CN102282458B - 发光腔内干涉传感器 - Google Patents

Abstract

基于通道波导结构的发光腔内干涉(ICI)光学传感器包括内部发光材料和功能化区域。在一些实施例中，这些波导是由溶胶-凝胶制成，整合到发光材料。在一些实施例中，波导结构包括ICI谐振器骨架，且ICI传感器是激光器传感器。在一些实施例中，谐振器骨架具有干涉Y分支形状。在一些实施例中，谐振器骨架具有马赫-曾德尔干涉形状。在一些实施例中，ICI激光传感器具有干涉阵列波导光栅形状。在一些实施例中，ICI传感器可以是远程光泵浦和远程读取的。

Description

发光腔内干涉传感器

技术领域

本发明涉及光学传感器领域，尤其是涉及发光腔内干涉(ICI)信道波导(WG)传感器。

背景技术

已知的光学传感装置采用多种传感原理。在Asher Peled等人的美国专利US 7,447,391以及特拉维夫大学的Asher Peled提交于2008年11月，发表于2009年的博士论文“Novel monolithic amplifiers，lasers and intra-cavity interferometricsensors based on Nd-doped sol-gel”(以下简称为“Peled 2009”)中提供了关于本领域的现状的一个好的背景介绍。这两篇文献都以其整体在此引入作为参考。特别地，多种构造的干涉光学传感器，例如在大多数灵敏的传感器中已知的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和杨氏干涉仪。

美国专利US 7,447,391揭示了生化光学传感装置，包括：至少一个平面谐振器结构，该结构包括在溶胶-凝胶发光(或简称为“发光”)波导内；以及结合到所述谐振器结构的至少一部分的至少一个生物探针或化学探针，该探针(受体)可操作地特异和选择性地结合到各自的靶物质，因而该特异和选择性结合导致从该波导发射的光的参数改变。所感知的参数可以是光谱改变，例如，光谱位移，或者Q因子变化，该变化被编码在发射光信号中，它可由光学阅读器或者其他阅读装置或检测器来远程读取。在一些实施例中，谐振器结构是线性的，而波导是“主动的”或者“发光的”。术语“主动的”或者“发光的”是指引入至少一个发光材料(例如，在溶胶-凝胶玻璃中或者在其他受体矩阵或材料中的化学发光或电致发光或光致发光“PL”或激光材料)以及从这个发光材料中产生的光发射。在一些实施例中，这种材料可由远程光源远程泵浦并激发至发射光，该光是从所述装置外耦合到(可能的远程)检测器(例如，分光计)。基于Nd掺杂的溶胶-凝胶的发光结构的放大器和激光器分别描述在A.Peled等人的″Neodymium doped sol-gel tapered waveguide amplifier″，Applied.PhysicsLetters，Vol.90，161125，2007(以下简称为“Peled 2007”)以及A.Peled et al.，″Monolithic rare-earth doped sol-gel tapered rib waveguide laser″，Applied PhysicsLetters Vol.92，221104，2008(以下简称为“Peled 2008”)中，这两篇文献都以其整体在此引入作为参考。如上所述的发光(例如溶胶-凝胶)生物传感器是耐用的和不受光源功率的时间变化(不稳定性)的影响，也不受耦合进出传感器芯片的光效率的影响。这种不敏感性的获得，是因为这些传感器在它们的发射光谱中编码所测量的参数，而不是在发射强度上编码参数。此外，这些传感器在原理上可被移植，因为包括泵浦和它们发射光的光谱询问都是远程执行的。然而，它们的灵敏性是预期比干涉生物传感器低的。

已知的Y分支波导激光器，可参见例如N.A.Sanford et al.，Optics Letters，Vol.16，n.15(1)，p.1168-70，1991，以及Peled 2009，第19页，以及那里的参考文献。Sanford等人的装置，具有一个“不平衡的”几何构型，其中，分支部件是长度错配2.4％的。Sanford的装置采用附着到该装置的外部反射镜以获得谐振和发射激光的效果(也就是，他的波导激光器不是单片电路的)。现有技术中，Y-分支波导激光器并未被设计和用于普通的传感以及特别的生物传感或化学传感。当将Y-分支波导激光器用于生物传感时，例如在T.J.Wang et al.，Biosensorsand Bioelectronics，vol.22，pp.1441-1446，2007中，它们不是激光器或者发光装置，而是被动装置，它们不发出内部产生的光。

免疫分析采用光学传感器，通常在“湿”模式下工作，通过流式细胞，其中，样品液在传感器表面流动。这使得能测量相互作用的化学动力学，并能评价动力学速率常数，也能在改变导入样品液的过程中追踪相互作用。然而，湿式免疫分析具有一些严重缺陷。例如，改变流动的样品液的温度，会严重影响它的折射率，并会破坏光学读取。该光学读取也会由在液流中的紊乱而被扰乱。这些问题是由复杂的液流系统来解决，该系统提供了对流动的样品液的问题的灵敏的和紧密的控制。这个复杂系统显著提高了湿式光学免疫分析系统的成本，表现它们不恰当，例如，对于护理点(point-of-care)应用。

因此，人们认识到：需要开发便宜的和可任意使用的传感器，这些传感器结合了如前所述的发光传感器的坚固的光谱询问，以及干涉传感器的灵敏度。而且，在干式生物学免疫分析中采用这样的传感器是非常有利的。

