CN116710756A

CN116710756A - 光电子芯片

Info

Publication number: CN116710756A
Application number: CN202180087867.3A
Authority: CN
Inventors: 皮埃尔·图尔施曼; 丹尼尔·伯宁
Original assignee: Interherans Ltd
Current assignee: Interherans Ltd
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-09-05
Also published as: CN116670556A

Abstract

本发明涉及一种光电子芯片，其用于在将温度相关的过程可视化的情况下容纳试样并且具有载体层、薄层光导和薄层加热元件，其中薄层光导和薄层加热元件优选地设置在载体层的彼此相对置的侧上。

Description

光电子芯片

技术领域

本发明涉及一种用于在将温度敏感的过程可视化的情况下容纳试样的光电子芯片以及一种具有这种芯片的光学系统，尤其是用于全内反射显微术(TIRM)的显微镜。

背景技术

TIR显微术(全内反射显微术)优选地用于检查结构，所述结构非常靠近(对于可见光在0nm和200nm之间)表面，例如物镜载体、尤其光电子芯片的与试样接触的表面。这例如能够是荧光标记的分子或细胞膜中的或靠近所述细胞膜的散射中心、各个结合于表面的DNA分子或还有其他结构。与常规的显微术不同地，TIR显微术提供更好的信号分辨率的优点。所述更好的信号分辨率通过在常规的TIR显微术中或特别在光电子芯片的靠近表面的区域中选择性地照射覆盖玻璃的靠近表面的区域而产生。所述照射通过强度从表面指数式下降的场、也称作为消散场产生。由此，在靠近表面的信号和背景散射光之间生成高的对比度。

常规地，在TIR显微术中，使用具有非常高的数值孔径的物镜，以便确保将光，为了光学激励试样，以比临界角更平缓的角度，在覆盖玻璃和试样之间的边界面处全反射。照射几何形状、特别是消散场的指数式下降直接与光从物镜射出的角度相关。然而，用于设定所述角度的系统是非常温度敏感的并且观察场限制为数百μm²。一旦试样的温度从而通常还有物镜的温度仅以几摄氏度改变，试样照射就明显地改变。

然而，因为TIR显微术通常用于检查温度敏感的生物过程(例如用于确定在蛋白质和抗体或活细胞之间的结合亲和性)，所以对于获得可评估的数据而言在多个应用中重要的是，将试样设定于特定的温度。

发明内容

在该背景下，本发明的目的是，减少或甚至完全消除现有技术的问题。尤其地，本发明基于如下目的，实现一种设备，所述设备能够消除具有非常高的数值孔径的物镜的必要性并且能够实现可靠地且快速地将试样设定成期望的温度，以及能够实现观察直至数mm²的较大的观察场。

所述目的通过具有权利要求1的特征的光电子芯片和具有权利要求13的特征的光学系统来实现。本发明的有利的改进方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的光电子芯片用于在将温度相关的过程可视化的情况下容纳试样从而能够视作为物品载体。

这种光电子芯片具有载体层、光导(在下文中也称作为波导)，优选地薄层光导、和加热元件，优选地薄层加热元件，其中光导和加热元件优选地设置在载体层的彼此相对置的侧上。

如果在下文中使用术语薄层光导，那么应理解成，这仅反映一个优选的实施方式并且本发明也包括其他光导。如果在下文中使用术语薄层加热元件，那么应理解成，这仅反映一个优选的实施方式并且本发明也包括其他加热元件。

加热元件和/或光导优选地是光学透明的。

光学透明的材料在此优选地对于在人眼可见范围内的光是可穿透的，其中光穿过光学透明的材料的透射率优选地至少为0.5、尤其至少为0.8。光学不透明的材料在此优选地对于在人眼可见范围内的光是不可穿透的，其中光穿过光学不透明的材料的透射率优选地最大为0.49、尤其最大为0.3。

