高，其中(多处)升高通过正向配合(positive fit)接合到与所述聚合物波导相接触的包覆层中，并且所述包覆层通过正向配合接合到所述波导的下上表面中。凹陷对于增强光波到所述波导层中的耦合来说可能是很重要的，其中所述凹陷的深度小于所述波导层的厚度。优选地，在波导层的上表面和/或下表面上形成具有多处凹陷的格栅结构，以用于增强光波到所述波导层中的耦合。

根据本发明的一个优选实施例，(多处)升高的顶表面不超出波导层的上外表面。

可能优选的是，所述波导层的表面积包括具有多处凹陷的格栅结构，以用于增强光波到所述波导层中的耦合，其中所述表面积是所述波导层的上外表面和/或下内表面的至少5％到95％，优选地是5％到25％，更为优选地是5％到15％的。

格栅周期可以是从250nm到950nm，更为优选的是从300nm到750nm，最为优选的是从350nm到450nm。格栅仅仅表现出一个周期性，也就是说其是单衍射的。但是可能优选的是，格栅表现出多于一个周期性，比如两个或三个周期性以及/或者周期性的逐渐变化。

根据本发明，可能优选的是，波导层的上表面既不与包覆层接触也不与基板接触。因此优选的是，没有纳米阱微阵列被设置在波导层的上表面上以及/或者与波导层光学接触。

根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的一个优点可能在于，上面提到的对所定义的材料特性的选择提供了一种光学生物传感器，其在以定性的和/或定量的高精度检测特定的化学和/或生物化学物质方面具有高性能。

另一个优点在于，根据本发明的渐逝场感应的传感器系统具有低的垂直制造范围，这是因为可以通过旋涂或印刷到所模制或浇铸的聚合物基板上来施加所述波导。但是也有可能把聚合物基板模制或浇铸在旋涂或印刷的聚合物波导上。

根据本发明的渐逝场感应的传感器系统还可以被用于针对波导层表面上的化学和/或生物分子的存在的基于表面等离子共振的检测。在这种情况下，波导层的上外表面覆盖有薄金属层，优选地是Au。

根据本发明的包括聚合物材料的渐逝场感应的传感器系统的一个优点例如在于，聚合物材料匹配化学和热-机械属性。因此，与具有无机波导层的渐逝场感应的传感器系统相比，在波导之上应用生物感测所需的各种处理期间所发生的故障显著减少。无机波导层可能出现问题的原因在于无机波导层和相接触的基板层(例如包覆层)在热膨胀方面的固有差异，这会导致所述层中的应力以及界面处的高机械应力，从而导致破裂和层离。

根据本发明的波导层、包覆层以及基板可以优选地具有平面形式。

在本发明的范围内，渐逝场感应的传感器系统可以具有条带、平板、圆盘的形式或者可以具有任何其他几何形式。所选择的几何形式并不至关重要，并且可以由预定的传感器用途来决定。但是其也可以被用作独立的元件，在空间上与激发光源和光电子检测系统分开。

用来检测至少一种特定的化学和/或生物化学物质的特定结合化合物可以被直接结合到波导层的外上表面，或者可以例如通过吸收接触波导层的外上表面，并且/或者可以例如通过直接化学反应或通过化学键(linker)分子固定到波导层的外上表面。通过印刷技术，上述操作可以按照模式化的方式对于多种不同的特定探测物来进行。

为了具有最小的垂直制造范围，最为优选的是，根据本发明的渐逝场感应的传感器系统不包括其上具有包覆层的波导层，所述包覆层具有至少一个纳米阱形式的耗尽区域，其中结合分子被放置在所述耗尽区域内以作为检测材料。因此，根据本发明的渐逝场感应的传感器系统可以排除能够导向和引导光并且在其顶表面上具有包覆层的波导层，所述包覆层具有至少一个耗尽区域，其中被放置在所述耗尽区域内的物质可以被在所述波导层内引导的光的渐逝波照射。

此外还可能优选的是，格栅或凹陷没有检测材料。但是检测材料可以被施加到格栅上。

通常来说，当利用在633nm下进行发射的光源来测量时，在波导层内所引导的光波的衰减小于0.5dB/cm，优选地小于0.01dB/cm，从而导致所引导的光束的长距离以及所引导的波进入到其周围介质中时的低散射。特别地，优选地在这些条件下引导TE和/或TM模式。

