KR20210042913A - 일회용 진단 멤브레인 및 영구 포토닉 감지 장치를 포함하는 광학 바이오센서 - Google Patents

일회용 진단 멤브레인 및 영구 포토닉 감지 장치를 포함하는 광학 바이오센서 Download PDF

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KR20210042913A
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벤자민 엘. 밀러
마이클 브라이언
다니엘 스테이너
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유니버시티 오브 로체스터
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Abstract

본 발명은 포토닉 감지 장치(20), 다공성 재료 시트(60) 및 광학적으로 투명한 커버 층(70)을 갖는 바이오센서(10)에 관한 것이다. 광학적으로 투명한 커버 층(70)은 탈착 가능 및 교체 가능할 있으며, 이에 의해 다공성 재료 시트(60)는 교체될 수 있으며, 포토닉 감지 장치(20)는 재사용될 수 있다. 바이오센서(10)를 포함하는 검출 장치들뿐만 아니라 바이오센서(10)의 제조 및 사용 방법들도 개시된다.

Description

일회용 진단 멤브레인 및 영구 포토닉 감지 장치를 포함하는 광학 바이오센서
본 출원은 2018년 8월 17일자로 출원된, 미국 임시 특허 출원 일련 번호 제62/719,499호의 우선권 혜택을 주장하며, 이는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
기술분야
본 개시는 바이오센서, 바이오센서를 포함하는 검출 장치, 생물학적 분자를 검출하는 방법 및 바이오센서의 제조 방법에 관한 것이다.
다용성과 낮은 비용으로 인해 종이 기반 진단의 사용에 큰 관심이 있다. 그러나, 종이 형식의 정량적 진단 테스트를 구현하는 것은 매우 어려우며, 분석 감도도 문제이다. 그에 반해, 실리콘 광소자는 뛰어난 감도를 갖는 동시에 다중(다중 분석물) 검출 기능도 가능하게 하는 것으로 입증되었다. 비용은 실리콘 포토닉스에서 중요한 문제이다.
예로서, Bearman 등("Bearman")의 미국 특허 번호 제7,019,847호는 링 간섭계, 감지량이 되는 링 간섭계의 체적 단면, 링 간섭계에 광을 공급하기 위한 레이저 및 간섭계로부터 광을 수신하기 위한 광검파기를 포함하는 바이오센서를 기술하고 있다. 포획 분자들을 포함하는 졸 겔은 링 간섭계를 형성하는 링 공진기 위에 증착된다. 그러나, Bearman에서는 바이오센서를 재사용할 수 있거나 졸 겔이 제거되고 새로운 졸 겔이 증착될 수 있다는 기재가 없다. 따라서, 일단 졸 겔이 사용되거나 재생이 불가능하면, 전체 바이오센서가 사용할 수 없게 된다.
Bearman은 현재 통합된 포토닉 센서 기술의 상당한 결함: 포획 분자를 운반하는 매우 저렴한 일회용 멤브레인과 영구 또는 반영구 포토닉 센서를 페어링하기 위한 신뢰할 수 있는 시스템의 부재를 예로 든다.
본 발명은 당업계의 이들 및 다른 결함들을 극복하는 것에 관한 것이다.
제1 측면은 기판과, 기판 상에 또는 내에 형성된, 광에 노출 시 광학 신호를 생성하기에 적합한 3차원 구조를 포함하는 포토닉 감지 장치; 및 광 신호를 생성하기에 적합한 3차원 구조를 덮는 다공성 재료 시트로서하며, 다공성 재료 시트는 하나 이상의 포획 분자들을 포함하는, 상기 다공성 재료 시트 커버 층과 3차원 구조를 포함하는 포토닉 감지 장치의 일부 사이에 다공성 재료 시트가 있는 포토닉 감지 장치에 연결된 광학적으로 투명한 커버 층을 포함한다.
제2 측면은 본원에 설명된 바와 같은 바이오 센서, 포토닉 감지 장치를 조명하는 광원, 및 포토닉 감지 장치에 의해 방출된 광을 측정하도록 위치된 광검파 장치를 포함하는 검출 장치에 관한 것이다.
제3 측면은 생물학적 분자를 검출하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 본원에 개시된 바와 같은 바이오센서를 제공하며, 다공성 재료 시트와 접촉하도록 액체 샘플을 도입하는 단계; 및 포토닉 감지 장치에 의해 방출된 광의 변화를 측정하는 단계로서, 포토닉 감지 장치에 의해 방출된 광의 변화는 하나 이상의 포획 분자들에 의한 생물학적 분자의 결합을 나타내는, 상 측정하는 단계를 포함한다.
제4 측면은 바이오센서를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 기판과, 기판 상에 또는 내에 형성된, 광에 노출 시 광학 신호를 생성하기에 적합한 3차원 구조를 포함하는 포토닉 감지 장치를 제공하는 단계; 다공성 재료 시트를 기판 상에 설치하는 단계로서, 시트는 광학 신호를 생성하기 위한 3차원 구조를 포함하는 포토닉 감지 장치의 일부를 덮고, 다공성 재료 시트는 하나 이상의 포획 분자들을 포함하는, 상기 설치하는 단계; 및 다공성 재료 시트 위에 광학적으로 투명한 커버 층을 설치하는 단계로서, 다공성 재료 시트는 커버 층과 포토닉 감지 장치의 일부 사이에 존재하는, 상기 설치하는 단계를 포함한다.
본 출원은 검출 시스템의 생물학적 센서로서 포토닉 칩을 사용하는 동안 시약들(예를 들어, 특정 생물학적 포획 분자)을 위한 담체로 박막의 다공성 재료 시트, 예를 들어 종이를 사용함으로써 종이 진단 및 실리콘 포토닉스의 최상의 측면들을 통합하는 진단 분석 형식을 보여준다.
설명된 생물학적 센서들의 잠재적인 인점들은, 이에 제한되는 것은 아니나, (i) 단일 장치에서 수십 개의 분석을 동시에 수행할 수 있는 배열된 설계에 대한 편의성, (ii) 다양한 유형의 범위의 분석물들의 검출, (iii) 소량의 샘플 볼륨에 대해서만 요구, (iv) 바람직하게는 단 하나의 샘플 추가 단계만을 요구하는 운영의 단순성 (v) 간단한 판독값의 전달, (vi) 더 비싼 포토닉 감지 장치의 재사용성, (vii) 단일 장치로 무한한 수의 타겟 분자들을 검출하게 하는, 다양한 다공성 재료 시트를 갖는(하나 이상의 포획 분자들이 사전 로드됨) 포토닉 감지 장치의 사용, 및 (viii) 선택된 다공성 재료 시트에 따라, (예를 들어, 왁스 전사 인쇄를 통해) 종이에 유체 경로를 생성하기 위해 당업계에 알려진 방법들이 다공성 재료 시트에서 재구성 가능한 미소유체 공학을 가능하게 한다는 점을 포함한다.
이 간략한 요약은 본 발명의 본질을 빠르게 이해할 수 있도록 제공되었다. 이 요약에 명시된 것과 다른 추가 단계들 및/또는 다른 단계들이 사용될 수 있다. 개시된 방법들 및 제품들에 대한 보다 완전한 이해는 첨부된 도면들과 관련하여 다음 설명을 참조하여 얻어질 수 있다.
도 1a는 링 공진기가 있는 포토닉 칩, 다공성 시트 및 광학적으로 투명한 커버 층을 포함하는 바이오센서(10)의 분해 조립도이다. 도 1b는 조립된 바이오센서의 사시도이다.
도 2a는 링 공진기가 있는 포토닉 칩, 다공성 시트, 광학적으로 투명한 커버 층 및 클램핑 메커니즘을 포함하는 바이오센서(110)의 분해 조립도이다. 도 2b는 조립된 바이오센서(110)의 사시도이다.
도 3a는 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계가 있는 포토닉 칩, 다공성 시트 및 광학적으로 투명한 커버 층을 포함하는 바이오센서(210)의 분해 조립도이다. 도 3b는 조립된 바이오센서(210)의 사시도이다.
도 4a는 광결정 어레이가 있는 포토닉 칩, 다공성 시트 및 광학적으로 투명한 커버 층을 포함하는 바이오센서(310)의 분해 조립도이다. 도 2b는 조립된 바이오센서(310)의 사시도이다.
도 5a는 다공성 시트가 있는 포토닉 칩 및 회절 격자를 포함하는 광학적으로 투명한 커버 층을 포함하는 바이오센서(410)의 분해 조립도이다. 도 5b는 조립된 바이오센서(410)의 사시도이다.
도 6a는 아르키메데스 위스퍼링 갤러리 나선형 도파관이 있는 포토닉 칩, 다공성 시트 및 광학적으로 투명한 커버 층을 포함하는 바이오센서(510)의 분해 조립도이다. 도 2b는 조립된 바이오센서(510)의 사시도이다.
도 7a는 광자 요소가 있는 칩, 다공성 재료 시트, 커버 및 클램핑 메커니즘을 포함하는 바이오 센서(710)의 측면 입면도이다. 도 7b는 바이오센서, 광원 및 광검파 장치를 포함하는 검출기(810)의 측면 입면도이다. 도 7c는 광원으로부터의 광을 센서 칩 상의 유입구로 결합할 뿐만 아니라 센서 칩으로부터 출력된 광을 광검파 장치에 결합하는 광 섬유 케이블들을 갖는 바이오센서를 포함하는 검출기(910)의 측면 입면도이다.
도 8은 포토닉 칩 및 다공성 재료 시트를 포함하는 바이오센서(1010)의 개략적인 예시도이다. 좌측 패널은 바이오센서의 분해 조립도이다. 우측 패널은 조립된 바이오센서(1010)의 사시도이다.