发明内容

本发明在多种实施例中提供了基于光学的生物/化学传感器的发光(或简称“发射”)波导腔内干涉构造，因而具备了发光传感器(在光谱询问)与熟知的干涉装置的高灵敏度的合并优势。需注意，在本发明所述的传感中，发光传感器可以是发出相干光的激光器，或者是发出非相干辐射(冷光)的装置。该冷光机构可以是多种不同类型，例如光致发光、电致发光、化学发光或者其他发光机制。在一些实施例中，这些波导是被实施为溶胶-凝胶层。在一些实施例中，该溶胶-凝胶层是掺杂PL或者激光器材料或分子。在一些实施例中，这些传感器具有不平衡的Y分支波导结构的发光谐振器骨架。在一些实施例中，这些传感器具有马赫-曾德尔干涉(MZI)形状的发光谐振器骨架。在一些实施例中，这些传感器具有阵列波导光栅(AWG)或“移相器”形状的发光谐振器骨架。这样的传感器在这里被称为腔内干涉(ICI)传感器。对所发射的辐射光谱成形的谐振器(也称为谐振腔或微谐振器)是被整合入这些波导中，或者由波导结构来认知。整合入波导结构的发光材料可以是激光材料、光致发光材料或者化学发光材料或者电致发光材料。

本发明所述的传感器可被用于传感生物材料、物质或反应(因此称为“生物传感器”)或者化学材料、物质或反应(因此称为“化学传感器”)。本发明所述的传感器也可以被用于传感温度、压力或其他物理或化学参数。

虽然基于干涉装置的波导以及它们的用于生物传感或化学传感的用途都是已知的，但是发光腔内干涉整合的光学传感器仍是未知的。与所有现有技术的装置相比，本发明所述的发光ICI传感器获得干涉整合的光学装置的灵敏度，同时内部地产生所发射的传感信号(报告信号)，并在发射光上光谱地编码所传感的参数。它们也可被用于执行远程或植入的(体内)传感，因为它们辐射出传感信号。信号的读取是强健的，因为它们的发射光谱是不敏感于强度的不稳定性，该不稳定性是产生自电源的不稳定性或者(在光泵浦的实施例中)来自泵浦光的不稳定性或者耦合进出传感器芯片的光的变化。在本发明所述的装置中结合产生的益处是具有最高的灵敏性，基于整合的光学装置的干涉测量中可获得。这些益处是特别重要的，例如，在将这些传感器用于护理点应用的诊断中。这些传感器可以是完全单片电路的。在本说明书中，“单片电路”是指一个整合结构，包括所有传感器元件(波导、谐振器元件和在某些例子中的光耦合器)在单独基底或“芯片”上，其中，泵浦器和阅读器(检测器/分光计)可以留在外部。而且，本发明所述的生物传感器可被用于干式免疫分析。

在一些实施例中，至少一个波导分支(或部分)是以探针或“受体”(例如抗体)功能化的(生物结合或化学结合)，同时另一个分支用作参考。在这样的实施例中，当将靶分子结合到受体时，引导光的传播系数(WG的有效指数)是以不同改变率变化的，在功能化的分支上相比于参考分支而改变。这导致谐振器的正干涉图案的光谱位移，这依次被转变为整个装置的发射光谱的位移。这样一个差别结构提供了生物学(或化学)参考，它是内在的和整合到该装置的，它使非特异结合的效应最小化。此外，由于该差别结构，在功能化分支的结合事件是由干涉转换入最大光谱位移，这样使灵敏度最大化。这样，产生了一个机制，可获得干涉整合的光学装置的高灵敏度，同时将传感信号编码在内部产生(和外耦合)的发射光光谱中。

在一些实施例中，提供了一种传感器，包括：分支的(例如，Y分支)通道波导结构，带有至少两个分开的波导分支；发光材料，包括在波导结构内，其中，在发光材料中产生的光是从波导结构内发出的；以及在至少一个分支上的功能化区域，所述功能化区域用于结合靶材料，所述结合是通过所发射的光的参数改变而可被检测到的。在一些实施例中，所述的传感器还包括：输入装置，将外部光输入传感器内，用于激活发光材料；以及在一些实施例中，所述的传感器还包括：输出装置，从所述传感器中输出所发射的光。在一些实施例中，所述参数改变是光谱位移。在一些实施例中，所述传感器是激光传感器。在一些实施例中，激发源和/或阅读器/检测器/分光计可与该波导结构、输入装置和输出装置整合在单独的传感器芯片上。

在一些实施例中，提供了一种传感器，包括：带有马赫-曾德尔干涉(MZI)通道波导结构的腔内干涉发光波导谐振器，具有至少两个分支；发光材料包括在该波导结构内；其中在该发光材料中产生的光是从该波导结构中发射的；以及在至少一个MZI分支上的功能化区域，该功能化区域用于结合靶材料，所述结合是通过所发射的光的参数改变而可被检测到的。在一些实施例中，所述的传感器还包括：输入装置，内耦合外部的光，用于激活发光材料；以及输出装置，从所述传感器中输出所发射的光。在一些实施例中，所述参数改变是光谱位移。在一些实施例中，所述传感器是激光传感器。在一些实施例中，激发源和/或阅读器/检测器/分光计可与该波导结构、输入装置和输出装置整合在单独的传感器芯片上。

在一些实施例中，提供了一种传感器，包括：具有至少两个分支的腔内干涉波导结构，该波导结构包括发光材料，该发光材料内部地发射所产生的光，以及在至少一个分支上的功能化区域，该功能化区域用于结合靶材料，所述结合是通过所发射的光的参数改变而可被检测到的。在一些实施例中，所述参数改变是光谱位移。在一些实施例中，所述传感器是激光传感器。在一些实施例中，激发源和/或阅读器/检测器/分光计可与该波导结构、输入装置和输出装置整合在单独的传感器芯片上。