根据本发明的波导层的厚度足够小从而使得仅有一个TM模式和/或一个TE模式能够在波导层中传播。

用于包覆层的聚合物材料优选地是从包括透明聚合物的一组中选择的，比如链烯烃、环烯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、醚、酯、聚氨酯橡胶、醚酯、聚醚聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、烯醇等等，以及这些材料的部分地或全氟类似物，以及硅酮、有机硅丙烯酸酯和有机硅-甲基丙烯酸酯。

更为优选地作为包覆层的(多种)透明聚合物材料是卤化聚合物，特别是氟化或全氟聚合物。因此，最为优选的是卤化丙烯酸酯、卤化甲基丙烯酸酯、具有全氟侧链的丙烯酸酯以及/或者具有全氟侧链的甲基丙烯酸酯及其共聚物，其例如具有低折射率n_D＝1.37-1.41。

包覆层的透明材料具有低于波导层的折射率，即最大1.69的折射率n_D。

最为优选的是，基板的包覆层材料是交联的。

适当的波导层材料通常是具有高于包覆层的折射率的任意种类的透明聚合物材料。优选地使用具有尽可能高的光学折射率的透明聚合物。

此外还可能优选的是，可以按照尽可能简单的方式对波导层材料进行光学处理，比如旋涂在包覆层的上外表面之上。

最为优选的是，包覆层材料应当至少在荧光发射波长下是高度透明的，并且优选地不会表现出自荧光。

在本发明中，术语“透明波导层材料”或“波导层材料”包括(多种)热塑性、热固性以及/或者在结构上交联的塑料，其全部具有高于包覆层的折射率，即至少1.39的折射率n_D。

用于波导层的材料优选地是从包括以下各项的组中选择的：同素环的和/或杂环的芳香烃、卤化的和/或含硫的聚合物。优选的是含溴和/或硫的聚合物，特别是具有有限的离域π系统的含溴和/或硫的聚合物。

用于波导层的最为优选的材料是聚五溴苯基甲基丙烯酸酯(n_D＝1.17)、聚乙烯基苯基硫化物(n_D＝1.657)、基于双酚S的环氧化物和/或基于双酚S的丙烯酸酯等等。

所述波导层的外上表面具有用以检测至少一种特定的化学和/或生物化学物质的特定结合化合物。

可以利用特定的(例如粘附)层来处理及覆盖所述波导层的表面，以便例如结合抗体或cDNA链之类的生物分子，从而与样品液体中的生物目标选择性地结合或杂交，所述样品液体被引导到设备的经过处理的表面之上以便分析该感兴趣的液体。例如通过由根据本发明的传感器系统的波导的渐逝场所激发的荧光来检测结合的生物分子的存在。

在本发明的范围内，术语“样品”、“探测物”、“流体样品”、“流体探测物”或“超基板”应当被理解为意味着将被化验的整个溶液，其可能包含用来检测被分析物的物质。检测可以在单步或多步化验中进行，在所述化验的过程中，令根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的波导层的表面与一种或多种溶液相接触。至少其中一种所采用的溶液可能包含具有发光属性的物质，其可以在本发明的实践中被检测到。

如果具有发光属性的物质已经被吸收在上波导表面上，则样品也可能没有发光成分。

样品可能包含其他成分，通常是pH缓冲剂、盐、酸、碱(bases)、表面活性物质、影响粘度的调节剂或染料。特别地，生理盐溶液可以被用作溶剂。如果发光成分本身是液体，则可以免除添加溶剂。

样品还可能包含生物介质，比如蛋黄、体液或其成分，特别是血液、血清、血浆或尿液。此外，样品可能包括地表水、诸如土壤或植物部分之类的自然或合成介质的提取物的溶液、生物过程液体培养基或者合成液体培养基。

样品可以是未经稀释的，或者附加地与溶剂一起使用。适当的流体可以作为溶剂，比如水、含水的缓冲剂、蛋白质溶液以及有机溶剂。

适当的有机溶剂包括酒精、酮、酯以及脂肪族烃。优选地使用水、含水的缓冲剂或者水与水溶性有机溶剂的混合物。但是样品可能还包含不可溶解于溶剂中的成分，比如颜料粒子、分散剂、自然的及合成的低聚物或聚合物。在这种情况下，样品具有光学地混浊的分散体或乳状液的形式。