도 9a 내지 9b는 나노퓨터 워터(좌측 클러스터들) 또는 자당 용액(우측 클러스터들)으로 포화된 멤브레인들에 대해 수집된 스펙트럼들이다. 도 9a는 나노퓨어 워터 스팩트럼이 0.559 nm(σ = 0.013 nm)의 평균 공진 파장 이동으로 1550.75 nm에서의 클러스터링된 공진 파장 및 1551.30 nm에서의 5% 자당을 나타냄을 도시한다. 도 9b는 나노퓨어 워터 스팩트럼이 0.662 nm(σ = 0.013 nm)의 평균 공진 파장 이동으로 1548.85 nm에서의 클러스터링된 공진 파장 및 1549.45 nm에서의 5% 자당을 나타냄을 도시한다.
도 10은 나노퓨어 워터(파란색)에 담근 니트로셀룰로오스 멤브레인들과 나노퓨어 워터(녹색)에 1% BSA 블록이 있는 500 μg/ml α-CRP 항체가 있는 니트로셀룰로오스 멤브레인들의 스펙트럼들을 도시한다. 그 결과 공진 파장 이동은 0.06 nm이다.
도 11은 단백질을 링 공진기로 전달하는 데에 니트로셀룰로오스의 스트립이 사용될 때 공진 주파수의 농도 의존적 변화를 도시한다. 5 μl의 BSA 스파이크 PBS가 니트로셀룰로오스 스트립에 적용되었다. 그래프(좌측 패널) 및 스펙트럼(우측 패널)은 각각 BSA 상대적 공진 이동, 및 BSA 스파이크 PBS 용액의 해당 공진 파장들을 보여준다.
도 12는 다중 링 공진기 장치에서 개별 링 공진기들에 의해 검출된 공기에 대한 공진 파장 이동을 보여주는 그래프이다. 두 개의 개별 측정치들(FSR, 자유 스펙트럼 범위)을 나타내는 두 개의 데이터 포인트들이 각 링에 대해 표시된다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 개시가 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 언급된 모든 특허들, 특허 출원들(공개 또는 미공개) 및 기타 간행물들은 그 전체가 참조로서 통합된다. 이 섹션에 명시된 정의가 본원에 통합되는 특허들, 출원들, 공개된 출원들 및 기타 간행물들에 명시된 정의와 상반되거나 아니면 일치하지 않는 경우, 이 섹션에 명시된 정의는 본원에 참조로서 통합되는 정의보다 우선한다.
본원에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "갖는(having)" 및 그 변형들의 사용은 그 뒤에 열거된 항목들 및 그 등가물들뿐만 아니라 추가 항목들을 포괄하는 것을 의미한다. 본원에 제공된 임의의 그리고 모든 예들 또는 예시적인 언어(예를 들어, "와 같은(such as)")의 사용은 실시예들을 더 잘 설명하기 위한 것이며, 달리 언급되지 않는 한 청구항들의 범위에 제한을 두지 않는다.
본원에서 그리고 첨부된 청구 범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "하나(a)", "하나(an)"및 "상기(the)"는 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상들을 포함한다. 유사하게, 복수형이 사용될 때 이는 문맥이 허용하는 한 단수형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, "하나(a)"또는 "하나(an)"은 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미한다. 따라서, "분석물" 또는 "생물학적 분자"에 대한 언급은 하나 이상의 분석물들 또는 생물학적 분자들을 지칭하고, "방법"에 대한 언급은 본원에 개시되고/되거나 당업자에게 공지된 동등한 단계들 및 방법들에 대한 언급을 포함한다.
본 개시 전반에 걸쳐, 청구된 주제의 다양한 측면들이 범위 형식으로 제시된다. 범위 형식의 설명은 단지 편의성과 간결성을 위한 것이며 청구된 주제의 범위에 대한 변경할 수 없는 제한으로 해석되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 범위에 대한 설명은 가능한 모든 하위 범위들뿐만 아니라 해당 범위 내의 개별 수치 값들을 구체적으로 개시한 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 값들의 범위가 제공되는 경우, 해당 범위의 상한 및 하한과 해당 언급된 범위의 임의의 다른 명시되거나 개입된 값 사이의 각각의 개입 값이 청구된 주제 내에 포함되는 것으로 이해된다. 이러한 더 작은 범위의 상한 및 하한은 독립적으로 더 작은 범위들에 포함될 수 있으며, 명시된 범위에서 특별히 제외된 제한에 따라 청구된 주제 내에 포함되기도 한다. 명시된 범위가 제한들 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는 경우, 포함된 제한들 중 하나 또는 둘 다를 제외한 범위도 청구된 주제에 포함된다. 이는 범위의 폭에 관계없이 적용된다.
본원에서 "약" 이라는 단어가 치수, 양 또는 농도 및 변동 계수와 관련하여 사용되는 경우, 이러한 변수들은 근사치이므로 본원에 명시된 수치의 ± 10 %, 예를 들어 ± 5 %, 바람직하게는 ± 2 % (예를 들어, ± 1 %) 변동될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본원에 사용된 바와 같이, "분석물" 또는 "타겟 분자" 라는 용어는 바람직하게 흡착(보유)되고 검출되는 샘플의 성분을 지칭한다. 이 용어는 샘플의 단일 구성 요소 또는 구성 요소 세트를 지칭할 수 있다. 분석물 또는 타겟 분자는 대부분의 경우 생물학적 분자일 수 있다.
한 측면은 기판과, 기판 상에 또는 내에 형성된, 광에 노출 시 광학 신호를 생성하기에 적합한 3차원 구조를 포함하는 포토닉 감지 장치를 포함하는 바이오센서에 관한 것이다. 바이오센서는 광 신호를 생성하기에 적합한 3차원 구조를 덮는 다공성 재료 시트를 포함하며, 다공성 재료 시트는 하나 이상의 포획 분자들 및 커버 층과 3차원 구조를 포함하는 포토닉 감지 장치의 일부 사이에 다공성 재료 시트가 있는 포토닉 감지 장치에 연결된 광학적으로 투명한 커버 층을 포함한다. 이러한 구성 요소들 각각은 하기에 논의된다.
일 실시예에서, 포토닉 감지 장치는 2D 광결정 어레이, 링 공진기, 마흐-젠더 간섭계, 토로이드 미세 공동, 브래그 반사기, 회절 격자, 플라즈모닉 도파관, 아르키메데스 위스퍼링 갤러리 나선형 도파관 또는 나노플라즈모닉 포어이다.
2D 광결정 어레이는 기판에 형성된 임의의 적절한 배열의 포어들을 가질 수 있다. 2D 광결정 어레이의 한 예는 Fauchet 등의 미국 출원 공개 번호 제2010/0279886호에 기재되어 있으며, 그 개시는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 광결정(또는 결정 어레이)은 강력한 광 제한을 제공하기 때문에 매력적인 감지 플랫폼이다. 이러한 결정은 저 굴절률 영역(예를 들어, 포어들)에서 전기장을 국지화하도록 설계될 수 있으며, 이는 포어 벽들에서 타겟된 생체 분자의 포착에 의해 생성되는 작은 굴절률 변화에 센서들을 매우 민감하게 만든다.
링 공진기는 전체, 분할, 단일 및/또는 다중 링 공진기 구성들을 포함하여 링 피처들 및 작동 도파관 표면들의 임의의 적절한 배열을 가질 수 있다. 링 공진기 검출기의 한 예는 PCT 공개 제WO 2013/053459호에 설명되어 있으며, 그 개시는 그 전체가 본원에 참조로서 본원에 통합된다. 이 유형의 포토닉 감지 장치는 링 내에서 전파되는 광파의 소산장에 의해 링의 표면이 스캔되므로 매우 민감하다. 현재, 링 공진기들은 선택적으로 작동하는 흡수체 표면으로 측정을 수행하는 데 사용되며, 이는 하나 이상의 포획 분자들로 라벨링되며 따라서 센서의 적절한 특이성에 중요한 역할을 한다. 작업 표면에서 타겟된 생체 분자의 포획은 링의 공진 상태가 달라지게 한다. 따라서, 링 공진기 주변 환경의 유효 굴절률은 타겟된 생체 분자의 포획 시 변경되어 공진 모드들의 파장들이 이동되도록 한다. 결합된 검출 도파관으로의 이동의 검출은 생체 분자의 존재를 나타낼 수 있다.
포토닉 감지 장치가 다중 링 공진기들을 포함할 때, 다중 링 공진기들 각각은 단일 버스 도파관에 직렬로 배열될 수 있다. 일 실시예에서, 포토닉 감지 장치는 버스 도파관에 광학적으로 결합된 제1 링 공진기 및 제2 링 공진기를 포함한다. 다른 실시에에서, 포토닉 감지 장치는 버스 도파관에 광학적으로 결합된 두 개 이상의 링 공진기들을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 포토닉 감지 장치는 버스 도파관들에 광학적으로 결합된 두 개 이상의 링 공진기들을 각각 갖는 두 개 이상의 버스 도파관들을 포함한다.
도파관은 내부 전반사(“TIR”)에 의해 광파를 안내하는 구조이다. 도파관을 이동하는 광선이 도파관과 낮은 굴절률을 갖는 인접 매체 사이의 계면에서 내부적으로 완전히 반사되면, TIR 광의 전자기장의 일부가 인접 매체로 얕게 침투한다. 바이오센서들의 설계에서 도파관들의 사용은 Reichert 등의 미국 특허 제5,814,565호를 포함하는 수많은 간행물들에 설명되어 있으며, 그 개시는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 도파관은 기판 표면에 제작될 수 있다. 대안으로, 도파관은 도파관의 양측에 트렌치들을 형성하기 위해 기판의 리세스 영역 내에 형성될 수 있다.