在一些实施例中，提供了一种用于执行光学免疫分析的方法，包括以下步骤：提供发光腔内干涉(ICI)波导传感器；使所述波导传感器的波导区功能化；以及通过测量从所述传感器发射的光中的参数改变来执行所述免疫分析，所述参数改变导致从靶材料的结合改变到功能化的波导区。在一些实施例中，所述免疫分析是干式免疫分析。

本发明还提供了一种制造功能化的整合的光学传感器的方法。采用多个光刻制造工艺以形成整合的光学传感器，在该传感器的至少一部分表面上具有硅烷化的区域。接着所有的光刻制造工艺，将多个等同的生物分子(例如，抗体分子、肽分子或者寡核苷酸分子)固定在(优选是共价地)所述硅烷化的区域上，因而使所述整合的光学传感器功能化。术语“光刻制造工艺”是指工艺的种类，例如基板沉积、图案装饰和蚀刻，它们都是传统地用于制作整合的电子和光学装置的工艺。在下面的图7中，步骤A-F是光刻制造工艺。所述功能化是推迟的，直到在所有的光刻制造工艺完成后才进行功能化，因为这些工艺会破坏生物材料，例如那些被用于使传感器功能化的材料(例如，抗体等蛋白质)。优选地，如果所述生物分子是抗体，这些抗体是在被固定在硅烷化的区域上之前被激活的。

本发明的范围还包括所制造的功能化整合的光学传感器。

本发明还提供了一种免疫分析方法。诸如整合的光学传感器的传感器的功能化表面是被暴露给样品液，该样品液是预期或怀疑包括靶材料，该靶材料结合到所述功能化表面。接着，以挥发性缓冲液清洗所述功能化表面。通常，该缓冲液是水性缓冲液。接着，干燥所述功能化表面，例如冻干，以去除基本上所有的缓冲液。最后，激活所述传感器；测量所述传感器的活动的参数，因而获得所述参数的“分析值”。例如，如果所述传感器是一个整合的光学传感器，该传感器被导致发光(或者在被动传感器的例子中，光是从该传感器的外部提供的；或者在主动传感器的例子中，光是由在该传感器内部的发光基底来提供的)，所述参数是测量所发射的光的参数而得到的。

术语“挥发性水缓冲液”是指在水中的离子溶液，当干燥时它的整体基本上是蒸发的。下面所述的碳酸铵缓冲液是这样的挥发性水缓冲液的一个例子。优选地，所述参数的“基线值”是在将功能化表面暴露给样品液(也就是，不结合到功能化表面)之前，激活所述传感器；以及测量所述传感器的活动的参数，因而获得所述参数的基线值。在所述分析值与基线值之间的差异是在所述样品液中靶材料的浓度的指示。例如，如果该传感器是一个整合的光学传感器，所述参数是光谱峰的波长，所述参数的基线值是未结合在功能化的表面上时的光谱峰波长的值，所述分析值是在功能化表面已经被暴露给样品液、清洗和干燥之后的光谱峰波长的值。在两种波长值(光谱位移)之间的差异是在所述样品液中靶材料的浓度的指示。

需要注意的是，虽然所述干式免疫方法的优选实施例是如下面内容中所述的一种整合的光学传感器，但是该干式免疫方法的范围并不限制于整合的光学传感器，还包括具有功能化表面的任意传感器，例如，石英晶体微平衡传感器、生物传感器或者化学传感器。