适当的发光化合物是具有在从360nm到1000nm的波长范围内的发光的发光染料，典型地包括若丹明、荧光素衍生物、香豆素衍生物、二苯乙烯联苯、二苯乙烯衍生物、酞菁、萘酞菁、多吡啶钌配合物(比如三(2，2’-联吡啶)氯化钌、三(1，10-邻二氮杂菲)氯化钌、三(4，7-联苯-1，10-邻二氮杂菲)氯化钌)、多吡啶吩嗪钌配合物、铂卟啉配合物(比如铂八乙基卟啉)、长寿命铕和/或铽配合物或者菁染料(即所谓的量子点，比如GaN或InP或其他)。适合于在血液或血清中进行分析的是具有从360nm到1500nm范围内的吸收和发射波长的染料。

特别适当的发光化合物包括诸如荧光素衍生物之类的染料(其包含可以与之共价结合的功能团)，比如异硫氰酸荧光素。

优选的发光是荧光。

可供使用的发光染料还有可能与聚合物或者与生物化学亲和性系统中的其中一种结合对象化学地结合，比如抗体或抗体片段、抗原、蛋白质、肽、受体或其配体、荷尔蒙或荷尔蒙受体、寡核苷酸、DNA链及RNA链、DNA或RNA类似物、诸如蛋白质A和G的结合蛋白质、抗生物素蛋白或生物素、酶、酶辅因素或0抑制剂、凝集素或者碳水化合物。最后提到的共价发光标记是用于可逆或不可逆(生物)化学亲和性化验的优选用途。此外还有可能使用经过发光标记的类固醇、脂质和螯合剂。插入发光染料对于DNA链或寡核苷酸的杂交化验而言也是特别有意义的，特别是如果其(与不同的钌配合物一样)在插入过程中表现出增强的发光的话则尤其如此。如果令这些经过发光标记的化合物与其被固定在根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的表面上的亲和性对象相接触，则可以通过所测量的发光强度来定量地确定所述结合。还有可能通过测量样品与发光体交互时的发光改变来定量地确定被分析物，所述发光改变例如具有由氧造成的发光猝灭或者由蛋白质的构象改变造成的发光增强的形式。

优选地使用相干光来进行发光激发，更具体来说是波长为300到1100nm的激光，更为优选的是波长为400到850nm的激光，最为优选的是波长为540到700nm的激光。

可以被适当地使用的激光器包括染料激光器、气体激光器、固体激光器以及半导体激光器。在必要时还可以通过非线性晶体光学器件使得发射波长加倍。还可以通过光学元件进一步对光束进行聚焦、偏振或者通过灰色滤光器对其进行衰减。特别适当的激光器是分别在457nm到514nm之间和543nm到633nm之间的波长下进行发射的氩离子激光器和氦氖激光器。特别适当的激光器是在630nm到1100nm之间的基本波长下进行发射的二极管激光器或者由半导体材料制成的倍频二极管激光器，由于其尺寸小并且功耗低，因此允许把整个传感器系统小型化。但是也可以使用具有大约405nm的波长和足够高的功率的二极管激光器。

在本发明的处理中，可以令样品与固定状态下的渐逝场感应的传感器系统相接触以及连续地引导所述样品经过所述传感器系统之上，并且所述循环可以是开放的或封闭的。

所述处理的一个具体实施例包括把被用于检测被分析物的具有发光属性的物质直接固定在波导层的表面上。具有发光属性的物质例如可以是发光体，其与蛋白质相结合，并且从而可以在波导层的表面处按照所述方式被激发发光。如果对蛋白质具有亲和性的对象被引导经过该固定层之上，则发光可能会被修改，并且可以按照这种方式确定所述对象的数量。特别地，还可以利用发光体来标记亲和性配合物的全部两个对象，以便能够根据例如以发光猝灭的形式在所述两个对象之间发生的能量转移来进行浓度确定。

用于实施化学或生物化学亲和性化验的所述处理的另一个优选实施例包括把特定的结合对象固定在渐逝场感应的传感器系统的表面上(即固定在波导的上外表面上)，以作为用于分析被分析物自身或者用于其中一个结合对象的化学或生物化学检测器物质。化验可以是单步或多步化验，在其过程中，在相继的各步中引导包含对应于被固定在根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的表面上的检测器物质的结合对象的一种或多于一种溶液，所述被分析物在其中一个部分步骤中结合。通过在亲和性化验中与经过发光标记的参与方相结合，可以实现对被分析物的检测。所使用的经过发光标记的物质可以包括亲和性化验的一个或多于一个结合对象，或者还可以包括配备有发光体的被分析物的类似物。唯一的标准是被分析物的存在会选择性地导致发光信号或者选择性地导致发光信号的改变。