아르키메데스 위스퍼링 갤러리 나선형 도파관의 구성 및 설계 고려 사항들은 Chen 등의 “Design and Characterization of Whispering-gallery Spiral Waveguides,” Optics Express 22(5): 5196, DOI:10.1364/OE.22.005196 (2014)에 설명되어 있으며, 이는 그 전체가 참조로서 본원에 통합된다. 전형적인 설계는 두 개의, 인터리브 아르키메데스 모양의 나선들을 포함한다: 하나는 외부에서 내부로 광을 가져오고 다른 하나는 광을 외부로 반환한다. 인터리브 아르키메데스 나선들은 중앙의 S-벤드 연결 도파관에 의해 연결되어 시계 방향과 반시계 방향의 나선형 도파관들 사이에서 모드 위치의 단열 변화를 제공한다. 공진 반응의 변화는 타겟 분자 결합 시 발생할 것이며, 이는 도파관 외부의 굴절률을 변경하여 공진 반응을 변경한다.
제한없이, 미국 출원 공보 제20180209910호에 예시되고 설명된 유형의 슬래브 도파관들 미국 출원 공보 제20180106724호에 예시되고 설명된 유형의 평면 도파관들 및 미국 출원 공보 제20180031476호에 예시되고 설명된 유형의 교차 도파관 센서들을 포함한, 기타 도파관-함유 바이오센서들도 사용될 수 있으며, 그 개시들은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
초고품질 실리카 토로이드 미세 공동들은 원하는 구성, 예를 들어 링, 타원 또는 다각형 구성들을 가질 수 있다. 한 접근법에서, SiO2 디스크 캐비티는 예를 들어 열 이산화, 포토리소그래피 및 SiO2 에칭에 의해 실리콘 웨이퍼에 제조될 수 있다. 이산화물 층은 미크론 또는 서브미크론 레벨에 있을 수 있다. 다음으로, 실리콘 희생층은 Si 포스트를 형성하도록 언더컷된다. 등방성 및 이방성 에칭의 조합으로, 실리콘 포스트가 얻어질 수 있으며, 그런 다음 실리콘 포스트의 형태를 SiO2로 전송하고 원하는 구성의 매끄러운 토로이드 공동을 형성하기에 적합한 레이저로 SiO2가 노출된다. SiO2의 대안으로서, 다른 산화물 유리들이 사용되어 토로이드 미세 공동을 형성할 수 있다. 토로이드 미세 공동은 단일 또는 다중 미세공동 구조들을 포함하여, 미세공동과 작업 도파관 표면들 사이에 임의의 적절한 배열을 가질 수 있다. 토로이드 미세 공동들은 인접한 공진 파장들 사이의 거리를 늘리는 데 유용하다. 미세공동 센서 중 하나의 적절한 구조가 Armani 등의 미국 출원 공개 번호 제20090097031 A1호에 설명되고 예시되어 있으며, 그 개시는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 바이오센서에서 토로이드 미세 공동들의 사용에 대한 한 가지 예가 미국 출원 공개 번호 제20090093375호에 설명되고 예시되어 있으며, 그 개시는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
브래그 반사기는 하나 이상의 선명하게 정의된 발광 피크들을 갖는 반사율 이동을 감지하는 다양한 굴절률을 가진 둘 이상의 재료 층을 사용하는 센서 요소이다. 브래그 반사기를 포함하는 바이오센서는 Chan 등의 미국 특허 번호 제7,226,733호에 설명되어 있으며, 그 개시는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 상부 및 하부 브래그 반사기들의 주기성 및 설계는 임의의 적절한 구성을 가질 수 있다. 매크로포러스 또는 메조포러스 브래그 구조들이 사용될 경우, 포획 분자 위치를 브래그 구조들의 포어들로 제한할 수 있다. 분자 커플링을 포획하기 전에 하이드로겔 입자들로 외부 표면을 마스킹함으로써 브래그 구조의 외부 표면이 오히려 포어들에 제한될 수 있다.
회절 격자는 회절 격자에 화학적 또는 생물학적 종의 존재로 인해 발생하는 회절 효율의 변화를 이용하여 고정된 파장 및 감지 각도에서 작동한다. 다양한 적절한 회절 격자 구조들(채널 깊이, 폭 및 간격)의 어느 것도 사용될 수 있다. 전통적인 회절 기반 바이오센서들에서, 화학적 또는 생물학적 종들은 회절 격자의 상단 표면에 선택적으로 흡착되어, 격자 두께의 변화에 비례하여 회절 효율을 증가시킨다. 회절 격자들은 기판의 표면에 괘선이 있는 일련의 홈들을 포함하는 괘선 회절 격자일 수 있다. 한 예시적인 회절 격자 기반 센서 장치는 Weiss 등의 미국 특허 번호 제8,349,617호에 설명되어 있으며, 그 개시는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 또 다른 예시적인 회절 격자 센서 장치는 미국 출원 공개 번호 제20180073987호에 설명되고 예시되어 있으며, 그 개시는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
플라즈모닉 도파관은 특정 결합 이벤트를 결정하기 위해 광원들을 사용하는 것과 관련된 단점들을 나타내지 않는 여기들을 포함한다. 이러한 표면 플라즈몬 폴라리톤들 또는 플라즈모닉 모드 여기들, 즉 금속-유전체 계면에서의 전자기 여기들은 동일한 주파수의 광자들의 파장보다 훨씬 작은 구조들을 사용하여 유도될 수 있다. 다양한 표면 플라즈몬 공진("SPR")-바이오센서 구조들 중 어느 것이라도 본원에 설명된 바와 같이 바이오센서를 형성하는데 이용될 수 있다. 이러한 구조들은 감지 표면에 다양한 지형상 구조들 중 어느 것이라도 제공될 수 있다. 한 예시적인 플라즈모닉 도파관은 Brauer 등의 미국 특허 번호 제6,373,577호에 설명되어 있으며, 그 개시는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 또 다른 예시적인 플라즈모닉 도파관은 미국 출원 공개 번호 제20170090077호에 예시되고 설명되어 있으며, 그 개시는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
나노플라즈모닉 포어들은 공진 파장들에서 고유한 광 투과 특성들을 나타내는 이점들이 있다. 나노플라즈모닉 포어들을 포함하는 임의의 센서 구조가 본 발명에서 사용될 수 있다. 나노포어들은 금속 막(예를 들어, 금, 은, 백금)을 포함하는 서브마이크론 멤브레인에 형성된다. 나노포어들은 타겟 분자를 고려하여 최대 반응을 촉진하도록 치수가 맞춰질 수 있지만, 일반적으로 나노포어들은 직경이 250 nm 미만, 바람직하게는 150 nm 미만 정도이다. 나노포어 피처들 내에 결합된 포획 분자들은 나노포어 구조들 내에서 타겟 분자의 특정 결합을 허용한다. 구조의 플라즈몬 공진의 시간적 변화를 모니터링함으로써, 특정 생체인식 이벤트들의 플로우-스루 나노플라즈모닉 감지(즉, 타겟 분자의 검출)는 저용량 플로우 스루 장치에서 빠르게 달성될 수 있다. 예시적인 나노플라즈모닉 바이오센서는 O'Mahony의 미국 특허 공개 번호 제20120218550호; 및 Jonsson 등의, "Locally Functionalized Short-range Ordered Nanoplasmonic Pores for Bioanalytical Sensing", Anal. Chem. 82(5):2087-94 (2010)에 설명되어 있으며, 그 개시들은 그 전체가 본원에 참조로 통합된다.
다양한 기판들 중 어느 것이라도 본 발명에서 사용될 수 있음이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 기판들은 다양한 재료들 중 어느 것이라도 사용하여 형성될 수 있다. 예시적인 재료들은, 제한없이, 결정질 실리콘과 같은 실리콘, 비정질 실리콘 또는 단결정 실리콘, 이산화규소와 같은 산화물 유리들 및 폴리스티렌과 같은 폴리머들을 포함한다.
기판은 3차원 구조 내로, 위에 또는 이에 걸쳐 광을 결합하기 위한 유입구 및 3차원 구조로부터, 이를 통해 또는 이를 지나 광을 결합하기 위한 유출구를 제공하는 하나 이상의 통합 도파관들을 포함할 수 있다. 3차원 구조 당 단일 도파관이 있거나, 또는 3차원 구조 당 하나 이상의 도파관이 있을 수 있다. 기판과 통합된 도파관들의 구성은 당업계에 잘 알려져 있다.
다공성 재료 시트는 예를 들어 수용성 매체가 재료를 따라 또는 이를 통통해 이동할 수 있도록 충분히 다공성인 임의의 적합한 재료로 형성될 수 있다. 특정 실시예들에서, 다공성은 또한 타겟 분자들 및/또는 비공유 테더링된 포획 분자들이 재료을 통해 또는 이에 걸쳐 이동하도록 허용하기에 충분하다. 예시적인 재료들은, 제한없이, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌("PTFE"), 폴리비닐 플루오라이드, 에틸비닐 아세테이트, 폴리카보네이트, 폴리카보네이트 합금, 나일론, 나일론 6, 나일론 66, 유리, 다당류, 세라믹, 열가소성 폴리우레탄, 폴리에테르설폰, 폴리비닐리덴 플루오라이드('PVDF') 또는 그 유도체들을 포함한다.
적합한 다당류들은, 이에 제한되는 것은 아니나, 셀룰로오스 또는 셀룰로오스 유도체들, 예를 들어 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 니트로셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 또는 카르복시메틸 셀룰로오스의 디메틸아미드를 포함한다. 추가적인 적합한 셀룰로오스 유도체들은 미국 출원 공개 번호 제2012/0122691호에 설명되어 있으며, 이는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
다공성 재료 시트는 종이 또는 박막 멤브레인 형태일 수 있다. 특히, 멤브레인은 Sartorius, Millipore, Toyo Roshi, Whatman 등으로부터 시판되는 유리 섬유 여과지, 셀룰로오스 여과지 등일 수 있다. 일 실시예에서, 다공성 재료 시트는 PVDF 멤브레인 또는 PTFE 멤브레인이다. 합성 멤브레인들도 고려된다. 예를 들어, Hansson 등의 "Synthetic Microfluidic Paper: High Surface Area and High Porosity Polymer Micropillar Arrays,"Lab Chip 16(2):298-304 (2016)를 참조하며, 이는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
다공성 재료 시트는 매크로포러스, 메조포러스 또는 마이크로포러스일 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "매크로포러스" 라는 용어는 50 nm보다 큰 직경들을 갖는 한정된 포어들을 포함하는 매트릭스를 지칭하고; "메조포러스" 라는 용어는 중간 범위의 직경이 2 내지 50 nm인 한정된 포어들을 갖는 매트릭스를 포함하는 재료를 지칭하고; "마이크로포러스" 라는 용어는 2 nm 미만의 직경들을 갖는 한정된 포어들을 갖는 매트릭스를 지칭한다.