附图说明

本发明在这里仅通过实施例结合所附的附图的方式进行说明，在这些附图中：

图1图解地显示了本发明所述的发光ICI传感器的一个实施例，该ICI传感器具有一个主动分支和参考分支；

图2图解地显示了在图1中的装置，具有两个分支，在每个分支上带有同类的功能化结构(生物结合或者化学结合)，但带有不同的功能化区域；

图3图解地显示了在图2中的装置，具有两个分支，在每个分支上带有不同类型的功能化的两个分支；

图4图解地显示了本发明所述的腔内干涉发光传感器的一个实施例，该传感器具有马赫-曾德尔干涉形状，用于以传感功能化分支和参考分支；

图5图解地显示了本发明所述的发光ICI传感器的一个实施例，处于阵列波导光栅或移相器的形状；

图6图解地显示了本发明所述的发光ICI传感器的另一个实施例，处于阵列波导光栅或移相器的形状；

图7显示了结合的光刻-生化的功能化方案，以获得形成图案的受体的固定；

图8显示了一个示例性的接头-抗体的实施例，该抗体结合一个商品化的接头；

图9显示了连接的抗体固定到形成图案的硅烷化(玻璃或溶胶-凝胶)表面；

图10显示了在本发明所述的发光Y分支ICI传感器内的激光光谱演进与泵浦功率的函数曲线；

图11显示了以CRP和BSA培育后，对于不同长度的发光ICI传感器的激光光谱位移的实验结果。

具体实施方式

发光腔内干涉(ICI)波导传感器

图1图解地显示了本发明的一种发光ICI波导传感器(“装置”)100的实施例。需注意，所显示的特征并不是等比例画出的。装置100具有不平衡的Y分支波导结构，包括“共同的”通道波导(“共同分支”)102，它在分叉点106分裂成两个波导分支104a and 104b，各自的宽度是W_A和W_B。W_A和W_B可以是相等的或者是不相等的。特别在图1中，W_A和W_B是显示为相等的。总的来说，本发明所述的装置可以具有共同的WG分叉位超过两个分支。特别地，波导的材料、层厚度和横截面结构，以及在本发明中的多种光栅，可以是与在Peled2007、Peled 2008、Peled 2009和US 7,447,391中详细描述的那些波导相近似的。特别地，波导材料可以是溶胶-凝胶。共同的分支反射体(例如，以反射光栅的形式)108是定位在共同WG 102上的。一个分支反射体110a是定位在分支104a上，与分叉点106的距离是L_A，而另一个分支反射体110b是定位在分支104b上，与分叉点106的距离是L_B。反射体可以使部分或全部反射的。部分反射的光栅使传播的光是能被耦合出并被测量，如在US 7,447,391和Peled2008、Peled 2009中所述。一个谐振器是由三个反射体和它们之间的波导部分来形成的，其中，这些反射体的其中一个是共同的分支反射体，而其他两个反射体是分叉的分支反射体。因此，谐振器可以使由反射体108、110a和110b所限定。L_A和L_B各自定义分支长度。L_A和L_B可以是相等或不相等的。当不相等时，该构造是不平衡的Y分支波导结构的重要结构。特别在图1中，L_A和L_B，L_A和L_B是不相等的。

发光材料111，例如Nd³⁺，是整合进入波导的至少一部分(这里显示在共同分支102内)。优选地，该发光材料是整合进入整体谐振器部分。该发光材料可以是光激发的或者电激发的，或者光刻由其他机制产生或发射，例如化学发光。一些或全部内部发射的光在两个分支传播，并从它们的反射体反射。从两个分支反射的光在分叉点106处发生干涉，引入规则的(非分叉)谐振器的一种条件，该条件是附加到一个来回之后的正干涉条件。该附加的条件导致腔内干涉效应，该效应将在下面的“Y形ICI激光传感器设计和操作原理”中做详细解释。

在光泵浦实施例中，泵浦的光刻从自由空间耦合到装置100，例如，通过一个输入光栅耦合器112，这里显示位于共同分支102上。在一些实施例中，该输入光栅可以是定位在Y分支结构的一个或两个分支上。可选地，该内耦合可以是通过已知的内耦合装置来实现，例如，光纤对接耦合或者采用放大镜。该内部发射的光可以是从所述装置通过输出光栅耦合器(例如，光栅114a和114b)外耦合(输出)的。可选地，该光可以是穿过光栅耦合器112来外耦合的，该光栅耦合器112可以被设计位双功能光栅，正如在Peled 2008和Peled2009中所描述的。在一些实施例中，输入光栅和/或输出光栅可以是可选地仅定位在一些Y分支上。在一些实施例(未示出)中，该输出光栅可以是定位在与输入光栅相同的分支上。在一些实施例中，输入光栅和输出光栅可以被设计为单个光栅，同时用于泵浦输入与发射光输出，正如在Peled 2008和Peled 2009中所描述的。该内部产生的光也可以是从所述装置通过其他外耦合装置而被外耦合到光纤、分光计或自由空间的。

在图1所示的实施例中，传感分支(例如分支104a)是以生物受体在功能化区域116进行功能化的。在图2所示的另一个实施例的发光ICI传感器200中，两个分支204a和204b都以相同类型的受体在各自的功能化区域216a和216b进行功能化，被功能化的区域具有不同面积(长度和/或宽度)。在本例中，没有参考分支。可选地，在图3所示的另一个实施例的发光ICI传感器300中，两个分支都被功能化，每个分支具有不同类型的功能化(例如，两个功能化区域316a和316b具有不同类型的功能化结构或者不同类型的受体)。在本例中，参考臂的功能化可被这样设计以致使非特异性结合最小化，或者例如，无活性的抗体结合到可被用在这个参考臂上的被分析物，以提供与在传感臂上相同的非特异性结合率。在另一个实施例(未示出)中，没有任何分支被功能化，但这些分支具有不同长度和/或宽度。在本例中，所述传感器可以作为非特异性化学传感器以便传感胶的无损处理，或者远程阅读诸如温度或压力等参数。

在图4所示的另一个实施例的发光传感器400中，Y分支波导结构的两个分叉的分支(这里标记为404a和404b)是进一步在结合点420处结合位第二共同分支422(见图4)以形成在马赫-曾德尔形状(两个Y分支波导结构是实质上与它们的分叉分支结合的)的腔内干涉。虽然MZI装置与它们用于生物传感和化学传感的用途是已知的，但发光ICI整合的光学传感器是未知的，通过在MZI形状的谐振器获得腔内干涉，其中，光产生/发射是内部的，该内部发射的引导光可被光谱成形(例如，进入自由空间激光光束)。为了具有这样的发光MZI传感器，所述装置必须包括腔谐振器，供应反馈，支持谐振，且活跃介质(发光材料)411能产生光。在一个实施例中，该谐振器是这样形成的：由反射体408定位在第一共同分支402，并由反射体410定位在第二共同分支422。装置400也显示为包括输入光栅耦合器412、在分支404a上的功能化区域416，以及输出光栅耦合器414。正如在上述的其他ICI传感器，在一些实施例中，这些传感器是可选的，可以不是必需的。在一些实施例(未示出)中，输出光栅可以是定位在于输入光栅相同的分支上。在一些实施例(未示出)中，输入光栅和输出光栅可被设计为单个光栅，同时用于泵浦输入和发射光输出(“双用途”)，正如在Peled 2009中所解释的。

发光MZI传感器可以是以显示在图1至图3的任意方案来被功能化，如在图1中，具有一个功能化分支和一个参考分支；如在图2中，具有两个相同类型的功能化分支，但功能化区域的尺寸不同(长度不同和/或宽度不同)；或者如在图3中，在每个分支上具有不同类型的功能化，不论该功能化区域的尺寸如何。与现有技术的干涉传感器相比，本发明所述的发光干涉传感器的读出是光的光谱改变，该光是内在产生的并从该装置发出。该光谱改变是响应于在功能化分支与非功能化分支相比的结合事件(或其他类型的相互作用)的结合率(量)，或者响应于在具有相同或不同功能化区域的不同类型的功能化分支上具有不同结合率的结合事件，或者响应于在具有不同功能化区域的相同类型的功能化分支的结合事件。