对检测器物质的固定通常可以通过直接在上外波导表面上进行的疏水吸收或共价结合来实施，或者可以在对所述表面进行化学修改之后例如通过硅烷化或者施加聚合物层来实施。此外，可以把例如由SiO₂构成的薄夹层作为粘附促进层直接施加到上外波导表面，以便于把检测器物质直接固定在波导上。

适当的检测器物质通常是对应于抗原的抗体、对应于免疫球蛋白的诸如蛋白质A和G之类的结合蛋白质、对应于配体的受体、寡核苷酸和对应于其互补链的单链RNA及DAN、对应于生物素的抗生物素蛋白、对应于酶基板的酶、酶辅因素或抑制剂、对应于碳水化合物的凝集素。把相应的亲和性对象当中的哪一方固定在根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的表面上将取决于所述化验的体系结构。

化验本身可以是单步配合处理，例如竞争性化验，或者化验也可以是多步处理，例如夹心法化验。

在竞争性化验的最简单的情况下，把包含未知浓度的被分析物以及除了发光标记之外在其他方面类似的已知数量的化合物的样品与根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的表面相接触，其中经过发光标记的分子和未经标记的分子在其固定的检测器物质处竞争结合位置。当样品不包含被分析物时，在该化验配置中得到最大发光信号。随着待检测的物质的浓度提高，所观测的发光信号的强度变低。

在竞争性免疫化验中，被固定的不一定是抗体：也可以把抗原固定在根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的表面上以作为检测器物质。通常来说，在化学或生物化学亲和性化验中固定对象当中的哪一方并不重要。这是基于发光的化验优于诸如表面等离子共振或干涉测量法之类的方法的基本优点，其中诸如表面等离子共振或干涉测量法之类的方法是基于波导层的渐逝场中的所吸收的质量的改变。

此外，在竞争性化验的情况下，不需要把竞争限制到根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的表面处的各结合位置。例如也可以把已知数量的抗原固定在所述传感器的表面上，并且随后令其与包含未知数量的待检测的相同抗原作为被分析物并且还包含经过发光标记的抗体的样品相接触。在这种情况下，在被固定于表面上的抗原与存在于溶液中的抗原之间发生针对与抗体结合的竞争。

多步化验的最简单情况是夹心法免疫化验，其中主要抗体被固定在根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的表面上。将被检测的抗原的结合以及被用于检测所述抗原的第二抗原决定部位的经过发光标记的次要抗体的结合可以通过相继地与包含抗原的溶液和包含经过发光标记的抗体的第二溶液相接触来实现，或者可以通过事先组合这两种溶液来实现，从而最终使得包含抗原和经过发光标记的抗体的部分配合物被结合。

亲和性化验还可以包括其他附加的结合步骤。举例来说，在夹心法免疫化验的情况下，可以在第一步中把蛋白质A在其所谓的F_c部分处固定在根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的表面上，所述蛋白质A专门结合免疫球蛋白，其随后在如上所述地实施的后续夹心法化验中充当主要抗体。

此外还有大量其他类型的亲和性化验，其通常使用已知的抗生物素蛋白-生物素亲和性系统。

此外，不仅可能单次使用根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的表面，还有可能令其再生。在适当的条件下(例如低pH、升高的温度)，利用有机溶剂或所谓的离液序列高(chaotropic)的试剂(盐)，有可能选择性地分离亲和性配合物而不会明显损害固定的检测器物质的结合容量。精确的条件与特定的亲和性系统密切相关。

所述处理的另一个重要实施例一方面包括把信号的产生(在反向耦合的情况下这也适用于信号检测)限制到波导的渐逝场，另一方面包括亲和性配合物形成作为平衡过程的可逆性。利用连续流系统中的适当流量，有可能实时地监控渐逝场内的结合的经过发光标记的亲和性对象的结合、解吸附或分离。因此所述处理适用于针对确定不同的关联或分离常数的动力学研究并且还适用于置换化验(displacementassay)。