다공성 재료 시트는 의도된 용도에 따라 임의의 적절한 두께일 수 있지만, 바람직하게는 약 180 마이크론 미만, 더 바람직하게는 약 100 내지 약 180 마이크론 사이이다. 일 실시예에서, 종이는 적어도 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160 또는 170 마이크론의 두께이다. 일반적으로, 두께는 원하는 다공성 구조(즉, 높은 다공성 구조들이 낮은 다공성 구조들보다 두꺼울 것임)뿐만 아니라 검출되는 광의 파장에 따라(즉, 더 짧은 파장의 광에 사용되는 구조들이 더 긴 파장의 광에 사용되는 구조들보다 더 얇을 수 있음) 역으로 변할 것이다.
다공성 재료 시트는 포토닉 감지 장치의 기판 상에 또는 기판 내에 형성된 3차원 구조 바로 위에 적어도 부분적으로 위치되는 다양한 구역들을 포함할 수 있다. 예로서, 포토닉 감지 장치의 기판 상에 또는 기판 내에 형성된 3차원 구조가 하나 이상의 링 공진기들을 포함할 때, 다공성 재료 시트는 하나 이상의 링 공진기들 각각의 바로 위에 적어도 부분적으로 위치된 하나 이상의 구역들을 포함한다.
일 실시예에서, 다공성 재료 시트는 하나 이상의 포획 분자들을 포함하는 제1 구역 및 대조군 포획 분자를 포함하는 제2 구역을 포함한다. 다른 실시예에서, 다공성 재료 시트는 (i) 각 테스트 구역이 하나 이상의 포획 분자들을 포함하는 다중 테스트 구역들 및 (ii) 각 참조 구역이 대조군 포획 분자를 포함하는 하나 이상의 참조 구역들을 포함한다. 이 방식으로, 다공성 재료 시트는 포획 분자들이 위치되는 사이트(또는 "스폿") 어레이를 제공할 수 있다. 각 스폿은 검출을 위해 최적화된 하나 이상의 포획 분자들의 임의의 적합한 농도를 포함할 수 있지만, 일반적으로 나노몰, 마이크로몰 또는 피코몰 양의 하나 이상의 포획 분자들이 스폿들 각각에 존재한다.
고체 표면들에 포획 분자들을 적용하는 방법은 당업계에 잘 알려져 있으며 접촉 및 비접촉 인쇄 기술들의 사용을 포함한다. 적합한 접촉 인쇄 기술들은 예를 들어 솔리드 핀 인쇄, 분할 핀 인쇄, 모세관 인쇄 및 마이크로 스폿 인쇄가 포함한다. 적합한 비접촉 인쇄 기술들은 예를 들어 압전 인쇄 및 주사기-솔레노이드 인쇄를 포함한다. 이러한 동일한 기술들은 하나 이상의 포획 분자들을 원하는 위치들 또는 구역들에서 다공성 재료 시트에 적용하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 다공성 재료 시트는 프린터, 예를 들어 레이저 또는 잉크젯 프린터를 사용하여 다양한 물질들로 종이 층들을 코팅함으로써 제조될 수 있다. 프린터는 다공성 재료 시트에 불투수성 코팅을 형성하는 데 사용될 수 있다. 프린터에 의해 생성된 토너 또는 기타 물질들은 열 접착제로 사용되어 다공질 재료의 3D 시트를 만들기 위해 다수의 종이 층들을 결합할 수 있다.
상기에 언급된 바와 같이, 본 발명의 측면들은 종이를 사용하여 구현될 수 있다. 종이 사용의 잠재적 이점들은 다음과 같다: 종이는 저렴하고, 모세관 작용으로 유체를 흡수하며, 시약을 고정하고 보관하기 위한 넓은 표면적을 제공할 수 있다.
원하는 경우, 다공성 재료 시트는 소수성 장벽들에 의해 경계 지어진 친수성 채널들 및 테스트 구역들의 네트워크로 종이를 패턴화함으로써 제조될 수 있다. 패터닝 프로세스는 바람직하게는 채널들의 폭과 길이를 정의하고, 종이 두께는 바람직하게는 채널의 높이 및/또는 시간적 측면들을 정의한다. 이는 예를 들어 소수성 및/또는 기타 물질들을 종이에 직접 인쇄함으로써 달성될 수 있다. 특히, 특정 레이저 및/또는 잉크젯 프린터들은 왁스, 젤라틴 및/또는 기타 물질들을 저렴한 비용으로 종이에 직접 증착 및/또는 사전 증착할 수 있다. 물질들의 증착을 위한 기타 기술들이 사용될 수 있다.
예를 들어, 장치들의 설계는 먼저 컴퓨터에서 준비될 수 있고, 그런 다음 패턴이 왁스, 젤라틴 및/또는 기타 물질로 시중에서 판매하는 프린터를 사용하여 종이에 인쇄될 수 있으며, 그런 다음 종이는 재료(들)가 리플로우되고 종이 두께에 걸쳐 소수성 장벽들을 생성하도록 용융점 이상의 온도로 가열될 수 있다. 장치가 제작되면, 시약들은 시약(들)의 용액(들)을 장치에 적용하고 시약(들)을 운반하는 관련 용매(들)를 증발시킴으로써 장치들에 로드될 수 있다.
종이의 개별 층들을 패턴화하는 것 외에도, 패턴화된 종이의 다수의 층들을 적층하는 것이 가능할 수 있다.
하나 이상의 포획 분자들을 부착하기 위한 이용 가능한 전략들은, 제한없이, 포획 분자를 다공성 재료 시트에 공유 결합시키고, 포획 분자를 다공성 재료 시트와 이온 결합시키고, 포획 분자를 다공성 재료 시트에 흡착시키는 것 등을 포함한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 포획 분자들은 다공성 재료 시트에 공유 결합으로 부착된다. 이 실시예에 따르면, 하나 이상의 포획 분자들은 별도의 위치들에서 다공성 재료 시트에 공유 결합으로 부착된 복수의 포획 분자들을 포함한다.
포획 분자들을 종이 및 다른 박막 멤브레인들에 공유 결합적으로 부착하는 것은 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 그 개시들이 그 전체가 본원에 참조로서 통합된, Kong 등의 “Biomolecule Immobilization Techniques for Bioactive Paper," Anal. Bioanal. Chem. 403:7-13, DOI:10.1007/s00216-012-5821-1 (2012); Su 등의 “Adsorption and Covalent Coupling of ATP-Binding DNA Aptamers onto Cellulose,” Langmuir 23:1300-1302 (2007); Bohm 등의 “Covalent attachment of enzymes to paper fibers for paper-based analytical devices," Front. Chem. 6:214 (2018); Holstein 등의 “Immobilizing affinity proteins to nitrocellulose: a toolbox for paper-based assay developers," Anal. Bioanal. Chem. DOI 10.1007/s00216-015-9052-0 (2015)을 참조하라.
광학적으로 투명한 커버는 예를 들어, 유리, 석영 또는 플라스틱과 같은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 광학적으로 투명한 커버는 용융 실리카 유리 또는 합성 실리카 유리(예를 들어, 알루미노실리케이트 유리, 붕규산 유리 및 소다 석회 유리)이다.
광학적으로 투명한 커버는 소수성 표면, 친수성 표면, 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광학적으로 투명한 커버는 소수성 표면과 친수성 표면을 제공한다. 친수성 표면은 다공성 재료 시트에 직접 인접하게 위치될 수 있다. 소수성 표면은 다공성 재료 시트 반대편에 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 광학적으로 투명한 커버 층은 탈착 및 교체가 가능하므로, 다공성 재료 시트는 교체되고 바이오센서가 재사용될 수 있다.
커버 층 및 사용된 다공성 재료 시트의 제거, 기판 및 커버 층의 세척 (및 건조), 새로운 다공성 재료 시트를 사용한 바이오센서의 재조립을 용이하게 하기 위해, 바이오센서는 (i) 커버 층과 포토닉 감지 장치의 일부 사이의 다공성 재료 시트를 압축하는 클램핑 메커니즘 또는 (ii) 광학적으로 투명한 커버 층의 일부들을 포토닉 감지 장치의 기판에 직접 연결하는 접착제 층을 더 포함할 수 있다.
클램핑 메커니즘은 기계적 잠금 장치들, 패스너들, 나사들, 또는 둘 이상의 구성 요소들을 함께 고정하기 위해 당업계에 알려진 임의의 다른 피처들을 포함할 수 있다. 이 실시예에 따르면, 광학적으로 투명한 커버 층은 대응하는 포토닉 감지 장치의 기판의 리세스들과 정렬되도록 설계되는 그 주변 주위에 위치되는 복수의 관통 홀들을 포함할 수 있다. 광학적으로 투명한 커버 층의 관통 홀들 및 기판의 리세스들은 장치(즉, 기판 및 커버 층) 주변에 위치된 나사산 볼트들 또는 기계 나사들을 수용하도록 설계될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "스프링 클립들"은 스프링 장력을 통해 삽입된 구성 요소들을 잡는 패스너들이다. 일 실시예에서, 클램핑 메커니즘은 바이오센서의 주변에 위치된 스프링 클립들(즉, 포토닉 감지 장치, 다공성 재료 시트 및 광학적으로 투명한 커버 층)을 포함한다.
