CN108139326A - 具有低背景信号的基于有机的荧光传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了具有有利的低检测极限和高灵敏度的基于荧光的传感器。传感器包括与有机LED和光电二极管一起使用的一个或多个可溶液处理的滤色器。使用滤色器以使得OLED发射的波长范围变窄和/或拒斥不是来自分析物荧光的任何光到达光电二极管，由此增强设备灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及提供高灵敏度和低检测极限、具有集成滤色器的基于荧光的传感器，涉及包括它的阵列以及制造它的方法。
背景技术
因为荧光检测系统固有地表现出优于吸收检测技术的提高的灵敏度，荧光检测系统在大量技术领域，诸如，例如生物学、临床诊断学、细胞研究、食品和环境研究(例如，农业分析)中已经变成重要的分析工具。
通常包括用于发射激发光信号到荧光团分析物的有机发光二极管(OLED)和用于检测由分析物发射的光信号的光电二极管的有机荧光传感器根据下面的原理工作：窄带激发光由OLED发射。该发射与荧光团的吸收带重叠，荧光团或者是正在被感测的分析物或者是附加到分析物的标签。在振动弛豫之前，荧光团吸收光子并且被电激发，并且然后以更高的波长重新发射光子以返回到电接地状态。该更高波长发射由有机光电二极管检测并且所产生的电流用来计算分析物的浓度。
近年来，已经做出许多努力来提高基于荧光的传感器系统的便携性和适用性，特别是考虑到在医疗点(point-of-care)应用和现场应用中的高需求(参看例如EP 1 582598 A1)。
为了在这些使用中经济上可行，可溶液处理的基于有机的荧光生物传感器的提供是期望的。
关于这方面，WO 02/42747 A1公开一种微制造检测系统，其中发光二极管和/或检测器光电池作为多层结构沉积在基板芯片的表面上。
在WO 2005/015173 A1中，公开包括OLED和光电二极管的整体构建传感器。
WO 2009/013491 A1公开以成线式几何结构配置的紧凑的基于荧光的传感器，其中光源、样本和检测器基本上共享公共的光轴。
然而，由信号噪声比确定的这种小型化设备的检测极限仍然具有改进的空间。因为光电二极管表现出相对宽带响应，分析物没有吸收但是透射的任何激发光也将到达光电二极管并且引起假阳性读数。
已经提出滤色器(colour filter)来防止杂散的激发光到达检测器以及遮蔽微弱的荧光信号。例如，Lee等人“生物传感器”(2013，3，360-373)公开使用塑料或者玻璃滤波器增加信号噪声比。然而，这种滤波器具有它们不适合小型化、紧密间距阵列设备的生产的缺点。另外，对于具有小斯托克斯位移(亦即，相同电子跃迁的吸收和发射光谱的带极大点的位置之间的小差异)的荧光团样本，这种滤波器方便地由昂贵的干扰滤波器取代。除了使用干扰滤波器所涉及的高成本之外，干扰滤波器具有它们的功能高度取决于入射光的角度的缺点，这典型地导致对于入射光的不同角度的不同截断波长，由此将它们的适用性局限于具体的传感器几何结构。
因此，可以以低成本生产的小型的基于荧光的传感器的提供允许大量几何结构上的适用性，并且提供有利的高灵敏度和低检测极限。制造成阵列也容易。
发明内容
本发明使用如本申请中所限定的保护范围的主题实现该目标。
一般而言，在一方面，本发明提供一种基于荧光的传感器，包括：用于发射激发光信号到荧光团分析物的有机发光二极管，用于检测由分析物发射的光信号的有机光电二极管，以及布置在有机发光二极管与有机光电二极管之间并且已经通过溶液处理而沉积的至少一个集成滤色器(integral colour filter)。
