CN103954595A - 光电传感器系统 - Google Patents

Abstract

一种光电传感器系统，其均匀地照射试样，并且只有所形成的荧光才能达到光敏层。该技术问题主要通过提供一种对在光电传感器层之前或之上的所耦入的光发生全反射的全反射层来解决。该应用可以在所有采用微阵列生物芯片的领域进行。

Description

光电传感器系统

本分案申请是基于申请号为200780100546.2（PCT/EP2007/006354），申请日为2007年7月12日，发明名称为“光电传感器系统”的中国专利申请提出的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于激励和检测试样的光电传感器系统。

背景技术

在医学、制药、生物化学、遗传学或微生物学的领域中，微阵列生物芯片的使用发挥着越来越大的作用。一块这样的芯片在最短时间内提供成千上万次反应的结果。微阵列生物芯片由载体材料构成，在该载体材料上生物探针分子（Sondenmolekuele）以高数量和密度确定地固定在所谓的微阵列中。这些点中的每一个近似代替一个反应容器。

对于实际的检查，例如采用基于荧光的方法，其中对试样进行标记，使得在通过诸如激光这样的光源进行激励之后产生能被采集的荧光信号。常规的微阵列读取系统使用激光来逐点地激励荧光或者使用气体放电灯（水银、氙气、金属卤化物）来大面积地激励荧光。所有系统在读取过程中必须扫描样本或光源，因此需要精确的过程机械。此外，这样的系统需要昂贵的光学元件来将荧光信号成像到检测器上。这些因素阻碍了必要的微型化，还妨碍了成本低廉地制造读取系统。

WO2006/026796公开了一种设备，利用该装置能够分析这种生物化学试样，如微阵列。

该设备由试样载体以及图像采集装置构成。该图像采集装置在两个电极层之间具有基于有机半导体的光敏层，其中这两个电极层中位于光敏层和试样之间的电极层被构造为至少按区域地透光。该图像采集装置可以直接敷设在生物芯片的位于微阵列对面的表面上，并且因此使得精确的过程机械以及昂贵的成像光学元件不像在常规读取系统中那样必需。

为了将该图像采集系统用于基于荧光地读取生物化学试样而不需要过程机械和成像光学元件，必须满足如下条件：

-试样必须以激励光均匀地照射。

-只有所形成的荧光才允许到达光敏层。

-发出荧光的试样（在微阵列点中）和传感器之间的距离应当与微阵列点的中心到中心的距离处于相同的数量级，以避免像素之间的串扰问题。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是提供一种满足上述条件的光电传感器系统。

Ad均匀照射：

如果图像采集系统直接相对于试样敷设在生物芯片上，则试样不再需要被扫描。但是要求这样的结构，该结构以足够高的激励强度均匀照射试样。

Ad阻挡直接或散射的激励光：

每个基于荧光的测量系统都需要光源来激励荧光。其中，该激励光的强度比所产生的荧光要强很多个数量级。对于可靠的测量结果来说，只允许荧光到达光敏层，但是绝不允许直接或散射的激励光到达，因为其会引起测量误差。

Ad试样和传感器之间的距离：

将在图像采集装置上检测到的信号单值地（eindeutig）分配给微阵列点的荧光是正确测量结果的前提。典型地，微阵列点直径是100-200μm，其中中心到中心的距离大约是300μm。为了在位于微阵列对面的图像采集装置直接位于生物芯片上的情况下避免所谓的信号串扰，因此，试样和图像采集装置之间的距离必须处于与点距离相同的数量级。

该技术问题按照本发明是通过一种用于激励和检测试样的光电传感器系统解决，该光电传感器系统包括：一个透明的第一基片，该第一基片具有直接可够得到的试样表面，试样在所述试样表面上以微阵列点的方式设置，并且该第一基片具有第一折射率；一个与试样表面相对置地且直接地设置在第一基片上的中间层，所述中间层具有较小的第二折射率，其中，用于激励试样的光能够耦入到该第一基片中，所述光由于在第一基片和中间层之间的全反射作为平面光波在第一基片中传播；以及一个在第二基片上设置的光敏光电传感器层，该光敏光电传感器层由有机半导体材料制成；其中，第二基片设置在中间层的下方，所述中间层由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，并且在传感器层和中间层之间设置第三基片，所述第三基片直接设置在中间层上，并且第二基片和第三基片还封装传感器层，其中，第一基片、第二基片和第三基片由玻璃制成或者构成为玻璃载体，并且光敏光电传感器层由一个或多个半导体层在两个电极层之间形成，其中的面向试样表面的电极层构造成至少按区域透光，并且在试样表面上设置光耦入元件。