일 실시예에서, 접착제 층은 포토닉 감지 장치, 광학적으로 투명한 커버, 또는 둘 다의 재사용을 가능하게 하는 데 적합하다. 이 실시예에 따르면, 접착제 층은 양면 테이프 또는 광학적으로 투명한 커버 층에 적용된 접착제 층의 형태이다. 커버 층이 접착제를 포함하는 경우, 조립(또는 재조립) 동안 다공성 재료 시트가 접착제 층과 포토닉 감지 장치의 기판 사이의 접촉을 방해하지 않도록 주의해야 한다.
본 발명의 추가 측면은 바이오센서를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 광에 노출 시 광학 신호를 생성하기에 적합한 3차원 구조를 포함하는 기판을 포함하는 포토닉 감지 장치를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 다공성 재료 시트를 기판 상에 설치하는 단계로서, 시트는 광학 신호를 생성하기위한 3차원 구조를 포함하는 포토닉 감지 장치의 일부를 덮고, 다공성 재료 시트는 하나 이상의 포획 분자들을 포함하는, 상기 설치하는 단계; 및 다공성 재료 시트 위에 광학적으로 투명한 커버 층을 설치하는 단계로서, 다공성 재료 시트는 커버 층과 포토닉 감지 장치의 일부 사이에 존재하는, 상기 설치하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 기판 시트, 다공성 재료 시트 및 광학적으로 투명한 커버 층은 다공성 재료 시트가 기판 및 광학적으로 투명한 커버 층에 대해 고정되도록 클램핑 메커니즘을 사용하여 함께 끼워진다. 이 실시예에 따르면, 다공성 재료 시트는 클램핑 메커니즘과 접촉하지 않는다.
바이오센서의 특정 실시예들은 도 1 내지 6과 관련하여 하기에 설명된다. 그러나, 도 1 내지 6에 예시된 실시예들은 예시적인 것이며, 상기에 설명된 유형의 상이한 포토닉 감지 장치들을 수용하도록 수정될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1a 내지 1b는 포토닉 칩(20), 다공성 재료 시트(60) 및 광학적으로 투명한 커버 층(70)을 포함하는 바이오센서(10)를 예시한다. 포토닉 칩(20)은 기판(30)을 포함하고 기판에 형성된 버스 도파관(40)이 링 공진기(50)에 광학적으로 결합된다.
도 2a 내지 2b는 포토닉 칩(120), 다공성 재료 시트(160), 광학적으로 투명한 커버(170)를 포함하는 바이오센서(110)를 예시한다. 포토닉 칩(120)은 링 공진기(150)에 광학적으로 결합된 버스 도파관(140) 및 각 코너에 위치된 홀들(135)을 포함하는 기판(130)을 포함한다. 광학적으로 투명한 커버(170)는 각 모서리에 위치된 홀들(175)을 포함하며, 이는 기판(130)의 홀들(135)과 정렬되도록 의도된다. 함께, 홀들(135 및 175)은 홀들(135)이 적절하게 나사 조임되거나 나사산이 있는 암수 구성 요소들을 결합하는 경우 복수의 기계 나사들의 형태를 취할 수 있는 클램핑 메커니즘(180)을 수용한다.
도 3a는 포토닉 칩(220), 다공성 재료 시트(260) 및 광학적으로 투명한 커버(270)를 포함하는 바이오센서(210)의 분해 조립도이다. 포토닉 칩(220)은 기판에 형성된 링 공진기 결합된 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 기판(230)을 포함한다. 포토닉 칩(220)은 기준 도파관(254)과 감지 도파관(256) 사이에서 광학 신호를 분할하는 스플리터(252)에 결합되는 입력 도파관(250)을 포함한다. 기준 도파관(254)은 링 공진기(240)에 광학적으로 결합되고 감지 도파관(256)은 링 공진기(245)에 광학적으로 결합된다. 기준 도파관(254) 및 감지 도파관(256)의 출력 단부들은 커플러(258)에서 출력 도파관(259)에 결합된다. 다공성 재료 시트(260)는 사이트(265)에서 라벨링된 포획 분자를 포함한다. 도 3b에 도시된 조립된 장치에서, 사이트(265)는 링 공진기(245) 및 그 광학적 결합을 감지 도파관(256)에 오버레이하지만, 링 공진기(240) 및 그 광학적 결합을 기준 도파관(254)에 오버레이하지 않는다. 커버 층(270)과 포토닉 칩(220) 사이의 연결을 유지하는 데 사용되는 클램핑 메커니즘 또는 접착제 층은 도시되지 않았지만, 둘 다 이 실시예에서 고려된다.
도 4a는 포토닉 칩(320), 다공성 재료 시트(360) 및 광학적으로 투명한 커버(370)를 포함하는 바이오센서(310)의 분해 조립도이다. 포토닉 칩(320)은 기판에 형성된 광결정 어레이(340)를 포함하는 기판(330)을 포함한다. 광결정 어레이(340)는 중앙 결함 및 중앙 결함 주위에 형성된 정렬된 결함 어레이로 구성된다. 광은 도파관(350)에 의해 어레이에 결합되고 광은 도파관(355)에 의해 어레이 외부로 결합된다. 다공성 재료 시트(360)는 사이트(365)에서 라벨링된 포획 분자를 포함한다. 도 4b에 도시된 조립된 장치에서, 사이트(365)는 결정 어레이(340)를 오버레이한다. 커버 층(370)과 포토닉 칩(320) 사이의 연결을 유지하는 데 사용되는 클램핑 메커니즘 또는 접착제 층은 도시되지 않았지만, 둘 다 이 실시예에서 고려된다.
도 5a는 포토닉 칩(420), 다공성 재료 시트(460) 및 광학적으로 투명한 커버(470)를 포함하는 바이오센서(410)의 분해 조립도이다. 포토닉 칩(420)은 그 내부에 형성된 회절 그레디언트를 포함하는 기판(430)을 포함한다. 회절 그레디언트는 기판에 형성된 리지들(435)(대응하는 인접 홈들을 갖는)의 주기적 어셈블리로 구성된다. 도 4b에 도시된 조립된 장치에서, 다공성 재료 시트(460)는 기판(430)을 오버레이한다. 커버 층(470)과 포토닉 칩(420) 사이의 연결을 유지하는 데 사용되는 클램핑 메커니즘 또는 접착제 층은 도시되지 않았지만, 둘 다 이 실시예에서 고려된다.
도 6a는 포토닉 칩(520), 다공성 재료 시트(560) 및 광학적으로 투명한 커버(570)를 포함하는 바이오센서(510)의 분해 조립도이다. 포토닉 칩(520)은 기판에 형성된 아르키메데스 위스퍼링 갤러리 나선형 도파관(540)을 포함하는 기판(530)을 포함한다. 이 도파관(540)은 중앙 S 자형 커넥터에 의해 함께 결합된 유입구 및 유출구 도파관들의 나선형 형성을 특징으로 한다. 다공성 재료 시트(560)는 사이트(565)에서 라벨링된 포획 분자를 포함한다. 도 4b에 도시된 조립된 장치에서, 사이트(565)는 나선형 도파관(540)을 오버레이한다. 커버 층(570)과 포토닉 칩(520) 사이의 연결을 유지하는 데 사용되는 클램핑 메커니즘 또는 접착제 층은 도시되지 않았지만, 둘 다 이 실시예에서 고려된다.
도 1 내지 6에 도시된 실시예들 각각에서, 바이오센서와 광학적으로 투명한 커버는 거의 동일한 크기와 모양이므로, 다공성 재료 시트는 장치의 에지에만 노출된다. 액체 샘플로 다공성 재료 시트의 습윤은 장치의 에지에 샘플을 도입함으로써 수행될 수 있다.
도 7a에 도시된 대안적인 구성으로서, 포토닉 칩(720)은 1차원에서 커버(770)보다 길고, 2개의 구성 요소들은 클램핑 메커니즘(780)(3개 도시됨)에 의해 함께(다공질 재료 시트(760)가 그 사이에 압축됨) 고정된다. 그 결과, 다공성 재료 시트(760)는 포토닉 칩(720)의 일면을 따라 부분적으로 노출된다. 이는 샘플을 시트의 부분적으로 노출된 부분에 도입함으로써 액체 샘플로 다공성 재료 시트의 습윤을 용이하게 한다. 액체 샘플(및 그 안에 포함된 모든 타겟 분자)은 위킹 작용(wicking action)에 의해 다공성 재료 시트에 걸쳐 운반될 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 본원에 설명된 바와 같은 바이오센서, 포토닉 감지 장치를 조명하는 광원; 및 포토닉 감지 장치에 의해 방출된 광을 측정하도록 위치된 광검파 장치를 포함하는 검출 장치에 관한 것이다.
광원은 조명원으로 기능하며, 예를 들어 아르곤, 카드뮴, 헬륨 또는 질소 레이저 및 바이오센서와 검출기를 조명하도록 배치된 수반하는 광학 장치일 수 있다. 광원은 선택적으로 필터가 있는 레이저 또는 광대역 광원일 수 있다. 일 실시예에서, 광원은 연속파 광원이다. 이 실시예에 따르면, 광원은 발광 다이오드("LED")이다. 숙련된 과학자는 다양한 LED들이 약 250 내지 1,500 nm의 다양한 스펙트럼 범위들을 커버한다는 것을 이해할 것이다. 추가의 적합한 연속파 광원들은 이에 제한되는 것은 아니나, 제논 아크 램프, 수은 아크 램프, 중수소 램프, 텅스텐 램프, 다이오드 레이저, 아르곤 이온 레이저, 헬륨-네온 레이저 및 크립톤 레이저를 포함한다.