光导和/或加热元件能够直接设置在载体层的表面处或者与其经由一个或多个中间层间隔开。

此外，光导和/或加热元件和/或载体层能够分别构成为唯一的层或两个或更多个子层的复合件。

优选地，载体层完全地或至少部分地由不透明的或透明的材料、优选由Si或基于SiO2的玻璃或晶体构成。

载体层因此例如由玻璃、尤其硼硅玻璃构成，并且优选地设计用于给予光电子芯片机械稳定性。

此外，在载体层和薄层波导之间能够存在另外的透明层，所述另外的透明层具有比载体层更低的折射率，优选地在1.2和1.5之间的折射率。

根据本发明的一个实施方式，载体层完全地或至少部分地由半导体材料、优选由Si制成，并且优选地还在载体层和光导、优选薄层光导之间存在透明层，尤其分离层。

此外，薄层加热元件优选地与温度传感器、优选地呈薄层温度传感器的形式的温度传感器连接和/或配设有所述温度传感器，所述温度传感器优选地形成光电子芯片的表面的至少一个子区域，其中所述表面与试样直接地或间接地接触。

例如，在温度传感器的范围内，能够设有用于检测试样的温度的传感器层，所述传感器层优选地具有金属和/或由金属构成并且所述传感器层优选地至少部分地覆盖光电子芯片的外表面并且此外优选地设计用于与试样接触。

优选地，温度的测量借助于温度传感器在试样中的至少一个地点处进行，优选地在多个地点处进行，以便获得更可靠的测量值。

优选地，在温度传感器的范围内，使用四导体测量。

此外，光电子芯片优选地具有控制单元，以便基于借助于温度传感器检测的、关于试样温度的测量数据来开环控制和/或闭环控制薄层加热元件。

优选地，在本发明的范围内使用的薄层加热元件是电阻加热元件或者包括这种电阻加热元件。例如，能够使用在加热元件的范围内的碳纳米管。

为了确保要检查的颗粒和/或对象和/或分子可以靠近光电子芯片的表面从而在消散波的范围内定位，在实践中已经证实为有利的是，光电子芯片的外表面设计用于与试样接触，并且至少部分地或完全地具有表面改型部和/或表面官能化部，以便结合在试样中包含的分子(或其他颗粒和/或对象)，尤其生物分子。

表面官能化例如能够包含将表面设有特定的化学官能基团，例如羟基，以便将期望的分子等级有针对性地结合于表面。

此外，本发明涉及一种根据本发明的光电子芯片用于在将温度相关的过程可视化的情况下容纳试样的应用，其中将试样、优选地至少部分地液态的、固态的或凝胶状的试样施加到光电子芯片上，使得试样部分地或完全地覆盖薄层光导和优选地还有温度传感器的传感器层。根据本发明的芯片还能够与微流体系统一起使用。

例如，根据本发明的光电子芯片能够用于，在精确控制试样的温度时观察温度敏感的过程。根据本发明的光电子芯片此外能够用于检查过程的温度相关性，其方式为：在试样的不同的精确控制的温度下观察过程。

在本发明的范围内使用的试样优选地包含至少一个或多个颗粒和/或对象和/或分子，其能够和/或设立成与薄层光导的引导模式(也称作为式)交互作用。例如，分子通过由光导引导的或传导的光激发成荧光，将所述光转向和/或吸收光。

本发明的另一方面涉及一种光学系统，优选地显微镜，尤其优选地TIR显微镜，所述光学系统设计用于与根据本发明的光电子芯片一起使用。

根据本发明的光学系统优选地具有至少一个发射器，所述发射器为了光学激发而将光发出到薄层波导中，并且具有至少一个探测器，所述探测器检测由试样转向的和/或发出的、法向于薄层光导的平面的光。

通过所述构造，将用于激发试样的和用于探测光的光路物理地彼此分离，由此一般而言在光耦合输入到波导中或者在波导中引导光时产生的散射光和由于光的局部散射引起的散射光通过试样和背景光减少。这引起出自试样的期望的探测到的信号相对于由于测量构造引起的不期望的信号之间的改进的比值。