最为重要的设计标准是波导的表面处的渐逝场的强度。该强度由波导层(n2)、基板(n1)和超基板(n3)的折射率以及波导层(6)的厚度决定。

该强度随着与波导表面的距离增大而指数地衰减。为了优化所述实施例，可以取得渐逝场在所吸收的生物分子的预期厚度范围内的平均强度，在该范围内染料分子将被相同的场激发。

可以把根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的集成波导传感器的优选实施例概括如下：

波导层：

-聚五溴苯基丙烯酸酯(Aldrich)；

-把Irgacure 184(Ciba)添加到单体中，以便允许进行光聚合；

包覆层：

-低折射率基板：2，2，3，3，4，4，5，5-八氟-1，6-己二醇二甲基丙烯酸酯(ABCR)；

滤光器：

-聚合物基质中的染料分子的固体溶液(例如PDMS中的苏丹II)；

传感器：

-光学传感器无定形硅或(低温)多晶硅(LTPS)薄膜传感器；

基板：

-聚合物或玻璃。

聚合物包覆层和聚合物波导层的折射率分别大约是1.44和1.70。聚合物包覆层的最终厚度大约是2μm，并且聚合物波导层的最终厚度大约是210nm。

根据本发明的渐逝场感应的传感器系统包括外壳。该外壳容纳集成波导传感器。

可能优选的是，外壳可移除地与集成波导传感器相连接。这提供了可以重复利用外壳的渐逝场感应的传感器系统，其中可以布置其他的集成波导传感器。

因此可能优选的是，在外壳内集成激发源，例如激光器、射束成形器和/或棱镜。

外壳可以是医疗设备、诊断设备、读出设备或手术工具(比如内诊镜等)的集成部分。

附图说明

图1示出了根据本发明的第二渐逝场感应的传感器系统；

图2示出了根据本发明的第三渐逝场感应的传感器系统；

图3示出了根据本发明的第四渐逝场感应的传感器系统。

具体实施方式

图1示出了具有外壳2的可用于诊断应用的渐逝场感应的传感器系统1。外壳被设置在集成波导传感器3之上。集成波导传感器3包括包覆层7上方的聚合物波导层4，其中聚合物波导层4由聚醚砜(PES)制成，其厚度为250nm，其折射率为n2＝1.65，包覆层7由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成，其厚度为1mm，其折射率为n3＝1.49。在聚合物波导层4的上外表面6之上设置了捕获化合物5以用来检测特定的化学物质。在聚合物波导层4的上外表面上设置了一个由多处凹陷18构成的格栅结构，以用于增强光波到所述透明聚合物波导中的耦合。可替换地，格栅结构还可以存在于包覆层与波导层之间的界面处。在聚合物波导层4的上外表面与外壳2之间形成通道14，以用于接收水探测物(n1≈1.33)。包覆层7的上外表面与所述波导层4的下表面8相接触。此外，在所述包覆层7的下表面10之下设置聚合物滤光器9(或者作为替换设置用于透射680nm以上的荧光辐射的二向色滤光器)并且令其与所述下表面10相接触。在基板13的上表面上并且在所述滤光器9的下表面12之下设置两个检测器11，其用于感测由结合到目标物质的荧光标签作为其受到渐逝场的激发而生成的荧光辐射。借助于(平面化)结合材料19把检测器11安装到表面12上。波导层4、包覆层7、滤光器9、检测器11和基板13的设置具有集成波导传感器3的形式，其间没有空气间隔。这样就提高了渐逝场感应的传感器系统1的灵敏度，这是因为其避免了波导4、包覆层7和检测器11之间的任何空气界面，该空气界面可能对发光辐射有负面影响。此外，滤光器9提高了检测器11的发光收集效率。激发辐射由固态激光源15在660nm波长下生成。激发辐射通过一组透镜16被投射在波导的格栅区域上，所述一组透镜16可以包括射束成形器、光阑以及准直透镜。