검출 장치는 광원으로부터의 광을 포토닉 감지 장치로 결합하는 도파관 및 포토닉 감지 장치로부터의 광을 광검파 장치로 결합하는 도파관 중 하나 또는 둘 다를 더 포함할 수 있다.
검출기는 바이오센서로부터 광발광 방출을 포착하고 바이오센서로부터 광발광 방출의 변화를 검출하도록 배치된다. 예시적인 검출기들은, 제한없이, 전하 결합 장치, 분광 측정기, 포토다이오드 어레이, 광전자 증배관 어레이, 또는 능동 픽셀 센서 어레이를 포함한다. 일 실시예에서, 광검파 장치는 분광 측정기, 포토다이오드 어레이, 광전자 증배관 어레이, 전하 결합 장치("CCD") 센서, 상보형 금속 산화물 반도체("CMOS") 센서 또는 활성 픽셀 센서 어레이이다.
이제 도 7b를 참조하면, 검출기(810)의 측면 입면도가 예시된다. 검출기(810)는 바이오센서(기판(820), 다공성 재료 시트(860) 및 광학적으로 투명한 커버 층(870)을 갖는), 광원(800) 및 광검파 장치(805)를 포함한다. 기판의 표면으로 향한 광은 동일한 기판으로부터 반사된 다음, 검출기(805)에 의해 측정된다. 샘플에 장치를 노출하기 전후에 반사된 광의 변화가 감지될 수 있다.
이제 도 7c를 참조하면, 검출기(910)의 측면 입면도가 예시된다. 검출기(910)는 바이오센서(기판(920), 다공성 재료 시트(960) 및 광학적으로 투명한 커버 층(970)을 갖는), 광원(922) 및 광검파 장치(924)를 포함한다. 광 도파관은 광원으로부터 바이오센서(기판 표면에 통합 입력 도파관이 있음)로 광을 연결하는 데 사용되며, 광 도파관은 바이오센서(특히, 기판의 표면에 있는 통합 출력 도파관)로부터 검출기로 광을 결합하는 데 사용된다. 샘플에 장치를 노출하기 전후에 출력된 광의 변화가 감지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 생물학적 분자를 검출하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 본 발명에 따른 바이오센서를 제공하고, 액체 샘플을 다공성 재료 시트와 접촉하도록 도입하는 단계; 및 포토닉 감지 장치에 의해 방출된 광의 변화를 측정하는 단계로서, 포토닉 감지 장치에 의해 방출된 광의 변화는 하나 이상의 포획 분자들에 의한 생물학적 분자의 결합을 나타내는, 상기 측정하는 단계를 수반한다.
이론에 얽매이지 않고, 바이오센서가 링 공진기를 포함할 때, 링 공진기의 원주와 정확히 동일한 광의 파장은 링 내에서 갇혀 공진되는 반면, 다른 모든 광의 파장들은 링 공진기를 떠나 포토닉 감지 장치에 의해 검출될 것이다. 링에 갇힌 공진 파장들은 링 공진기를 떠나는 광의 스펙트럼에 음의 피크를 남길 것이다.
링 공진기는 광 에너지의 일부가 링 공진기의 바로 근처에서 다공성 재료 시트와 상호 작용하는 소멸 테일의 형태로 링 공진기의 표면을 넘어 확장되는 방식으로 만들어질 수 있다. 다공성 재료 시트에서 하나 이상의 포획 분자들에 의해 결합된 특정 분석물의 존재는 굴절률을 변경할 수 있으며, 따라서 링 공진기의 공진 파장들을 변경할 수 있다. 공진 파장들은 다공성 재료 시트의 링 공진기 위에 더 많은 분석물이 포착됨에 따라 비례하여 더 높게 이동한다. 이러한 파장의 이동은 링 공진기를 떠나는 광의 스펙트럼에서 음의 피크의 이동으로 포토닉 감지 장치에 의해 검출된다. 따라서, 광의 세기에서 음의 피크는 공진 파장을 나타내고, 음의 피크의 파장의 이동은 링 클러스터 위의 굴절률의 변화를 나타내며, 이는 다시 클러스터 위의 포획 분자에 결합된 질량에 비례한다. 일 실시예에서, 방출되는 광의 변화는 포토닉 감지 장치에 의해 검출된 광의 파장의 이동으로 측정된다.
본원에 사용된 바와 같이, "생물학적 분자"는 생물학적 시스템으로부터 유래되거나 생물학적 시스템과 함께 사용되는 분자를 지칭한다. 상기 용어는 이에 제한되는 것은 아니나, 단백질들, 펩티드들, 탄수화물들, 대사 산물들, 다당류들, 핵산들 및 작은 유기 분자들과 같은 생물학적 고분자들을 포함한다. 생물학적 마커는 질병 마커일 수 있다.
일 실시예에서, 액체 샘플은 피험자로부터 나온다. 본원에 사용된 바와 같이, "개체" 또는 "피험자"는 인간 및 기타 포유류를 포함한 모든 살아있는 유기체일 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "피험자"라는 용어는 특정 종들 또는 샘플 유형으로 제한되지 않는다. 예를 들어, "피험자" 라는 용어는 환자 및 종종 인간 환자(보다 구체적으로는, 여성 인간 환자 또는 남성 인간 환자)를 지칭할 수 있다. 그러나, 이 용어는 인간에 국한되지 않으며, 따라서 다양한 포유류 또는 기타 종들을 포함한다. 일 실시예에서, 피험자는 포유 동물 또는 세포, 조직, 기관 또는 포유 동물의 일부일 수 있다. 포유류는 포유류 종류의 종들 중 어느 것이라도, 바람직하게는 인간(인간들, 인간 피험자들 또는 인간 환자들을 포함함)을 포함한다. 포유류는 이에 제한되는 것은 아니나, 농장 동물, 스포츠 동물, 애완 동물, 영장류, 말, 개, 고양이, 생쥐 및 쥐를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, "샘플" 이란 용어는 분석물 분석이 요구되는 분석물(예를 들어, 생물학적 분자)을 포함할 수 있는 모든 것을 지칭한다. 본원에 사용된 바와 같이, "생물학적 샘플"은 살아있는 또는 바이러스 공급원 또는 고분자들 및 생체 분자들의 다른 공급원으로부터 얻은 임의의 샘플을 지칭하며, 핵산, 단백질 또는 기타 고분자가 얻어질 수 있는 피험자의 모든 세포 유형 또는 조직을 포함한다. 생물학적 샘플은 생물학적 공급원으로부터 직접 얻은 샘플 또는 처리된 샘플일 수 있다. 예를 들어, 증폭된 분리된 핵산은 생물학적 샘플을 구성한다. 생물학적 샘플들은 이에 제한되는 것은 아니나, 타액, 소변, 혈액, 혈장, 혈청, 정액, 대변, 객담, 뇌척수액, 활액, 땀, 눈물, 점액, 양수, 질 분비물과 같은 체액들, 동물들과 식물들의 조직 및 장기 샘플들 및 그로부터 유도된 가공 샘플들을 포함한다. 생물학적 조직들의 예들은 장기, 종양, 림프, 동맥 및 개별 세포(들)도 포함한다. 일 실시예에서, 액체 샘플은 생물학적 피험자이다.
생물학적 분자는, 제한없이, 단백질(효소, 항체 또는 이의 단편을 포함함), 당단백질, 펩티도글리칸, 탄수화물, 지단백질, 리포테이코산, 지질 A, 인산염, 병원체에 의해 발현된 핵산(예를 들어, 박테리아, 바이러스, 다세포 진균, 효모균, 원생 동물, 다세포 기생충 등) 또는 자연적으로 발생하는 독소 또는 유기 작용제와 같은 유기 화합물 등을 포함할 수 있다. 게다가, 생물학적 센서는 또한 "캐스케이드 감지"라고 하는 여러 층의 생체 분자 상호 작용을 감지하는 데 효과적으로 사용될 수 있다. 따라서, 일단 결합된 생물학적 분자는 2차 생물학적 분자를 위한 프로브가 된다. 이는 다공성 재료 시트로부터 상대적으로 멀리 떨어져 발생하는 작은 분자 인식 이벤트들의 검출을 수반할 수 있다.
일 실시예에서, 다공성 재료 시트와 접촉하도록 액체 샘플을 도입하는 것은 액체 샘플을 다공성 재료 시트(또는 그 일부)에 직접 배치함으로써 수행될 수 있다. 대안으로, 다공성 재료 시트는 바이오센서의 조립 전에, 바람직하게는 바로 전에 액체 샘플에 노출될 수 있다.
액체 샘플에서의 생물학적 분자의 존재는 포토닉 감지 장치에 의해 방출되는 광의 변화를 지시할 것이다. 포토닉 감지 장치에 의해 방출되는 광의 변화는 일반적으로 투과 피크 파장 이동, 흡수 피크 파장 이동 또는 굴절률 변화 중 임의의 하나 이상의 변화들을 포함할 수 있다. 포토닉 감지 장치에 의해 방출된 광의 변화가 발생했는지 여부를 결정하기 위해, 샘플에 노출되기 전에 기준 광학 측정이 이루어질 수 있다. 샘플에 노출된 후, 제2 광학 측정이 이루어질 수 있으며, 제1 및 제2 측정들이 비교된다. 일반적으로, 모든 변화는 인식될 타겟의 크기와 샘플 내 농도에 따라 달라질 것이다.
이론에 얽매이지 않고, 포토닉 감지 장치가 링 공진기를 포함하는 경우, 액체 샘플에서의 생물학적 분자의 존재는 흡수 피크 파장 이동의 변화가 일어나며, 변화의 크기는 액체 샘플에서의 생물학적 분자의 농도를 나타낸다.
일 실시예에서, 포토닉 감지 장치에 의해 방출되는 광의 변화 정도는 액체 샘플에서의 생물학적 분자의 양을 정량화한다. 따라서, 본 발명의 생물학적 센서는 액체 샘플에서 분석물(예를 들어, 생물학적 분자)을 정량적으로 검출하는 데 적합하다.