在优选的方面，本发明提供根据上面限定的基于荧光的传感器，其中至少一个集成滤色器位于有机发光二极管与荧光团分析物之间并且被配置为使得由有机发光设备发射的激发光信号的波长带变窄，和/或其中至少一个集成滤色器位于荧光团分析物与有机光电二极管之间并且被配置为阻挡由荧光团分析物透射的激发光信号。
在另一个优选方面，本发明提供根据上面限定的基于荧光的传感器，其中传感器包括：第一集成滤色器，位于有机发光二极管与荧光团分析物之间并且被配置为使得由有机发光二极管发射的激发光信号的波长带变窄；第二集成滤色器，位于荧光团分析物与有机光电二极管之间并且被配置为阻挡由荧光团分析物透射的激发光信号；以及第三集成滤色器，放置在第一集成滤色器与分析物之间并且被配置为使得由第一集成滤色器透射的光信号的波长带变窄，第一集成滤色器、第二集成滤色器和第三集成滤色器通过溶液处理而沉积。
在另一个优选方面，本发明提供根据上面限定的基于荧光的传感器，其中有机发光设备是具有微腔结构的有机发光二极管。
而且，本发明的一方面是一种传感器阵列，传感器阵列包括多个根据上面限定的基于荧光的传感器。
另外，本发明涉及一种制造根据上面限定的基于荧光的传感器的方法。
因此，提供一种通过荧光技术检测样本中的标记的改进的传感器系统，该传感器系统提供高灵敏度和低检测极限，并且足够紧凑以能够用于医疗点应用或者现场应用。而且，系统是低成本的。
本发明的优点将在下面的章节中进一步详细说明，并且当考虑本发明公开内容时，另外的优点将对于本领域技术人员变得明显。
附图说明
图1示出相对于OLED发射光谱的红色荧光团的吸收/发射带。
图2例示使用发射蓝光的OLED和红色荧光团的根据本发明的示例性传感器配置。
图3示出关于蓝色滤波器DybrightTM SOB 209和红色滤波器DybrightTM SOR 835的吸收光谱。
图4示出示例性无滤波和已滤波蓝色OLED的发射光谱和示例性红色荧光团的吸收光谱。
图5示出示例性无滤波和已滤波蓝色OLED的发射光谱和示例性红色滤波器的透射光谱。
图6示出与示例性红色滤波器的透射光谱相关联的示例性红色荧光团的发射。
图7示出滤波器对于有机光电二极管处检测到的光谱仪计数的影响。
图8示出示例性滤色器的透射光谱并且例示在OLED与分析物之间组合两个集成滤色器的效果。
具体实施方式
为了更加完整地理解本发明，现在参考下面其例示性实施例的描述。
通常，根据本发明的基于荧光的传感器包括用于发射激发光信号到荧光团分析物的有机发光二极管，用于检测由分析物发射的光信号的有机光电二极管，以及布置在有机发光二极管与有机光电二极管之间并且已经通过溶液处理而沉积的至少一个集成滤色器。
如本文中使用的用语集成滤色器应当理解为意思是滤色器直接提供在传感器的另一个部件上，而不单独地制造传感器并且使用它进行传感器系统的装配。
如本文中使用的溶液处理包括例如油墨喷射、喷墨旋涂、凹面涂敷、微笔涂敷、纳米泉笔涂敷(nano-fountain pen coating)、蘸笔涂敷、丝网印刷、喷雾涂覆、滑动涂敷、狭缝涂敷、帘幕涂敷、浸渍涂敷及它们的组合。优选地，溶液处理涉及油墨喷射和/或旋涂。
集成滤色器的厚度不是关键并且优选地为10μm或者更小，更优选地在1至10μm之间。
有利地，根据本发明的基于荧光的传感器是可溶液处理的。溶液沉积技术的使用有利地允许使用不同的滤色器在一个基板上对许多传感器进行图案形成。这样，个体传感器可以被配置为分析不同的分析物。因此，有可能制造能够在一遍中对于多种化合物筛选单个样本的传感器阵列。而且，有可能容易地调整成分(例如，染料或者色素浓度)以将集成滤色器调谐至特定的OLED和/或有机光电二极管并且由此提高性能。
而且，不像干扰滤波器，可溶液处理的滤波器通过吸收处理来工作并且表现出独立于入射光进入滤波器的角度的类似吸收。如此，可溶液处理的滤波器在广泛范围的传感器几何结构中有用，以及在光从较大角度源收集的情况下有用。