图2示出了可用在诊断应用中的具有外壳2的渐逝场感应的传感器系统1，其中外壳2可移除地与集成波导传感器3相连接。这样允许重复利用外壳2，并且可以在使用之后丢掉集成传感器3。此外，激光源15、射束成形器透镜16和棱镜17被设置在外壳2内，这样便于对渐逝场感应的传感器系统1的使用并且会加速使用。集成波导传感器3包括包覆层7上方的无机波导层4，其中所述无机波导层4由Ta₂O₅制成，其厚度为130nm，其折射率为n2＝2.15，所述包覆层7由环烯烃(co)聚合物(COP)制成，其厚度为0.6mm，其折射率为n3＝1.53。在聚合物波导层4的上外表面6之上设置了捕获化合物5以用来检测特定的化学物质。在聚合物波导层4的上外表面与外壳2之间形成通道14，以用于接收水探测物(n1≈1.33)。述包覆层7的上外表面与所述波导层4的下表面8相接触。此外，在所述包覆层7的下表面10之下设置滤光器9(比如聚合物基板层上的无机多层层叠，其透射650nm以上的荧光辐射)并且令其与所述下表面10相接触。在基板13的上表面上并且在所述滤光器9的下表面12之下设置两个检测器阵列11，其用于感测由结合到目标物质的荧光标签作为其受到渐逝场的激发而生成的荧光辐射。借助于结合材料19来安装检测器11。波导层4、包覆层7、滤光器9、检测器11和基板13的设置具有集成波导传感器3的形式，其间没有空气间隔。这样就提高了渐逝场感应的传感器系统1的灵敏度，这是因为其避免了所发射的辐射在波导4、包覆层7和检测器11之间的空气界面处的反射，所述反射对发光辐射的检测灵敏度有负面影响。此外，滤光器9提高了检测器11的发光收集效率。激发辐射由激光源15在外壳2内生成，其波长为633nm。激发辐射被射束成形器16准直，并且被棱镜17转向90°，这样允许渐逝场感应的传感器系统的平坦构造。外壳2可以是医疗设备、读出设备、诊断设备或手术工具(未示出)的集成部分。

图3示出了根据图2的渐逝场感应的传感器系统1，其不同之处在于包覆层7具有非常薄的层厚度，其中包覆层的厚度为0.01mm到0.2mm。这样可以进一步提高对由结合到目标物质的荧光标签作为其受到渐逝场的激发而生成的荧光的检测器捕获效率。更为重要的是，这样允许基于箔技术和/或旋涂技术及辊涂技术的不同的制造和组装工艺。这样就可以在单一基板上(基于晶片或卷到卷)处理多个传感器。

与除了不使用滤光器之外其他方面都相同的渐逝场感应的传感器系统相比，具有所述滤光器9的渐逝场感应的传感器系统1的优点在于可以提高检测器灵敏度，这是因为其可以消除噪声辐射。

根据本发明，可能优选的是，应当把从所述渐逝场感应的传感器系统的外上表面算起与该表面垂直的20nm距离内的渐逝强度(即超基板水中的TM场分数(fraction))调节到0.002到0.01的范围内，优选地调节到0.003到0.008的范围内，更为优选地调节到0.004到0.007的范围内。

可以根据W.Lukosz和K.Tiefenthaler的“sensitivity of gratingcouplers as integrated-optical chemical sensors(作为集成光学化学传感器的格栅耦合器的灵敏度)”(J.Opt.Soc.Am.B6(2)(1989)pp.209-220)与渐逝场感应的传感器系统的基准(参见图2)相比较来计算TM场，所述渐逝场感应的传感器系统包括由Ta₂O₅制成的折射率为n_D 2.13的波导以及折射率为n_D 1.53的Zeonex 280基板^＊1，其中超基板是水，其折射率为n_D 1.33。

^＊1：可以从Nippon Zeon Co.，LTD.获得Zeonex 280。

可以优选地利用下面的等式来计算波导的超基板中的电场的分数：

$I_{\mathrm{TM}}^{\sup }=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_2-n_{\mathrm{eff}}^2){\mathrm{\ϵ}}_2}{({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1)n_{\mathrm{eff}}^2}\frac{1}{q_1\left(n_{\mathrm{eff}}\right)[d.k_0+\mathrm{\δ}{z}_1\left(n_{\mathrm{eff}}\right)+\mathrm{\δ}{z}_3\left(n_{\mathrm{eff}}\right)]}$

其中δz₁是超基板中的穿透深度，δz₃是基板中的穿透深度，其由下面的等式给出：

$\mathrm{\δ}{z}_1\left(n_{\mathrm{eff}}\right)=\frac{1}{q_1\left(n_{\mathrm{eff}}\right)[n_{\mathrm{eff}}^2(1/{\mathrm{\ϵ}}_1+1/{\mathrm{\ϵ}}_2)-1]}$