为了将光以对光波导的典型模式在其中引导，在两个光导之间优选使用耦合模块，如例如光栅耦合器、棱镜耦合器和/或直接的耦合机构。所述耦合模块用于将外部光引入到波导中。更高效的耦合模块能够提高在发射器和光导之间的交互的效率。

光导将激发的引导模式的光经由光电子芯片传导从而也通过试样的体积传导。

能够将由光导引导的光向回反射和/或耦合输出。对此，优选地同样使用耦合模块，如例如在两个光导之间的光栅耦合器、棱镜耦合器和/或直接的耦合机构。

同样可考虑的是，借助于附加的耦合模块引导同时通过光导传播的另一波长的光学模式、相同波长的不同的光学模式或其组合。在波导之内的交互和其探测能够用于高灵敏度地测量在芯片表面上的折射率。

优选地，在根据本发明的光学系统中，探测器是阵列探测器和/或光学系统是显微镜。

此外，本发明涉及一种根据本发明的光电子芯片和/或根据本发明的光学系统的应用，其用于确定在试样中包含的(有机的或无机的)颗粒或空间膨胀的材料的相过渡。所述相过渡例如能够包含生物分子、例如酶、蛋白质或脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)的改变。

本发明的另一方面涉及根据本发明的光电子芯片和/或根据本发明的光学系统的应用，所述应用在高通过量排序的范围内，优选基于对各个分子的分析。

本发明的又一方面涉及根据本发明的光电子芯片和/或根据本发明的光学系统的应用，其用于检查在至少一个蛋白质和至少一个抗体之间的与温度相关的结合亲和性。

此外，本发明涉及根据本发明的光电子芯片和/或根据本发明的光学系统的应用，其用于检查在温度控制条件下的活细胞和其与各个颗粒的交互作用。

在该处要注意的是，术语“一”和“一个”不强制性地表示刚好一个元件，尽管这是一个可能的实施方案，而是也能够表示多个元件。同样地，使用复数也不排除存在单个有关元件并且相反地单数也不排除多个有关元件。

附图说明

本发明的其他优点、特征和效果从在下文中参照附图对优选的实施例的描述中得出。在此示出：

图1示意地示出根据本发明的光电子芯片；

图2示意地示出根据本发明的光电子系统；

图3示出另一根据本发明的光电子芯片的横截面；和

图4示出图3中的根据本发明的光电子芯片的俯视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的光电子芯片1。芯片1具有在本设计方案中由透明的基于硅的材料构成的载体层2、薄层光导3和薄层加热元件4。薄层光导3和薄层加热元件4设置在载体层2的两个相对置的侧上。

在载体层2和薄层光导3之间设置有由透明材料构成的分离层5。

在光导3的背离载体层2的侧上设置有另一分离层6，所述另一分离层定位在光导3和金属的传感器层7之间，所述传感器层用于检测试样8的温度。在试样8中，在该视图中也包含颗粒10或还有其他对象，例如分子。

传感器层7在本设计方案中与未示出的控制单元连接，所述控制单元基于借助于传感器层7检测的数据来开环控制和/或闭环控制加热元件4。用于开环控制和/或闭环控制加热元件4的电子电路在图1中仅以基本结构的方式示出并且用附图标记9表示。

加热元件4能够在反馈模式中运行，其中温度传感器、尤其传感器层7的读取的数值用作为反馈参数。调节优选地以电子的方式发生。也存在如下可能性，不调节加热元件4或在没有反馈调节的情况下使用加热元件4。

图2示出光学系统，在所述光学系统中使用根据本发明的芯片1。芯片1在该视图中非常简化地绘制，仅示出载体层2和光导3。

光从未示出的用于激发光导3的发射器耦合输入到所述光导中。在图2中的视图中，光导3的被激发的引导模式(也称作为“guided mode”)的光从左向右通过光导3传播，如这在图2中通过借助连续的直线线条示出的箭头所示出。