在每个前述的MZI实施例中，每个反射体可以是完全反射或部分传播的。该内部产生的光可以是从该装置通过光栅耦合器而外耦合到自由空间(或检测器/分光计)，通过输入光栅耦合器用于泵浦，在本例中，被设计为用于双用途，或通过其他外耦合装置。可选地，发射光可以在芯片上通过整合的分光计(未示出)而被检测或被分析。

在一些实施例中，本发明所述的发光Y形或MZI形的ICI传感器可以具有超过两个分支，正如在图5所示的实施例500和在图6所示的实施例600。该装置设计的扩展以及从两个分支到超过两个分支的功能化方案应该是本领域技术人员可以清楚的。特别地，实施例500包括本发明所述的发光波导传感器，例如，具有五个共同WG(分支)502a-e，在结合部/分叉部510结合和分叉(正如已知的波导阵列结构和移相器)。在结合部/分叉部510的出口提供了分叉的分支504。对于带有这样结构的ICI谐振器骨架，人们可在发射光谱获得更尖锐的峰，在该设计和/或该检测中获得增强的FSR和强化的自由度，这样可被用于改善灵敏度。每个共同WG和每个分支具有反射体520。因此，腔内干涉谐振器可以在共同臂上的反射体520与在分支上的反射体520之间形成。例如，一个三角形区域标记516指示以相同或不同受体进行功能化的不同分支的不同的功能化长度。因此，实施例500使能够实施不同的谐振器几何构型，并进一步增强传感器的灵敏度和它的多功能性。

同样的设想被扩展到阵列波导光栅(AWG)或移相器型几何构型，如图6中所示。此处，例如，每五个共同WG 602a-e可以在分叉部630被分叉为至少两个分支。所有分支604是由结合部被重组为一个单独的共同分支622。功能化分支的总的区域被显示位三角形616。正如实施例500，该三角形指示不同分支的不同长度，这些分支是以相同或不同受体来功能化的。上述的关于两个分支的传感器也可被应用于功能化区域和类型的任意组合，这是本领域技术人员所应当明确的。每个共同WG具有一个反射体620。因此，腔内谐振器是再共同分支反射体620之间形成的，穿过分叉的分支。在实施例500的结构中，人们也可再发射光谱中获得更尖锐的峰，在该设计和/或该检测中获得增强的FSR和强化的自由度，这样可被用于改善灵敏度。

Y形ICI激光传感器设计和操作原理

在一个实施例中，共同波导(分支)尺度和横截面可以是与在Peled 2008中详细描述的那些通道波导激光器相等的，包括同样的7mm长的锥形段，带有相似的输入/输出光栅耦合器。在本发明所述的Y形波导谐振器中，共同分支在狭窄部(例如4μm)被分为两个单独模式的波导(例如，图1所示的104a和104b)。正如所述的，在一些实施例中，仅有一个分支是以受体来功能化到靶材料，而其他分支是作为参考。这种构造使该传感器的反应(例如，以光谱位移表示)最大化，由于将靶材料结合到固定的受体(下面的方程式1至5)，也在该装置内供应内在的和整合的参考，这样使得该传感器对非特异性结合(这在两个分支都会发生)的反应最小化。在这样的构造中，在波导分支(110a和110b)的每个末端从总反射体反射来的两束引导波在Y结合处发生干涉。它们的干涉引入对于激发光(或者，在非激光装置中，例如PL例子，对于正干涉振动和发射)的附加条件，它是在该谐振器的完全周期之后被加到重复相的规则条件。在3cm长得谐振器的示例中，纵向模式的自由光谱范围(FSR)是0.01nm级的。正如后续的灵敏度考虑(参见下面在方程式5后的段落以及Peled2009的第43-50页)，正干涉带宽是2nm级的。因此，这两个分支波的正干涉条件确定频谱包络，其中，纵向模式和激光波长(或发射峰)都是密度地增加的。接着给出用于这两个分支的正干涉的条件，以便继续将该激光光谱位移作为对分析物(生物靶材料)结合的响应。

用于两个波导分支的相匹配的条件是：

$2(\frac{2{\mathrm{\πn}}_{{\mathrm{eff}}_B}}{\mathrm{\λ}}{L}_B-\frac{2{\mathrm{\πn}}_{{\mathrm{eff}}_A}}{\mathrm{\λ}}{L}_A)=2\mathrm{\πN}---\left(1\right)$

其中，和

分别是功能化(传感)分支的效率指数和参考分支的效率指数，而L_A，L_B是它们的长度。λ是在真空中的光波长，而N是整数。通道波导的传播常数(效率指数)可以通过已知的方法来计算，例如参见Chiang，K.S.，Applied Optics，v 25，n 13，p 2169-74，(1986)和Kim，C.M.，Jung，B.G.，Lee，C.W.，Electronics Letters，v 22，n 6，Mar 13，p 296-298，(1986)。在功能化波导部分的传播常数上加入的生物层的影响可通过计算在厚片波导上的这样的相同厚度的层的影响来评估。在Peled 2009中给出了计算的细节。需注意，对于MZI形的ICI激光传感器设计，在方程式1的左边的系数2是减少的，而对于分支长度的L_A，L_B标准是从分叉连接部到结合连接部。