본원에 사용된 바와 같이, "분석물을 정량적으로 검출하는 것"은 분석물들 각각이 약 30 % 이하의 정밀도 또는 변동 계수(CV), 분석물(들)의 하나 아상의 원하는 임계 값들을 포함하는 분석물 레벨(들) 또는 농도(들), 및/또는 분석물(들)의 하나 이상의 원하는 기준 범위 미만, 그 기준 범위 하한 정도, 그 기준 범위 내, 그 기준 범위 상한 정도 및/또는 그 기준 범위 초과인 분석물 레벨(들) 또는 농도(들)로 결정되는 것을 의미한다. 일부 실시예들에서, 이는 종종 더 높은 정밀도, 예를 들어 CV가 30 %, 25 %, 20 %, 15 %, 10 %, 9 %, 8 %, 7 %, 6 %, 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 %, 0.5 %, 0.1 % 이하를 갖는 것이 바람직하거나 중요하다. 다른 실시예들에서, 분석물들이 종종 분석물(들)의 원하는 또는 요구되는 임계 값들보다 실질적으로 더 낮거나, 그 임계 값들 정도이거나, 그 임계 값들이고/이거나 그 임계 값들보다 실질적으로 더 높은 분석물 레벨(들) 또는 농도(들)에서 원하는 또는 요구되는 CV로 정량화되는 것이 바람직하거나 중요하다. 또 다른 실시예들에서, 이는 종종 분석불들이 기준 범위(들)의 하한보다 실질적으로 더 낮거나, 적어도 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % 또는 전체 기준 범위(들)를 포함하고/하거나 기준 범위(들)의 상한보다 실질적으로 높은 분석물 레벨(들) 또는 농도(들)에서 원하는 또는 요구되는 CV로 정량화되는 것이 바람직하거나 중요하다.
본원에 사용된 바와 같이, 임계 값 또는 특정 포인트, 예를 들어, 기준 범위의 하한 또는 상한 "정도에서" 분석물 레벨 또는 농도는 분석물 레벨 또는 농도가 적어도 임계 값 또는 특정 포인트, 예를 들어 기준 범위의 하한 및 상한의 ± 20 % 이내인 것을 의미한다. 즉, 임계 값 또는 기준 범위의 특정 포인트 "정도에서" 분석물 레벨 또는 농도는 분석물 레벨 또는 농도가 임계 값 또는 기준 범위의 특정 포인트의 80 % 내지 120 %에 있음을 의미한다. 일부 실시예들에서, 임계 값 또는 기준 범위의 특정 포인트 "정도에서" 분석물 레벨 또는 농도는 분석물 레벨 또는 농도가 적어도 임계 값 또는 기준 범위의 특정 포인트의 ± 15 %, 10 %, 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 % 이내이거나 임계 값 또는 기준 범위의 특정 포인트와 같음을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, 임계 값 또는 기준 범위의 하한보다 "실질적으로 더 낮은" 분석물 레벨 또는 농도는 분석물 레벨 또는 농도가 적어도 임계 값 또는 기준 범위의 하한의 마이너스 50 % 이내에 있음을 의미한다. 즉, 임계 값 또는 기준 범위의 하한보다 "실질적으로 더 낮은" 분석물 레벨 또는 농도는 분석물 레벨 또는 농도가 적어도 임계 값 또는 기준 범위의 50 % 임을 의미한다. 일부 실시예들에서, 임계 값 또는 기준 범위의 하한보다 "실질적으로 더 낮은" 분석물 레벨 또는 농도는 분석물 레벨 또는 농도가 적어도 임계 값 또는 기준 범위의 하한의 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 % 임을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, 임계 값 또는 기준 범위의 상한보다 "실질적으로 더 높은" 분석물 레벨 또는 농도는 분석물 레벨 또는 농도가 적어도 임계 값 또는 기준 범위의 상한의 5배 이내임을 의미한다. 즉, 임계 값 또는 기준 범위의 상한보다 "실질적으로 더 높은" 분석물 레벨 또는 농도는 분석물 레벨 또는 농도가 임계 값 또는 기준 범위의 상한의 101 % 내지 5 배임을 의미한다. 일부 실시예들에서, 임계 값 또는 기준 범위의 상한보다 "실질적으로 더 높은" 분석물 레벨 또는 농도는 분석물 레벨 또는 농도가 적어도 임계 값 또는 기준 범위의 상한의 101 %, 102 %, 103 %, 104 %, 105 %, 110 %, 120 %, 130 %, 140 %, 150 %, 2배, 3배, 4배 또는 5배임을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, "임계 값"은 원하는 피험자들 또는 모집단의 샘플들로부터 얻은 분석물 레벨 또는 농도, 예를 들어 정상적이고 임상적으로 건강한 개체들에서 발견되는 분석물 레벨 또는 농도, "병에 걸린" 피험체들 또는 모집단에서 발견되는 분석물 레벨 또는 농도, 또는 원하는 피험자들 또는 모집단의 샘플들로부터 이전에 결정된 분석물 레벨 또는 농도를 지칭한다. "정상 값"이 특정 테스트에 따라 "임계 범위"로 사용하는 경우, 분석물 레벨 또는 농도가 정상 값보다 크거나 작으면 결과가 비정상으로 간주될 수 있다. "임계 값"은 보정되거나 보정되지 않은 분석물 레벨들 또는 농도들을 기반으로 할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은, "기준 범위"는 원하는 피험자들 또는 모집단의 샘플들로부터 얻은 분석물 레벨 또는 농도의 범위, 예를 들어 정상적이고 임상적으로 건강한 개체들에서 발견되는 분석물 레벨 또는 농도의 범위, 병에 걸린" 피험자들 또는 모집단에서 발견되는 분석물 레벨 또는 농도, 또는 원하는 피험자들 또는 모집단의 샘플들로부터 이전에 결정된 분석물 레벨 또는 농도의 범위를 지칭한다. "정상 범위"가 "기준 범위"로 사용되는 경우, 분석물 레벨 또는 농도의 값이 정상 범위의 하한보다 작거나 상한보다 크면 결과가 비정상으로 간주된다. "기준 범위"는 교정되거나 교정되지 않은 분석물 레벨 또는 농도를 기반으로 할 수 있다.
본 발명의 이 측면에 따르면, 방법은 포토닉 감지 장치에 의해 방출된 광의 변화가 대략 임계 값에 해당하는지, 임계 값보다 실질적으로 더 낮은 지, 또는 임계 값보다 실질적으로 더 높은지를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
개시된 바이오센서의 중요한 이점은 이들이 일회용 구성 요소(다공질 재료 시트) 및 재사용 가능한 구성 요소들(커버 층, 기판 및 임의의 클램핑 메커니즘 중 하나 이상)을 포함한다는 점이다. 따라서, 광학적으로 투명한 커버 층은 바이오센서가 바이오센서의 사용 후 광학적으로 투명한 커버 층과 다공성 재료 시트를 제거하고, 포토닉 감지 장치 및 (선택적으로) 광학적으로 투명한 커버 층을 철저히 세척하고; 그리고 바이오센서를 재조립하기 위해 설치 단계들 각각을 반복하도록 새로운 다공성 재료 시트(및 선택적으로 새로운 투명 커버 층)를 사용함으로써 탈착 가능하고 교체 가능하다. 포토닉 감지 장치의 세척은 알려진 린스제를 사용하여 수행된 다음 물로 헹구고 불활성 가스(예를 들어, 질소) 하에서 건조될 수 있다. 이후, 바이오센서는 설명된 바와 같이 다공성 재료 시트를 세척하고 교체한 후, 여러 번의 검출 주기에 다시 사용될 수 있다.
예들
다음의 실시예들은 본 개시의 실시예들의 실시를 예시하기 위한 것이나, 결코 그 범위를 제한하려는 의도는 아니다.
예 1 - 통합 포토닉 종이-기반 센서
버스 도파관(1050)에 결합된 한 쌍의 링 공진기들(1040, 1045)를 갖는 설명된 바이오센서(1010)의 한 구현예에서, 포획 항체는 두 위치들(1062, 1064) 중 하나에서 니트로셀룰로오스 멤브레인(1060) 상에 스폿팅된다. 이것은 종이에 대한 단순한 흡착을 통해 또는 공유 결합 부착에 의해 이루어질 수 있다. 다른 영역(1064)은 항-플루오레세인 항체와 같은 대조군 분자로 기능화되거나, 참조 구역을 형성하기 위해 블랭크로 남겨진다. 니트로셀룰로오스 멤브레인은 항체가 링 공진기(1045)에 등록되도록 포토닉 칩에 배치된다(도 8). 니트로셀룰로오스 멤브레인/포토닉 "샌드위치"를 관심 샘플에 노출시킨 후 적절한 배양 기간 후에 세척 단계를 거친다.
예 2 - 기준이 있는 통합 포토닉 종이-기반 센서
설명된 바이오센서의 도 다른 구현예에서, 포획 항체는 니트로셀룰로오스 멤브레인 상에 스폿팅된다. 멤브레인은 포토닉 칩과 접촉하기 전에 샘플에 노출되고, 세척되고, 선택적으로 건조된다. 기준은 멤브레인의 블랭크 영역에 의해 또는 항-플루오레세인과 같은 비-반응성 항체 스폿과 비교하여 제공된다.
설명된 바이오센서의 도 다른 구현예에서, 포획 항체는 니트로셀룰로오스 멤브레인 상에 스폿팅된다. 멤브레인은 유체 장치로 사용되며 샘플은 활성 영역들에 걸쳐 흡수되도록 한다. 기준은 멤브레인의 블랭크 영역에 의해 또는 항-플루오레세인과 같은 비-반응성 항체 스폿과 비교하여 제공된다.