$\mathrm{\δ}{z}_3\left(n_{\mathrm{eff}}\right)=\frac{1}{q_3\left(n_{\mathrm{eff}}\right)[n_{\mathrm{eff}}^2(1/{\mathrm{\ϵ}}_3+1/{\mathrm{\ϵ}}_2)-1]}$

在这些等式中，q₁是超基板中的波矢量的虚部，q₃是基板中的波矢量的虚部，其由下面的等式给出：

$q_1\left(n_{\mathrm{eff}}\right)=\sqrt{n_{\mathrm{eff}}^2-{\mathrm{\ϵ}}_1}$

$q_3\left(n_{\mathrm{eff}}\right)=\sqrt{n_{\mathrm{eff}}^2-{\mathrm{\ϵ}}_3}$

数量n_eff描述传播模式的有效折射率。可以通过求解下面的等式得到对应于TM模式的传播常数的值：

k_z(n_eff)k₀d-φ_m1(n_eff)-φ_m3(n_eff)-mπ＝0

在这里，m＝0，1，2...是模式编号，相位函数φ_m1和φ_m3由下面的等式给出：

${\mathrm{\φ}}_{m1}\left(n_{\mathrm{eff}}\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2{q}_1\left(n_{\mathrm{eff}}\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_1{k}_z\left(n_{\mathrm{eff}}\right)}\right)$

${\mathrm{\φ}}_{m3}\left(n_{\mathrm{eff}}\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2{q}_3\left(n_{\mathrm{eff}}\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_3{k}_z\left(n_{\mathrm{eff}}\right)}\right)$

有

$k_z\left(n_{\mathrm{eff}}\right)=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2-n_{\mathrm{eff}}^2}$

在所述等式中，超基板、波导层和基板的电介质常数分别由ε₁、ε₂和ε₁给出，k₀是真空中的波矢量，d是波导层的厚度。

本发明的一方面涉及一种用于利用根据本发明的渐逝场感应的传感器系统检测发光的过程，这是通过把液体样品与波导层的上表面或者附着到波导层的上表面的结合材料的上表面相接触，并且按照光电子的方式测量由样品中的具有发光属性的物质(或者由固定在所述波导上的具有发光属性的物质)所产生的发光而实现的，其中激发光被耦合到所述波导中并且横越波导层，由此具有发光属性的物质在波导层的渐逝场中被激发发光。

用于检测渐逝激发的发光的检测器例如是光电二极管、光电池、光电倍增器、电荷耦合器件(CCD)阵列，并且可以适当地使用检测器阵列(例如CCD摄影机)。有用的检测器具有在暴露于光时生成电压或电流的光敏元件。

但是最为优选的是基于硅的检测器，这是因为其制造成本较低。对应于优选的基于硅的检测器的一个例子是α-Si二极管传感器。

此外还优选的是适用的基于聚合物的检测器，这是因为其制造成本更低并且在工艺方面与总体传感器系统的其他各层兼容。

本发明的另一方面涉及使用根据本发明的渐逝场感应的传感器系统来定量地确定诸如抗体或抗原之类的化学或生物化学化合物。

根据本发明的渐逝场感应的传感器系统的另一种用途是用于定量地确定受体或配体、寡核苷酸、DNA或RNA链、DNA或RNA类似物、酶、酶基板、酶辅因素或抑制剂、凝集素以及碳水化合物。

本发明的另一方面涉及使用根据本发明的渐逝场感应的传感器系统来选择性地定量确定光学混浊流体中的发光成分。

光学混浊流体通常可能是生物流体(比如蛋黄)、体液(比如血液、血清或血浆)以及源自环境分析的样品(包括地表水、溶解的土壤提取物和溶解的植物提取物)。适当的流体还可以是在化学生产中获得的反应溶液，特别是源自发光产品(比如荧光剂、增白剂)的染料溶液或反应溶液。此外适用的还有通常用在纺织工业中的所有类型的分散体和制剂，前提是其包含一种或多于一种发光成分。