在优选的实施例中，通过经由溶液处理技术将可交联滤色器成分沉积到基板上来制备集成滤色器，并且使得成分交联以形成集成滤色器。更优选地，可交联成分包括聚合物以及色素或者染料，以及可选地包括单体、光引发剂和/或粘合剂。有利地，可交联成分的使用允许滤色器沉积在其他有机层下面，同时可以容易地实现滤色器的光图案形成，由此提供制造传感器阵列的广泛可能性。交联的方法没有特别限制并且可以适当地适合于所使用的交联机制。作为示例，可以涉及在升高温度下的处理或者UV处理。
在作为替代的优选实施例中，可以通过在不溶解溶液沉积于其上的层的任何材料的溶剂中沉积色素或者染料(可选地与聚合物一起)制备集成滤色器而不使用交联。这种正交溶剂的概念也允许多个集成滤波器在彼此之上层叠。例如，在水溶液中包含可水溶的染料或者色素的集成滤色器可以沉积在先前已经通过在有机溶剂中使用染料或者色素而沉积的另一个集成滤色器的顶部上。
在紧凑性方面，优选地，基于荧光的传感器表现出成线式几何结构，其中有机发光二极管、荧光团分析物、有机光电二极管以及至少一个集成滤色器基本上共享公共的光轴。
荧光团分析物没有特别限制，只要它能够在光激发时重新发射光，并且可以是将要分析的目标物质(如果目标物质是荧光团)或者用作标记的荧光团标签附接到的目标物质。而且，荧光团分析物可以是固相或者液相的。
有机光电二极管是基于有机半导体的宽带光检测器。
有机发光二极管(OLED)没有特别限制只要它能够发射引起荧光团分析物的激发的光信号。OLED可以基于小分子发射器或者发光聚合物并且可以表现出多层结构。
至少一个集成滤色器可以放置在传感器配置中的一个或多个位置。关于其位置，本发明人识别到两个优选的位置用于提高荧光传感器中的信号噪声比，这将在下面讨论：
由OLED发射的窄带激发光典型地具有大约100nm的光谱宽度(全宽半最大值)。该发射与荧光团的吸收重叠，荧光团或者是正在被感测的分析物或者是附接到分析物的标签。在振动弛豫之前，荧光团吸收光并且被电激发，并且然后以更高的波长重新发射光子以返回到电接地状态。该更高波长发射由有机光电二极管检测并且所产生的电流用来计算分析物的浓度。因为光电二极管具有相对宽带响应，荧光团没有吸收但是透射的任何激发光也将到达光电二极管并且引起假阳性读数，这通常观察为光谱中的小“尾光(tail)”，但是可以足够强烈以至于当测量来自非常微弱或者低浓度荧光团的发射时给出可感知的错误信号。
示例性光谱在图1中示出，其中相对于OLED激发光显示出红色荧光团的吸收/发射带。这里，OLED发射大约400至500nm之间的蓝光。
在本发明的优选实施例中，至少一个集成滤色器位于有机发光二极管与荧光团分析物之间并且被配置为使得由有机发光设备发射的激发光信号的波长带变窄。换言之，在该配置中，集成滤色器具有从滤波器离开的光信号的光谱分布的波长极限之间的差小于激发光的光谱分布的波长极限之间的差的效果。如此，可以有效地抑制背景信号，提供增强的信号噪声比和灵敏度。
除了在有机发光二极管之间的位置使用集成滤色器之外或者作为替代，OLED被包括在微腔中可能是优选的。可以使用OLED的腔调谐使得激发光的发射带变窄。假如OLED包括印刷阴极，腔调谐由于印刷阴极的减小的Q因子而变得更加具有挑战。在这种情况下，在有机发光二极管之间的位置使用集成滤色器可能是优选的。用于腔调谐的OLED的制备的示例性方法在例如WO 2002/042747A1、WO 2011/06306 A2或者WO 2005/071770 A2中公开。
在一些情况下，荧光团的吸收带太窄以至于不能够吸收由OLED发射的所有激发光，使得激发光由荧光团透射并且在有机光电二极管处引起错误读数。