非常靠近光导3的表面的颗粒10能够与光导3的起传播作用的引导模式的光相互作用，例如其方式为：颗粒吸收光或由光激发成荧光。例如，通过颗粒10能够将光转向、散射和/或反射，如这在图2中通过借助虚线线条示出的箭头所示出。

这样受颗粒10影响的且被转向的光例如能够借助于探测器11、例如成像系统检测。在此，以这种方式被检测的光的路径优选地相对于薄层光导3的平面法向地、即成直角地从而也相对于光导3的被激发地引导的模式的传播方向法向地或成直角地伸展。

用于激发光导3的光路(在图2中从左向右)和用于检测试样8或颗粒10的光的光路(在图2中上方和下方)因此在该设计方案中空间上彼此分离并且优选地相对于彼此法向地、或换言之正交地伸展。

换言之，因此由试样相对于光导3的平面成直角地转向的光的空间分辨的检测从上和/或从下通过芯片1的载体层进行。由试样相对于光导3的平面成直角地偏转的光例如能够相对于光导的引导模式红移或蓝移或者也与所述引导模式共振。

试样和/或在其中包含的颗粒与由光导的引导模式引起的消散波相互作用，由此将引导模式的光例如散射、吸收或与以其他波长再发射。

此外，借助于光探测器12能够检测在光导3中在引导模式中传导的共振光和/或检测在光导3的引导模式中散射的光。在光导3的引导模式中散射的光例如相对于光导的引导模式红移或蓝移。

用于光学激发和探测的典型的方式，如在根据图2的系统的范围内所使用那样，在下文中被描绘：

光经由耦合模块发送或导入到波导模式中。耦合输入光的一部分能够被反射，光的另一部分能够通过模式透射。透射的光能够在第二耦合区域中被再次散射。

光的这两个部分能够经由光探测器探测并且例如用作为用于在波导中引导的光部分的强度稳定的反馈信号或调节参数。为了这种强度稳定，波导模式的在耦合输入区域中反射的光和/或在耦合输出区域中透射的光能够用作为反馈信号，以便稳定或可控地改变波导中的光的强度。对此，根据本发明的芯片能够具有对应地配置的控制装置。

光能够经由多于一个耦合输入模块耦合输入到波导中。替选地或附加地，光也能够以不同的极性、波长、传播方向等同时地或顺序地耦合输入。经由耦合区域散射的光此外能够用于分析试样体积。

颗粒10(或生物分子)能够与经由消散光部分的引导模式交互作用(有源的试样区域)。通过颗粒散射的光(荧光和/或直接的散射光)能够经由一个或两个光学系统或探测器11地点分辨地探测，所述光学系统或探测器优选地处于光电子芯片之上或之下。通过颗粒10也能够将散射的光耦合输入到波导模式中并且经由耦合模块散射从而探测。

图3示出本发明的另一实施方式。尤其地，图3示出光电子芯片1的横截面，其中具有层和层厚度的示例性设置方式。有源区域14通过保护层12限定，所述保护层在该实施方式中绝热地终止(原则上也考虑不绝热的过渡)。保护层12的绝热的转变部用附图标记13表示。仅芯片1的有源区域14与试样体积形成接触。

保护层12具有比波导3更低的折射率，优选地，保护层的折射率在可见范围内位于1.3至1.5的范围内。

从保护区域或保护层12的背离有源区域14或与有源区域14间隔开的区域朝向有源区域14的绝热的转变部13能够实现模式过渡，而不产生散射光和/或没有光功率的损失，与试样体积的折射率无关。

此外，保护层12防止在耦合输入区域中出现污染和穿过用于在光电子芯片上或在光电子芯片中容纳芯片的可能的可选的容器或通道的散射光。在图3中示出的设置方式中，试样能够简单地容纳在通过有源区域14形成的凹部中。

加热元件4能够设置在芯片1的与有源区域14相反的侧上。替选地或附加地，加热元件4能够在分离层5和载体层2之间存在。在芯片中也能够设有多个加热区域。

温度传感器或至少其传感器层7能够设置在分离层5和载体层2之间。原则上，传感器或至少其传感器层7也能够设置在芯片1的另一部位处，在此然而原则上要注意的是，温度传感器和/或其组成部分不处于波导3的消散场中。