发生正干涉的光波长是：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{peak}}=2\frac{n_{{\mathrm{eff}}_B}{L}_B-n_{{\mathrm{eff}}_A}{L}_A}{N}---\left(2\right)$

如果

是指所设计的峰波长，根据该波长，波导分支差异是精选的，然后干涉顺序N可被直接表达为：

$N=2\frac{n_{{\mathrm{eff}}_B}{L}_B-n_{{\mathrm{eff}}_A}{L}_A}{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{peak}}_0}}---\left(3\right)$

指示在结合分析物之后的功能化分支的效率指数。在这个结合之后的正干涉峰波长可以是：

${\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{peak}}_b}=\frac{n_{{\mathrm{eff}}_B}{L}_B-n_{{\mathrm{eff}}_{\mathrm{Ab}}}{L}_A}{n_{{\mathrm{eff}}_B}{L}_B-n_{{\mathrm{eff}}_A}{L}_A}{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{peak}}_0}---\left(4\right)$

由于生物层的结合，关于效率指数的改变的相应的峰波长位移Δ_bλ_peak是：

${\mathrm{\Δ}}_b{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{peak}}=\frac{{\mathrm{d\λ}}_{\mathrm{peak}}}{{\mathrm{dn}}_{{\mathrm{eff}}_{\mathrm{Ab}}}}(n_{{\mathrm{eff}}_{\mathrm{Ab}}}-n_{{\mathrm{eff}}_A})=\frac{L_A{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{peak}}_0}}{n_{{\mathrm{eff}}_A}{L}_A-n_{{\mathrm{eff}}_B}{L}_B}(n_{{\mathrm{eff}}_{\mathrm{Ab}}}-n_{{\mathrm{eff}}_A})---\left(5\right)$

作为对于分析物结合Δ_bλ_peak的峰波长位移可由延伸L_A或者减少因数

来被放大，这是在传感分支和参考分支之间的初始光路差异。

另一个设计考虑是在任意光谱位移中，仍然会有至少一个正干涉峰，它使能进行激光动作。因此，在示例性实施例中，初始分支光路差异是被设计为60μm，以便以约5nm的FSR成形干涉图案。这样的光谱距离保证了在任意光谱位移中，有至少一个正干涉峰，对于该峰，功率反射系数是210nm的深度反射光栅(在示例性的装置中示例性地采用，之后表示它的结果)不会下落超过它的最大值的几个百分点。在这些条件下，正干涉峰带宽是2nm级的。

范例

C反应蛋白(CRP)(152315，MP)是被选择为一个分析物的模型。CRP是一种五聚血浆蛋白，它的血液水平指示心血管病发作的风险。因此，有需要开发简单的、廉价的和快速的方法来测量它在血液中的浓度。BSA(小牛血清蛋白，A7906，Sigma公司)用作对照蛋白。

具有示例性的三组不平衡的分支的溶胶-凝胶ICI激光传感器，长度LA和LB是被设计和制作在硅基硅(silica-on-silicon)基底的顶部的溶胶-凝胶层内。溶胶-凝胶波导结构的细节可在Asher Peled et al.，″Amplification from Nd⁺³doped Si-Ti sol-gel channel waveguides″，J.Optical Materials，2009中找到，以及在出版的Peled 2008和Peled 2009中找到。每个设计是被制成大量的复制品。在#1型传感器中，L_A和L_B分别是3mm和3.06mm；在#2型传感器中，L_A和L_B分别是10mm和10.06mm；以及在#3型传感器中，L_A和L_B分别是20mm和20.06mm。所有装置都有30mm的总长度，而共同分支有7mm的锥形部作为在Peled 2008中描述的线性激光器。所有传感器都是生物功能化的，正如以下参考图7至图9。

示例性的生物功能化方案

参考图7至图9来描述所述的功能化。在图7中的步骤A显示了在硅烷化之前的溶胶-凝胶引导层706。层706是在硅层704的顶部形成的，硅层704在硅基底702上。步骤B显示了硅烷化步骤，其中，整个溶胶-凝胶都采用Mercaptopropyltrimethoxysilane而被化学(共价)修饰。结果是分子的硅烷层708，带有巯基活性基团，如图9中所示。在步骤C中，光阻层710被旋转涂布在硅烷化表面上。在步骤D中，由平版印刷法形成光阻图案。这个步骤的目的是形成光阻罩，仅保护传感分支区域，而暴露其他硅烷化区域712。在步骤E中，未保护的硅烷化区域712被暴露给氧氩等离子体。这些反应离子损坏在这些区域的硅烷功能基团，留下非功能性德硅烷化区域714。在步骤F中，采用丙酮去除残留的光阻，暴露之前保护的硅烷化区域716，用于抗体固定。在步骤G中，接头融合的抗人CRP(GCRP-80A，ICL)抗体718是共价固定在这些区域上，因此完成所述功能化。在该固定之前，这些抗体是由双功能接头来激活，具有

的间隔分支，它在一端具有N-hydroxysuccinimide(NHS)酯，而在另一端具有马来酰亚胺基团。该NHS酯与在抗体分子上的主要氨基发生反应，在pH 7-9条件，形成键，见图8，同时在另一连接端的马来酰亚胺与巯基基团在硅烷化表面发生反应，在pH 6.5-7.5条件，形成稳定的硫醚键，见图9。步骤H显示在传感过程中的具有抗体结合抗原720的传感器表面。以下描述，传感器经受干式免疫分析。上述每个步骤的更多细节可在Peled 2009的第148-150页找到。