因此，在本发明的优选实施例中，至少一个集成滤色器位于荧光团分析物与有机光电二极管之间并且被配置为阻挡由荧光团分析物透射的激发光信号。换言之，在这种配置中，集成滤色器具有从荧光团离开并且没有归属于荧光信号的光信号的光谱分布中波长带的信号的强度被减小的效果。如此，可以有效地抑制背景信号，提供增强的信号噪声比和灵敏度。
优选地，根据本发明的基于荧光的传感器包括：第一集成滤色器，位于有机发光二极管与荧光团分析物之间并且被配置为使得由有机发光二极管发射的激发光信号的波长带变窄，以及第二集成滤色器，位于荧光团分析物与有机光电二极管之间并且被配置为阻挡由荧光团分析物透射的激发光信号，第一集成滤色器和第二集成滤色器通过溶液处理而沉积。使用这种配置，可以有效地增强信号噪声比和灵敏度。
这种配置的功能由图2例示，使用发射蓝光的OLED和红色荧光团作为示例。这里，蓝色滤色器用作位于有机发光二极管与荧光团分析物之间的第一集成滤波器，并且红色滤色器用作位于荧光团分析物与有机光电二极管之间的第二集成滤色器。
在进一步优选的实施例中，根据本发明的基于荧光的传感器包括：第一集成滤色器，位于有机发光二极管与荧光团分析物之间并且被配置为使得由有机发光二极管发射的激发光信号的波长带变窄，第二集成滤色器，位于荧光团分析物与有机光电二极管之间并且被配置为阻挡由荧光团分析物透射的激发光信号，以及第三集成滤色器，放置在第一集成滤色器与分析物之间并且被配置为使得由第一集成滤色器透射的光信号的波长带变窄，其中第一集成滤色器、第二集成滤色器和第三集成滤色器通过溶液处理而沉积。如果荧光团样本表现出小斯托克斯位移(亦即，相同电子跃迁的吸收和发射光谱的带极大点的位置之间的小差异)，这种配置特别有利，因为第三滤波器使得由第一集成滤色器透射的光信号的波长带进一步变窄。因此，可以感测具有小斯托克斯位移的荧光团而不需要昂贵的干扰滤波器。
在另一个实施例中，本发明涉及制造基于荧光的传感器的方法，基于荧光的传感器包括用于发射激发光信号到荧光团分析物的有机发光二极管，用于检测由分析物发射的光信号的有机光电二极管，以及布置在有机发光二极管与有机光电二极管之间的至少一个集成滤色器，该方法包括通过溶液处理沉积至少一个集成滤色器。所述方法允许容易地使用不同的滤色器在一个基板上对许多传感器形成图案，或者配置个体传感器以便分析不同的分析物。
在优选的实施例中，方法包括优选地通过喷墨印刷或者旋涂，将可交联滤色器成分沉积到基板上，以及使得成分交联以形成集成滤色器的步骤。所述方法允许滤色器沉积在其他有机层下面。而且，可以容易地实现滤色器的光图案形成，由此提供制造传感器阵列的广泛可能性。
示例
根据图2的示意配置的基于荧光的传感器已经通过使用市售的蓝色和红色滤色器溶液(DybrightTM SOB 209和DybrightTM SOR835，二者都可由Sumitomo化学有限公司获得)制备。滤波器溶液被旋涂至OLED或者有机光电二极管的各自表面上，取决于已经放置滤波器的位置，并且通过随后在100℃下使用UV照射(主波长带为350至400nm的400W铁掺杂弧光灯；照射：～20mW/cm2)烘干样本并且在220℃下热处理长达40分钟进行交联。
已经采用发射400至500nm之间的蓝光的OLED。
Fura RedTM(甘氨酸，N-〔2-〔(乙酰氧基)甲氧基〕-2-氧代乙基〕-N-〔5-〔2-〔2-〔双〔2-〔(乙酰氧基)甲氧基〕-2-氧代乙基〕氨基〕-5乙氧基]-2-[(5-氧代-2-硫代-4-咪唑烷亚基)甲基]-6-苯并呋喃基]-，(乙酰氧基)甲酯)(Glycine,N-[2-[(acetyloxy)methoxy]-2-oxoethyl]-N-[5-[2-[2-[bis[2-[(acetyloxy)meth oxy]-2-oxoethyl]amino]-5-methylphenoxy]ethoxy]-2-[(5-oxo-2-thioxo-4-i midazolidinylidene)methyl]-6-benzofuranyl]-,(acetyloxy)methyl ester)已经用作荧光团分析物。