温度传感器或传感器层7、分离层5和保护层12是可选的。在根据本发明的光电子芯片的范围内使用的层的典型的层厚度在下文中被描绘：保护层12(可选)：100nm-1000nm，优选300nm-800nm，波导层3：50nm-1000nm，优选75nm-250nm，分离层5(可选)：100nm-1000nm，优选100nm-800nm，载体层2：150μm-1000μm，优选170μm-500μm，加热元件4：5nm-100nm，优选10nm-50nm。在图3中示出的芯片1具有5mm-30mm的宽度(在图3中从右向左的尺寸)。

图4示出图3中的光电子芯片的俯视图。在图4中示出的芯片1具有5mm-30mm的宽度(在图4中从右向左的尺寸)和40mm-100mm的长度(在图4中的从上向下的尺寸)。一个或多个耦合区域15能够实现将光耦合输入到引导波导模式中和从引导波导模式中耦合输出。在图4中示出的实施方式中示出在芯片1的彼此相对置的端部处的两个耦合区域15。

耦合区域15和波导3优选地由保护层12遮盖并且仅在有源区域14中露出波导层3并且能够直接与试样体积形成接触。波导层3能够部分地或完全地化学官能化。有源区域14优选地具有0.01mm²-25mm²的面积并且光电子芯片1的总面积优选地为25mm²-2000mm²。

本发明提供显著的技术优点，尤其下面的优点：

本发明能够实现观察大的光学观察场。尤其地，通过分离激发路径和探测路径在技术上可能的是，光学地激发较大的试样区域或有源区域。传统的TIR系统照射通常数10^- ³mm²的试样区域，而本发明能够实现直至数mm²的范围内的面积的光学激发。这开启高度并行地探测大量生物分子的新的可能性。此外，本发明能够实现，光学地激发或观察较复杂的生物系统，如细胞或细胞堆。

此外，根据本发明的光电子芯片与传统的TIR系统相比提供试样区域或有源区域的均匀的照亮。

信号背景比也借助根据本发明的光电子芯片改善。这种光电子芯片与传统的TIR系统相比提供大幅减小的散射光背景，因为没有将激发的光场传导穿过探测光学装置。

此外，本发明提供如下优点，通过巧妙地选择光导层参数和光的波长能够在大的范围内改变消散场到试样体积中的进入深度。所述进入深度能够根据层特性和试样特性和光的波长，从几十nm直至数百nm改变。

此外，通过经由光导模式的光学激发不再需要使用具有高的数值孔径的物镜，因为光的必需的入射角通过波导模式支持。使用浸渍介质对于实现全内反射的条件而言也不再是必需的，这大幅改进用户友好性。

此外，通过借助于根据本发明的芯片局部加热试样体积能够非常快地设定试样的温度。根据本发明，直至100℃/s的加热率是可行的。因为仅加热小的试样体积，所以热容是小的并且环境已经能够实现将试样以大于-20℃/s的(逐渐)冷却率快速地冷却到环境温度。

用于宏观温度调控的常规方式附带各种缺点，如例如长的平衡时间、热漂移、变差的光学成像特性等，本发明克服了所述缺点。

此外，通过将薄层温度传感器集成到光电子芯片中，加热元件的直接的反馈调节是可能的。以所述方式确保试样体积的高精度的且动态的温度调控。

光电子芯片关于光学激发和热学变化的高的敏感性此外能够实现相过渡的量热探测。

通过将高敏感性的激发、加热元件和可选的温度传感器集成到光电子芯片中，还能够大幅降低整个系统的大小和复杂性。

因为光电子芯片不具有可运动元件，所以避免了整个系统的机械磨损或震动并且优化了系统的机械稳定性。

光电子芯片的构造此外原则上与微流体通道兼容。尤其地，使用具有与有源试样区域的绝热过渡部的保护层确保激发系统的功能，而当试样体积的折射率低于波导的模式指数时，这与所述试样体积的折射率无关，和/或这与可能的试样容器或通道无关，所述试样容器或通道处于光电子芯片上或光电子芯片中。