干式光学免疫分析

护理点应用通常需要在样品液(例如血液或血浆)的特殊物质的浓度的单独测量。给出基于的湿式光基免疫分析的内在缺点(例如，缓冲液指数的改变，这会在测量中引入误差)，本发明优势地提供了一种新方法，使光学传感器能够在“干”免疫分析中工作。当以干传感器进行光学测量时，不需要复杂的流式系统，不需要对流动样品液温度进行精密的和紧密的控制。然而，因为生物体本质上是湿的，为了进行干式光学测量，周围缓冲液需要在生物学步骤后去除。这通常导致缓冲液中的盐残留在干的装置上，会干扰该传感器的光学阅读。

在这里所开发的干式方法中，在抗体固定之后，每个传感器的表面是以0.1M碳酸氢铵缓冲液来彻底清洗，以便去除来自抗体溶液的盐和来自PBS缓冲液(0.5升，成分为：450ml去离子水，50ml PBSx10，0.93克，以HCl EDTA调pH到7.2)的盐，该PBS缓冲液用于固定步骤。该干式工艺是基于冻干法(冷冻干燥)采用ALPHA I-5 Christ冷冻干燥机。这个工艺导致碳酸氢铵缓冲液和它的挥发性盐在合适条件下完全蒸发，参见Peled 2009第149页。在该干燥步骤后，每个传感器是通过测量它的读出(激光光谱)来校准。在这个阶段，传感器是准备用于CRP(用作靶材料的生物模型)检测。与分析物(CRP或BSA)的培育是在碳酸氢铵缓冲液中完成的，之后，该传感器被清洗，再以相同的冻干程序干燥(Peled 2009第150页)。干燥后，再次读取该传感器的读出(激光光谱)，提供光谱位移，由于与分析物的培育(关于对照装置的光谱，参见Peled 2009第133-139页)表示CRP或BSA检测读出结果。

建模结果

靶材料(例如，蛋白抗原，如CRP)的结合层的有效(平均)厚度取决于许多因素，包括：固定活性受体(例如抗体)的表面密度，在样品液内的分析物浓度，以及分析物-受体结合体的亲和性。在执行的实验中，结合CRP干燥层的有效厚度是期望落在0.1-1nm的范围。干燥蛋白的折射指数是约1.45。Matlab基程序被用于计算相应的有效指数改变

这些改变是约10-5至10^-4。对于10mm长的结合波导分支(#2型传感器)，从方程式1至5计算的各自对应的峰波长位移分别是1.2至12nm。为了适当覆盖这个范围，也为了能够在结合后追踪该峰位移，并避免特异峰在光谱位移后的误识别，三个示例性的生物结合部分长度(在传感分支上)被设计用于每个装置：1mm、2mm和全长的传感分支减去400μm，也就是，在#1型传感器为2.6mm，在#2型传感器为9.6mm，在#3型传感器为19.6mm。

实验结果

示例性的ICI激光传感器光谱与泵浦功率的函数关系，如图10所示。该图显示了激光光谱的演进与输入泵浦功率成函数关系，对于一个实例测量而得，该例中，ICI激光器带有3mm和3.06mm长的干涉分支的Y形谐振器骨架，总长度为30mm。反射光栅周期为355nm。在较高泵浦功率处，有两个距离约5nm的尖峰，与该装置的设计预期的峰值非常匹配。将靶材料结合到功能化的分支，由于ICI效应，导致在这些峰的位移。

由于CRP和B SA的培育导致的光谱位移是实验测量到的。因为光谱位移的绝对值作为CRP/BSA结合的结果是非常小的，相对于图的尺度(小于1nm)，光谱位移的实验结果是显示在图11的图表中。图11显示了在以CRP和BSA培育后，对于#1型传感器(具有2.6mm长的生物结合区)和2#型传感器(具有9.6mm长的生物结合区)的激光光谱位移。正如所述的，这里讨论的特异光谱位移是小于1nm的，但恰好在现代分光计的测量能力之内。更多证据是在具有9.6mm长得生物结合区(该处对于CRP结合的位移是-0.76nm，而对于BSA结合的位移是-0.125nm)的装置的光谱位移内的差异。也就是，在暴露给CRP的装置内的光谱位移是六倍大于暴露给BSA的装置内的光谱位移。此外，当暴露给CRP的装置内的光谱位移增加了它们的生物结合区域的长度时(对于#1型传感器，在2.6mm长的生物结合区有-.29nm的位移，而对于#2型传感器，在9.6mm长的生物结合区有-.76nm的位移)，正如理论上预期的，在暴露给BSA的装置中未出现这个趋势。相反，由于在装置内以BSA培育导致的光谱位移对于更长的生物结合区装置来说是小于在装置内更短的生物结合区(-0.125nm比-0.171nm)。最后，暴露给CRP的装置所测得的光谱位移的背离(离差)是约6％，这小于在暴露给BSA的装置所测得的60％和85％的值。这证明，CRP测量反应了特异结合，而BSA测量反应了由于BSA分子的非特异性吸收带来的噪声背景。

测量的稳定性和重复性是被追踪和检验的；在与分析物培育后测量所述传感器的光谱读取结果，在一天后再次测量。重复光谱测量的差异具有0.075nm的标准偏差。在每次免疫分析实验之后的重复性也被追踪和检验。每次免疫分析实验循环包括光刻介导的图案硅烷化，连接抗体的共价固定，分析物培育和光学测量。在每次这样的循环之后，传感器装置以piranha溶液清洗，裸机(不带任何生化层)被再次测量，作为下一次实验的硅烷化之前的参考步骤。重复测量的光谱差异的标准偏差是0.072nm，这仅比光谱分析仪分辨率(0.05nm)稍微大些。更多细节提供在Peled 2009第133-139页。