通过在具有较小折射率的层上的全反射，实现了激励光仅在具有较大折射率的第一层中传播。

生物试样位于该层的表面上。在那里发生全反射，其中形成穿透深度为100nm到500nm的所谓渐逝场，该渐逝场选择性地只激励表面附近的分子。然后由试样发出的荧光信号或者发光信号可以无阻碍地被光电传感器层接收，而不会通过散射光产生测量误差。

优选地，通过在第一层上设置棱镜或光栅以耦入光来导入引起激励的光射线。

根据一优选实施方式，具有较小折射率的层由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成。其还可以添加有具有吸收性的色素/颜料作为滤光器。

优选地，在第二层和光电传感器系统之间可以设置具有光过滤特性或仅部分透光性的附加层。

光敏的光电层可以基于有机半导体来实施。

根据本发明的光电传感器系统可以具有以下特征结构：

-第一玻璃载体，用于在其表面上敷设微阵列点

-第二玻璃载体，作为传感器的衬底

-第三玻璃载体，作为传感器的封装外壳

-位于第二玻璃载体和第三玻璃载体之间的光敏光电层，由位于两个电极层之间的一个或多个半导体层构成，这些电极层中朝向试样的电极层至少是按区域透光的，

-介于第一和第三玻璃载体之间的PDMS中间层；

-以及设置在第一玻璃载体的表面上的棱镜，该棱镜将光源发射的光射线以确定的角度引入第一玻璃载体中，在该第一玻璃载体中，该光射线在PDMS中间层上发生全反射的情况下作为平面光波在第一玻璃载体中传导。

附图说明

该结构也在附图1中被示意性示出。

具体实施方式

光射线进入第一玻璃载体的入射角优选大于玻璃和PDMS之间全反射的临界角，也就是高于69°。（折射率：玻璃：n1=1.52,PDMS:n2=1.42->全反射角：α=arcsin(n2/n1)=69.1°）

一种具有该结构的光电传感器系统的特征在于这种光电传感器系统的小尺寸，即第一玻璃载体的厚度例如可以是50μm-200μm，第一玻璃载体以及第三玻璃载体和PDMS中间层的厚度例如可以大约是300μm，传感器的总厚度例如可以大约是1mm。

作为进行激励的光源可以是波长为300nm-650nm的激光器、LED或OLED。

Claims (9)

1.一种用于激励和检测试样的光电传感器系统，该光电传感器系统包括：

一个透明的第一基片，该第一基片具有直接可够得到的试样表面，试样在所述试样表面上以微阵列点的方式设置，并且该第一基片具有第一折射率，和

一个与试样表面相对置地且直接地设置在第一基片上的中间层，所述中间层具有较小的第二折射率，其中，用于激励试样的光能够耦入到该第一基片中，所述光由于在第一基片和中间层之间的全反射作为平面光波在第一基片中传播，和

一个在第二基片上设置的光敏光电传感器层，该光敏光电传感器层由有机半导体材料制成，其中，第二基片设置在中间层的下方，

其特征在于：

所述中间层由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，并且

在传感器层和中间层之间设置第三基片，

所述第三基片直接设置在中间层上，并且第二基片和第三基片还封装传感器层，

其中，第一基片、第二基片和第三基片由玻璃制成或者构成为玻璃载体，并且

光敏光电传感器层由一个或多个半导体层在两个电极层之间形成，其中的面向试样表面的电极层构造成至少按区域透光，

并且在试样表面上设置光耦入元件。

2.根据权利要求1所述的光电传感器系统，其特征在于，光耦入元件构造成棱镜或光栅。

3.根据上述权利要求之一所述的光电传感器系统，其特征在于，所述第一层的厚度为50μm-300μm。

4.根据上述权利要求之一所述的光电传感器系统，其特征在于，在第二层和传感器层之间设置其它光过滤层。

5.根据权利要求5所述的光电传感器系统，其特征在于，所述第二层被添加有改变该层的光透射特性的物质。

6.根据权利要求8所述的光电传感器系统，其特征在于，所添加的物质是具有吸收性的色素或颜料。

7.根据权利要求10所述的光电传感器系统，其特征在于，所述光射线入射到第一玻璃载体中的入射角优选大于玻璃和PDMS之间全反射的临界角，即高于69°。

8.根据上述权利要求之一所述的光电传感器系统，其特征在于，第一玻璃载体的厚度是50μm-200μm，第一玻璃载体以及第三玻璃载体和PDMS中间层的厚度大约是300μm，传感器的总厚度大约是1mm。

9.根据上述权利要求之一所述的光电传感器系统，其特征在于，使用波长为300nm-650nm的激光器、LED或OLED作为进行激励的光源。