Claims

1.一种光电子芯片，其用于在将温度相关的过程可视化的情况下容纳试样，所述光电子芯片具有载体层、薄层光导和薄层加热元件，其中所述薄层光导和所述薄层加热元件在所述载体层的彼此相对置的侧上或在载体层的同一侧上设置。

2.根据权利要求1所述的光电子芯片，

其特征在于，

所述载体层完全地或至少部分地由不透明的或透明的材料构成，优选地由Si或基于SiO2的玻璃或晶体构成。

3.根据权利要求1或2所述的光电子芯片，

其特征在于，

在所述载体层和所述薄层波导之间存在另外的透明层，所述另外的透明层具有比所述载体层更小的折射率，优选在1.2和1.5之间的折射率。

4.根据权利要求3所述的光电子芯片，

其特征在于，

所述另外的透明层由聚合物或无定形的或结晶的材料构成。

5.根据上述权利要求中任一项所述的光电子芯片，

其特征在于，

所述薄层加热元件配设有温度传感器、优选地呈薄层温度传感器的形式的温度传感器，并且优选地还存在控制单元，以便基于借助于所述温度传感器检测的测量数据来开环控制和/或闭环控制所述薄层加热元件。

6.根据上述权利要求中任一项所述的光电子芯片，

其特征在于，

加热元件是光学透明的和/或由铟锡氧化物化合物构成。

7.根据上述权利要求中任一项所述的光电子芯片，

其特征在于，

所述薄层加热元件是电阻加热元件或者包括电阻加热元件。

8.根据上述权利要求中任一项所述的光电子芯片，

其特征在于，

还设有传感器层，所述传感器层优选地具有金属和/或由金属构成，并且所述传感器层优选地至少部分地覆盖所述光电子芯片的外表面并且还优选地设计用于与所述试样热学接触。

9.根据权利要求8所述的光电子芯片，

其特征在于，

借助于在所述传感器层和所述加热元件之间的反馈系统进行温度调控。

10.根据上述权利要求中任一项所述的光电子芯片，

其特征在于，

所述光电子芯片的设计用于与试样接触的外表面至少部分地或完全地具有表面改性部和/或表面官能化部，以便结合包含在试样中的分子、尤其生物分子。

11.一种根据上述权利要求中任一项所述的光电子芯片的应用，所述光电子芯片用于在将温度敏感的过程可视化的情况下容纳试样，其中将试样、优选至少部分地液态的、固态的或凝胶状的试样施加到所述光电子芯片上，使得所述试样部分地或完全地包围所述薄层光导。

12.根据权利要求11所述的应用，

其特征在于，

所述试样包含至少一个或多个颗粒，所述颗粒能够和/或设计成与所述薄层光导的引导模式交互作用。

13.一种光学系统，优选地显微镜，所述光学系统设计用于，与根据上述权利要求中任一项所述的光电子芯片一起使用，所述光学系统具有至少一个发射器或散射器，所述发射器或散射器，为了光学激励所述试样，将光平行于所述薄层光导的表面发出，并且所述光学系统具有至少一个探测器，所述探测器检测由所述试样转向的、法向于所述薄层光导的平面的光。

14.根据要求13所述的光学系统，

其特征在于，

所述探测器是阵列探测器和/或所述光学系统是显微镜。

15.一种根据权利要求1至10中任一项所述的光电子芯片和/或根据权利要求13或14所述的光学系统的应用，其用于确定在所述试样中包含的各个颗粒的熔点，所述颗粒优选是生物学分子、例如酶、蛋白质或脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)，或者在高通过量序列的范围内基于对各个分子的分析或者用于检查在至少一种蛋白质和至少一个抗体之间的与温度相关的结合亲和性或者用于在温度可控条件下检查活细胞。