根据本发明的渐逝场感应的传感器系统还可以被用于质量安全保护。

总而言之，根据本发明的渐逝场感应的传感器系统例如可以被用于以下用途：

-化学或生物分析，包括对诸如蛋黄、血液、血清或血浆之类的生物流体的分析；

-环境分析，包括对水、溶解的土壤提取物和溶解的植物提取物的分析；

-反应溶液、分散体和/或制剂分析，包括化学生产中的分析，特别是对染料溶液或反应溶液的分析；以及/或者

-质量安全保护分析。

为了提供全面的公开内容而又不过度增加说明书的长度，本申请在此合并上面所提到的每一项专利和专利申请以作参考。

上面详述的实施例中的元件和特征的特定组合仅仅是示例性的；上述教导与本申请和被合并在此以作参考的各项专利/申请中的其他教导的互换和替换也被明确地设想到。本领域技术人员将认识到，在不偏离所要求保护的本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以想到这里所描述的内容的变型、修改以及其他实现方式。因此，上面的描述仅仅是作为举例而不意图作为限制。本发明的范围由所附权利要求书及其等效表述限定。此外，在说明书和权利要求书中使用的附图标记不限制所要求保护的本发明的范围。

Claims (11)

1、一种基于渐逝场的波导传感器(3)，其包括：

波导层(4)；

被施加在所述波导层(4)的上表面(6)上的捕获化合物(5)，其用于特别结合到目标物质；

被相接触地设置在所述波导层(4)的下表面(8)上的包覆层(7)；

透射发光辐射同时吸收和/或反射激发辐射的辐射的滤光器(9)，其中滤光器(9)被设置在所述包覆层(7)的下表面(10)的下方；

至少一个用于感测发光辐射的检测器(11)，其中检测器(11)被设置在所述滤光器(9)的下表面(12)的下方；以及

与检测器(11)相连接的基板(13)，其包括所述检测器(11)的电接口。

2、根据权利要求1的波导传感器(3)，其中，滤光器(9)的上表面与包覆层(7)的下表面光学接触，并且滤光器(9)的下表面与检测器(11)光学接触，并且优选地，滤光器(9)的上表面与包覆层(7)的下表面相接触，并且滤光器(9)的下表面与检测器(11)相接触。

3、根据权利要求1或2的波导传感器(3)，其中，包覆层(7)是基于有机透明聚合物，并且优选地，波导层(4)、包覆层(7)和基板(13)是基于有机透明聚合物。

4、根据权利要求1到3的波导传感器(3)，其中，所述波导层(4)的上外表面和/或下内表面具有至少一处凹陷(18)以用于增强光波到所述波导层(4)中的耦合，其中所述凹陷(18)的深度优选地小于所述波导层(4)的厚度，并且在所述波导层(4)的下内表面上形成凹陷的情况下，包覆层(7)通过正向配合接合到所述凹陷中。

5、根据权利要求1到4的波导传感器(3)，其中，所述波导层(4)的外上表面覆盖有薄贵金属层。

6、根据权利要求1到5的波导传感器(3)，其中，滤光器(9)对于荧光团的发射辐射具有高透射并且对于激发辐射不透明或者透射性差，并且优选地，所述滤光器的发射辐射相对于激发辐射的透射比处于≥10∶1到1.000.000∶1的范围内。

7、一种渐逝场感应的传感器系统(1)，其包括外壳(2)和根据权利要求1到6的集成波导传感器(3)，其中，在波导层(4)的上表面与外壳(2)的下表面部分之间并且沿着至少外壳(2)的下表面部分形成用于接收流体探测物的通道(14)；并且通过目标物质作为受到渐逝场激发的结果而发光生成发光辐射。

8、根据权利要求7的系统(1)，其中，外壳(2)包括激光器(15)、射束成形器透镜(16)和/或棱镜(17)。

9、根据权利要求7或8的系统(1)，其中，外壳(2)可移除地与集成波导传感器(3)相连接。

10、根据权利要求7到9的系统(1)，其中，外壳(2)是医疗设备、读出设备、诊断设备或手术工具的集成部分。

11、把根据权利要求1到7的基于渐逝场的波导传感器(3)和/或根据权利要求8到10的系统(1)用于以下用途：

化学或生物分析，其包括对诸如蛋黄、血液、血清或血浆之类的生物流体的分析；

环境分析，其包括对水、溶解的土壤提取物和溶解的植物提取物的分析；

反应溶液、分散体和/或制剂分析，其包括化学生产中的分析，特别是对染料溶液或反应溶液的分析；以及/或者

质量安全保护分析。

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