虽然本说明书已经在内容上提供了特定的实施例，但本领域技术人员应当明确，本说明书可延展到特定描述的实施例之外的其他替代的实施例和/或用途和显而易见的修饰和它们的等同体。因此，本说明书并不受限于这里的实施例所揭示的特定内容。例如，所述腔内干涉波导谐振器骨架结构并不限于Y分支、MZI和AWG几何构型。例如，发光传感器波导材料不限于稀土掺杂的溶胶-凝胶，而包括在这些波导内的发光材料的激发也不限于光学激发(泵浦)。例如，本发明所述的ICI传感器可以是在发光聚合物内或在半导体内形成，其中内部光产生是光学、电学或化学激发的。在电致泵浦的ICI传感器中，电泵浦功率源可以被整合进与该传感器相同的芯片中。例如，靶材料不限于CRP，也可以是用于合适的受体的任意靶材料，而固定程序是可用的，或者可以合理努力来发展的。例如，ICI传感器光学操作不限于“干”免疫分析，也可以在液相中进行，例如，通过以光学窗口提供的流式细胞。例如，光输入(内耦合)传感器和光从传感器输出(外耦合)并不限于通过光栅来远程耦合，也可以通过其他已知的耦合方法来实现，例如光纤对接耦合或者自由空间光束的聚焦。

因此，这里所揭示的附图和说明书显示了与本发明相关的技术，显示了本发明的实施例，并提供了使用本发明的例子，它们都不视为对本发明的限制。已知的方法、技术或者系统可不作详细讨论，以避免遮蔽本发明的原理。正如本领域技术人员所应当明确的，本发明可以被实施、修饰或者其他改变，都不会脱离本发明的原理和精神。因此，本发明的范围应当是由所附的权利要求和它们在法律上的等同体来确定。

在本说明书中提及的所有出版物和专利在这里都以它们的整体引入本说明书作为参考，达到相同的程度，正如每个单独的出版物、专利或专利申请是特别地和个别地被引入这里作为参考。此外，在本申请中，任何参考文献的引用或鉴别将不应被解释为允许这样的参考文献是可用于作为本发明的现有技术。

Claims (1)

1.一种传感器，包括：

（a）波导结构，包括至少两个分支，通过第一反射体限制所述波导结构的第一末端，并通过第二反射体限制所述波导结构的与第一末端相对的第二末端，因而提供了腔内干涉波导结构；

（b）发光材料，包括在所述波导结构内，其中在所述发光材料中产生的光是从所述波导结构内发出；

（c）在至少一个分支上的功能化区域，所述功能化区域用于结合靶材料，所述结合是通过所发射的光的参数改变而可被检测到的。

2．根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述腔内干涉波导结构是Y分支通道波导结构。

3．根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述腔内干涉波导结构是马赫-曾德尔干涉通道波导结构。

4．根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括：

（d）输入装置，将外部光输入传感器内，用于激活发光材料；以及

（e）输出装置，从所述传感器中输出所发射的光。

5．根据权利要求4所述的传感器，其特征在于：所述传感器是单片电路的。

6．根据权利要求4所述的传感器，其特征在于：所述输入装置包括输入光栅。

7．根据权利要求6所述的传感器，其特征在于：所述输出装置包括输出光栅。

8．根据权利要求7所述的传感器，其特征在于：所述输入光栅和输出光栅是结合为单独的光栅。

9．根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述传感器是单片电路的。

10．根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述波导结构包括溶胶-凝胶层。

11．根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述腔内干涉波导结构是谐振器，该谐振器使从所述波导结构中发射的光的光谱成形。

12．根据权利要求10所述的传感器，其特征在于：所述谐振器是在两个反射体之间形成的，这两个反射体是在所述腔内干涉波导结构内形成的。

13．根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述参数改变是光谱位移。

14．根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述功能化区域是被功能化用于干式免疫分析的。

15．根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述靶材料是生物材料。

16．根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述靶材料是化学材料。

17．根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括：

（d）电源，用于电激发所述发光材料。

18．一种用于执行光学免疫分析的方法，包括以下步骤：

（a）提供发光腔内干涉波导传感器，包括

（i）包括至少两个分支的波导结构，通过第一反射体限制所述波导结构的第一末端，并通过第二反射体限制所述波导结构的与第一末端相对的第二末端；以及

（ii）包括在所述波导结构内的发光材料；其中在所述发光材料内产生的光是从所述波导结构中发出的；

（b）使所述至少两个分支的波导区功能化；以及

（c）通过测量从所述传感器发射的光中的参数改变来执行所述免疫分析，所述参数改变导致从靶材料的结合改变到功能化的波导区。

19．根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述提供发光腔内干涉波导传感器的步骤包括提供具有Y形状的ICI通道波导结构。

20．根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述提供发光腔内干涉波导传感器的步骤包括提供具有马赫-曾德尔形状的ICI通道波导结构。

21．根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述提供发光腔内干涉波导传感器的步骤包括提供包括溶胶-凝胶层的波导结构，该溶胶-凝胶层包括发光材料。

22．根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述提供发光腔内干涉波导传感器的步骤包括提供具有移相器或阵列波导光栅形状的腔内干涉波导传感器。

23．根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述提供发光腔内干涉波导传感器的步骤包括提供单片电路的发光腔内干涉波导传感器。

24．根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述通过测量从所述传感器发射的光中的参数改变来执行免疫分析的步骤包括激发整合在所述腔内干涉波导传感器内的发光材料，所述激发导致光的发射。

25．根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述发光材料的激发包括光激发发光材料。

26．根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述发光材料的激发包括电激发发光材料。

27．根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述发光材料的激发包括化学激发发光材料。

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