已经测量几个样本的透射和吸收光谱。透射光谱已经通过使用将未加涂层玻璃引作参照的Agilent Cary 5000UV-VIS-NIR分光光度计获得，而发射光谱已经使用光纤耦合的Ocean Optics USB2000+光谱仪记录。
图3示出旋涂至分别2μm和5μm厚度的蓝色滤波器DybrightTM SOB 209和红色滤波器DybrightTM SOR 835的吸收光谱。如图3中所示，在分析物与有机光电二极管之间使用以拒斥激发光的红色滤色器截断低于570nm的光。蓝色滤色器已经用于放置在OLED与分析物之间以吸收否则可能通过红色滤色器的任何发射。
图4示出蓝色滤波器DybrightTM SOB 209对于蓝色OLED的发射的效果以及与FuraRedTM的吸收的重叠。
图5示出由蓝色滤波器滤波的来自OLED的变窄的发射如何降低通过红色滤波器DybrightTM SOR 835的在570至580nm附近的泄漏。
图6示出Fura RedTM发射如何由红色滤波器DybrightTM SOR835穿过。
图7示出滤波器阻挡泄漏通过传感器的激发光的程度，上面的曲线示出仅OLED和分析物存在，并且大信号到达光谱仪。对于中间的曲线，已经增加红色滤色器并且看到组合信号降了大约100倍。对于下面的曲线，也增加蓝色滤色器并且看到组合信号又降了10倍，并且可以看到信号的大部分是以大约650nm为中心的荧光团发射。两个滤色器一起已经截断背景信号近似1000倍，极大地增加信号噪声水平和检测极限。
在另一个示例中，已经研究在OLED与荧光团分析物之间使用两个滤波器的组合的效果。
除了已经根据上面的描述制备的蓝色滤色器(DybrightTM SOB209)和红色滤色器(DybrightTM SOR 835)之外，已经制备紫色滤色器。为此目的，已经制备0.1wt.-％Coomassie Violet R200(异名：Acid Violet 17；可从Sigma Aldrich Co.LLC获得)和1.4wt.-％聚乙烯吡咯烷酮(PVP)并且放置过夜以完全溶解。通过在紫色滤波器层将要沉积的区域周围使用硅胶圈固定基板而将紫色滤波器溶液固定在基板上，将基板放置在90℃的热板上，并且添加160μl/cm2溶液到硅胶圈内的部分，放置溶液达大约15分钟用于水蒸发以及基板干燥，并且去除硅胶圈。
紫色滤波器以及如上所述旋涂至1000nm(DybrightTM SOB209)和1300nm(DybrightTM SOR 835)的厚度并且交联的蓝色和红色滤色器中的每一个的透射率已经通过使用将未加涂层的玻璃引作参照的Agilent Cary 5000UV-VIS-NIR分光光度计来测量。另外，使用蓝色滤色器作为第一集成滤色器并且紫色滤色器作为第三集成滤色器而设置滤色器的透射率，其中紫色滤色器已经根据上面的描述沉积在蓝色滤色器基板上。
所测量的透射光谱在图8中描绘，图8例示紫色滤波器如何使得由蓝色滤色器透射的光信号的波长带进一步变窄。
因此，可以看出，本发明提供具有有利的高灵敏度和低检测极限的基于荧光的传感器。而且，它们可以以低成本生产并且允许在大量几何结构上的可应用性。
最后，传感器尺寸小并且允许容易制造传感器阵列。
一旦给出上面的公开内容，许多其它特征、修改和改进将对本领域技术人员变得明显。
Claims (15)