예 3 - 통합 포토닉 니트로셀룰로오스 멤브레인 기반 센서들을 사용한 나노퓨어 워터 및 자당 용액의 광학 센서 검출
링 공진기가 니트로셀룰로스 멤브레인과 접촉할 때 기능하는지 여부와 그 감도가 링 공진기 단독과 비교할 수 있는지 여부는 나노퓨터 워터 및 자당 용액을 사용하여 평가되었다. 도 9a 내지 9b는 나노퓨터 워터(좌측 클러스터들) 또는 자당 용액(우측 클러스터들)으로 포화된 멤브레인들에 대해 수집된 스펙트럼들이다. 도 9a에서, 나노퓨어 워터 스팩트럼이 0.559 nm(σ = 0.013 nm)의 평균 공진 파장 이동으로 1550.75 nm에서의 클러스터링된 공진 파장 및 1551.30 nm에서의 5% 자당을 도시한다. 도 9b에서, 나노퓨어 워터 스팩트럼이 0.662 nm(σ = 0.039 nm)의 평균 공진 파장 이동으로 1548.85 nm에서의 클러스터링된 공진 파장 및 1549.45 nm에서의 5% 자당을 도시한다.
예 4 - 통합 포토닉 니트로셀룰로오스 멤브레인 기반 센서를 사용한 CRP들의 광학 센서 검출
멤브레인에 단백질의 대량 흡착으로 인한 신호들이 관찰될 수 있는지 여부가 다음에 평가되었다. 도 10은 나노퓨어 워터에 담근 니트로셀룰로오스 멤브레인들과 나노퓨어 워터에 1% BSA 블록이 있는 500 μg/ml α-CRP 항체가 있는 니트로셀룰로오스 멤브레인들의 스펙트럼들을 도시한다. 그 결과 공진 파장 이동은 0.06 nm이다. 이는 다공성 재료 시트가, 포획 시, 출력 광에서 검출 가능한 변화를 생성하기 위해 공진 행동을 변경할 수 있는 방식으로 포획 분자 및 타겟 분자를 포토닉 감지 장치에 적절하게 전달할 수 있음을 확인한다.
예 5 - 통합 포토닉 니트로셀룰로오스 멤브레인 기반 센서를 사용한 BSA의 광학 센서 검출
링 공진기에 단백질 용액을 전달하기 위해 니트로셀룰로오스 스트립이 사용되었다. 다른 농도로 5 마이크로리터의 소혈청 알부민(bovine serum albumin; BSA) 샘플이 니트로셀룰로오스 스트립에 적용되고, 링 공진기에 걸쳐 흡수되도록 하였다. 공진 주파수의 농도 의존적 변화가 관찰되었다(도 11). 장치의 벌크 굴절률 감도는 (알려진 자당 용액을 통해) 90.8 nm/RIU로 측정되었다. 160 nm/RIU 만큼 높은 칩 감도들이 측정되었기 때문에, 감지 감도가 상당히 향상될 수 있다.
예 6 - 통합 포토닉 니트로셀룰로오스 멤브레인-기반 센서들을 이용한 인간 융모성 성선 자극 호르몬의 광학 센서 검출
링 공진기들이 측면 흐름 분석의 결과를 검출하는 데 사용될 수 있는지 여부를 테스트하기 위해, 인간 융모성 성선 자극 호르몬에 대한 커머셜 측면 흐름 분석이 링 공진기 뱅크에 걸쳐 배치되었다. 도 12는 양의 대조군 밴드(음영 영역으로 표시됨) 하에서 링들에 대해 더 강한 이동이 관찰되었음을 도시한다. 두 개의 개별 공진 측정치들(FSR, 자유 스펙트럼 범위)을 나타내는 두 개의 데이터 포인트들이 각 링에 대해 표시된다.
바람직한 실시예들이 본원에 상세히 도시하고 설명되었지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 다양한 수정들, 추가들, 대체물들이 이루어질 수 있으며, 따라서 이들은 다음의 청구 범위에 정의된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다는 것이 당업자들에게는 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 바이오센서에 있어서,
    기판과, 상기 기판 상에 또는 내에 형성된, 광에 노출 시 광학 신호를 생성하기에 적합한 3차원 구조를 포함하는 포토닉 감지 장치;
    광학 신호를 생성하기에 적합한 상기 3차원 구조를 덮는 다공성 재료 시트로서, 상기 다공성 재료 시트는 하나 이상의 포획 분자들을 포함하는, 상기 다공성 재료 시트; 및
    커버 층과 상기 3차원 구조를 포함하는 상기 포토닉 감지 장치 사이에 상기 다공성 재료 시트가 있는 상기 포토닉 감지 장치에 연결된 광학적으로 투명한 상기 커버 층을 포함하는, 바이오센서.
  2. 제1항에 있어서,
    (i) 상기 커버 층과 상기 포토닉 감지 장치의 상기 일부 사이에 상기 다공성 재료 시트를 압축하는 클램핑 메커니즘; 또는
    (ii) 상기 포토닉 감지 장치의 상기 기판에 직접 상기 광학적으로 투명한 커버 층의 일부들을 연결하는 접착제 층을 더 포함하는, 바이오센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 포토닉 감지 장치는 2D 광결정 어레이, 링 공진기, 마흐-젠더 간섭계, 토로이드 미세 공동, 브래그 반사기, 회절 격자, 플라즈모닉 도파관, 아르키메데스 위스퍼링 갤러리 나선형 도파관 또는 나노플라즈모닉 포어를 포함하는, 바이오센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다공성 재료 시트는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 유리, 다당류 또는 세라믹을 포함하는, 바이오센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다공성 재료 시트는 종이 형태인, 바이오센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 종이는 약 180 마이크론의 두께 치수를 갖는, 바이오센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광학적으로 투명한 커버 층은 탈착 가능하교 교체 가능하며, 상기 다공성 재료 시트는 교체될 수 있으며, 상기 바이오센서는 재사용되는, 바이오센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 포획 분자들은 단백질 또는 폴리펩티드, 펩티드, 핵산 분자, 항원 및 소분자의 그룹으로부터 선택되는, 바이오센서.
  9. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 포획 분자들은 상기 다공성 재료 시트에 공유 결합으로 부착되는, 바이오센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 포획 분자들은 별도의 위치들에서 상기 다공성 재료 시트에 공유 결합으로 부착된 복수의 포획 분자들을 포함하는, 바이오센서.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기판은 상기 3차원 구조 내로, 위에 또는 이에 걸쳐 광을 결합하기 위한 유입구 및 상기 3차원 구조로부터, 이를 통해 또는 이를 지나 광을 결합하기 위한 유출구를 포함하는, 바이오센서.
  12. 검출 장치에 있어서,
    제1항 내지 제11항 중 하나에 따른 바이오센서;
    상기 포토닉 감지 장치를 조명하는 광원; 및
    상기 포토닉 감지 장치에 의해 방출된 광을 측정하도록 위치된 광검파 장치를 포함하는, 검출 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광원으로부터의 광을 상기 포토닉 감지 장치로 결합하는 도파관 및 상기 포토닉 감지 장치로부터의 광을 상기 광검파 장치로 결합하는 도파관 중 하나 또는 둘 다를 더 포함하는, 검출 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 광원은 레이저 또는 선택적으로 필터가 있는 광대역 광원인, 검출 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 광검파 장치는 분광 측정기, 포토다이오드 어레이, 광전자 증배관 어레이, 전하 결합 장치(CCD) 센서, 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 센서 또는 활성 픽셀 센서 어레이인, 검출 장치.
  16. 생물학적 분자를 검출하는 방법에 있어서,
    제1항 내지 제11항 중 하나에 따른 바이오센서를 제공하는 단계;
    상기 다공성 재료 시트와 접촉하도록 액체 샘플을 도입하는 단계; 및
    상기 포토닉 감지 장치에 의해 방출된 광의 변화를 측정하는 단계로서, 상기 포토닉 감지 장치에 의해 방출된 광의 상기 변화는 상기 하나 이상의 포획 분자들에 의한 상기 생물학적 분자의 결합을 나타내는, 상기 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 포토닉 감지 장치에 의해 방출되는 광의 상기 변화 정도는 상기 액체 샘플에서의 상기 생물학적 분자의 양을 정량화하는, 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 바이오센서는 상기 바이오센서를 세척하고 상기 액체 샘플이 도입된 상기 다공성 재료 시트를 이전에 액체 샘플에 의해 접촉되지 않은 제2 다공성 재료 시트로 대체할 때 재사용할 수 있는, 방법.
  19. 바이오센서를 제조하는 방법에 있어서,
    기판과, 상기 기판 상에 또는 내에 형성된, 광에 노출 시 광학 신호를 생성하기에 적합한 3차원 구조를 포함하는 포토닉 감지 장치를 제공하는 단계;
    다공성 재료 시트를 상기 기판 상에 설치하는 단계로서, 상기 시트는 광학 신호를 생성하기 위한 상기 3차원 구조를 포함하는 상기 포토닉 감지 장치의 일부를 덮고, 상기 다공성 재료 시트는 하나 이상의 포획 분자들을 포함하는, 상기 설치하는 단계;
    상기 다공성 재료 시트 위에 광학적으로 투명한 커버 층을 설치하는 단계로서, 상기 다공성 재료 시트는 상기 커버 층과 상기 포토닉 감지 장치의 일부 사이에 존재하는, 상기 설치하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 광학적으로 투명한 커버 층은 상기 바이오센서가,
    상기 바이오센서의 사용 후 상기 광학적으로 투명한 커버 층 및 상기 다공성 재료 시트를 제거하고,
    상기 포토닉 감지 장치를 세척하고,
    새로운 다공성 재료 시트를 사용하여, 상기 설치 단계들 각각을 반복함으로써 재조립되고 재사용될 수 있도록 탈착 가능하고 교체 가능한, 방법.
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