1.一种基于荧光的传感器，包括：有机发光二极管，用于发射激发光信号到荧光团分析物；有机光电二极管，用于检测由所述分析物发射的所述光信号；以及至少一个集成滤色器，布置在所述有机发光二极管与有机光电二极管之间并且已经通过溶液处理而沉积。
2.根据权利要求1所述的基于荧光的传感器，其中所述至少一个集成滤色器是通过溶液处理沉积的可交联滤色器成分的交联产物。
3.根据权利要求2所述的基于荧光的传感器，其中所述成分包括聚合物以及色素或者染料，以及可选地包括单体、光引发剂和/或粘合剂。
4.根据权利要求1至3中的任何一个所述的基于荧光的传感器，其中溶液处理包括喷墨印刷或者旋涂法。
5.根据权利要求1至4中的任何一个所述的基于荧光的传感器，其中所述至少一个集成滤色器位于所述有机发光二极管与所述荧光团分析物之间并且被配置为使得由所述有机发光设备发射的所述激发光信号的波长带变窄。
6.根据权利要求1至4中的任何一个所述的基于荧光的传感器，其中所述至少一个集成滤色器位于所述荧光团分析物与所述有机光电二极管之间并且被配置为阻挡由所述荧光团分析物透射的所述激发光信号。
7.根据权利要求1至6中的任何一个所述的基于荧光的传感器，其中所述传感器包括：
第一集成滤色器，位于所述有机发光二极管与所述荧光团分析物之间并且被配置为使得由所述有机发光二极管发射的所述激发光信号的波长带变窄，以及
第二集成滤色器，位于所述荧光团分析物与所述有机光电二极管之间并且被配置为阻挡由所述荧光团分析物透射的所述激发光信号，
所述第一集成滤色器和第二集成滤色器通过溶液处理而沉积。
8.根据权利要求1至7中的任何一个所述的基于荧光的传感器，其中所述传感器包括：
第一集成滤色器，位于所述有机发光二极管与所述荧光团分析物之间并且被配置为使得由所述有机发光二极管发射的所述激发光信号的波长带变窄，
第二集成滤色器，位于所述荧光团分析物与所述有机光电二极管之间并且被配置为阻挡由所述荧光团分析物透射的所述激发光信号，以及
第三集成滤色器，放置在所述第一集成滤色器与所述分析物之间并且被配置为使得由所述第一集成滤色器透射的所述光信号的波长带变窄，
所述第一集成滤色器、第二集成滤色器和第三集成滤色器通过溶液处理而沉积。
9.根据权利要求1至8中的任何一个所述的基于荧光的传感器，其中所述有机发光设备是具有微腔结构的有机发光二极管。
10.一种传感器阵列，包括多个根据权利要求1至9中的任何一个所述的基于荧光的传感器。
11.一种制造基于荧光的传感器的方法，所述基于荧光的传感器包括用于发射激发光信号到荧光团分析物的有机发光二极管、用于检测由所述分析物发射的所述光信号的有机光电二极管以及布置在所述有机发光二极管与有机光电二极管之间的至少一个集成滤色器，所述方法包括通过溶液处理沉积所述至少一个集成滤色器。
12.根据权利要求11所述的方法，包括步骤：
优选地通过喷墨印刷或者旋涂，将可交联滤色器成分沉积到基板上，以及
使得所述成分交联以形成所述集成滤色器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述可交联滤色器成分包括聚合物以及色素或者染料，以及可选地包括单体、光引发剂和/或粘合剂。
14.根据权利要求11至13中的任何一个所述的方法，其中所述至少一个集成滤色器被沉积到所述有机发光二极管上并且被配置为使得由所述有机发光设备发射的所述激发光信号的波长带变窄，和/或其中所述至少一个集成滤色器被沉积到所述有机光电二极管上并且被配置为阻挡由所述荧光团分析物透射的所述激发光信号。
15.根据权利要求11至14中的任何一个所述的方法，其中所述有机发光设备是具有微腔结构的有机发光二极管。
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