NL9102052A

NL9102052A - Nucleotide assay affinity sensor on the basis of induced deflection of light (DIANA)

Info

Publication number: NL9102052A
Application number: NL9102052A
Authority: NL
Original assignee: Stichting Fund Ond Material
Priority date: 1991-12-09
Filing date: 1991-12-09
Publication date: 1993-07-01

Abstract

The invention relates to an instrument for measuring a biochemical reaction by measuring the deflection of light in a planar optical waveguide. This deflection results from the biochemical reaction taking place and is caused by the ligands to be detected growing with a nonuniform layer thickness on the waveguide surface. This can be caused by the receptor layer being applied in such a way to the waveguide surface that a chemical gradient results, the gradient being perpendicular to the propagation direction of the light passing through the waveguide, while said receptor layer is uniform in optical terms (layer thickness, refraction index profile). An alternative possibility, however, is for the receptor layer to be uniform both in optical and chemical terms but for the ligands to be supplied nonuniformly (flow, diffusion). In both cases the result is growth of a nonuniform ligand layer, resulting in a deflection of the light being propagated through the waveguide. The major advantage of this deflection sensor is that it is insensitive to changes in refractive index in the liquid in which the instrument is placed.

Description

NUCLEOTIDE ASSAY AFFINITEITSSENSOR OP BASIS VAN GEÏNDUCEERDE AFBUIGING VAN LICHT (DIANA).NUCLEOTIDE ASSAY AFFINITY SENSOR BASED ON INDUCED DEFLECTION OF LIGHT (DIANA).

BESCHRIJVINGDESCRIPTION

De uitvinding betreft een techniek en een instrument voor het meten van een biochemische reaktie, bijvoorbeeld een immuunreaktie, of het binden van een nucleotide met z’n specifieke partner aan het oppervlak van een optische golfgeleider in een vloeibaar medium, en is gebaseerd op de afbuiging van licht in de planaire optische golfgeleider, veroorzaakt door de biochemische reaktie.The invention relates to a technique and an instrument for measuring a biochemical reaction, for example an immune reaction, or the binding of a nucleotide with its specific partner to the surface of an optical waveguide in a liquid medium, and is based on the deflection of light in the planar optical waveguide, caused by the biochemical reaction.

Uit de internationale octrooiaanvrage WO 88/07202 is een werkwijze bekend om een ligand te bepalen door middel van de binding met z’n specifieke bindingspartner op het oppervlak van een metaallaag waarin een evanescent veld kan worden opgewekt. Door gebruik te maken van "Surface Plasmon Resonance" kan de binding van het ligand continu worden waargenomen door de intensiteit van het gereflekteerde licht te meten.International patent application WO 88/07202 discloses a method for determining a ligand by binding with its specific binding partner on the surface of a metal layer in which an evanescent field can be generated. Using "Surface Plasmon Resonance", the binding of the ligand can be continuously observed by measuring the intensity of the reflected light.

Een andere methode om de aanwezigheid van een ligand in een vloeibaar medium te bepalen, is bekend uit "The Potential of the Bulk Acoustic Wave Device as a Liquid Phase Immunosensor", IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control, Vol. UFFC-34, No. 2, maart 1987, door M. Thompson et.al., waar het monster in contact gebracht wordt met z’n specifieke bindingspartner op een trillend voorwerp, waarna de verandering in de frequentie dan wel de voortplantingssnelheid van ingestraalde geluidsgolven informatie geven over het bindingsproces.Another method of determining the presence of a ligand in a liquid medium is known from "The Potential of the Bulk Acoustic Wave Device as a Liquid Phase Immunosensor", IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control, Vol. UFFC-34, No. March 2, 1987, by M. Thompson et.al., where the sample is brought into contact with its specific binding partner on a vibrating object, after which the change in the frequency or propagation speed of irradiated sound waves provides information about the binding process .

Van dergelijke werkwijzen is bekend dat de gevoeligheid en soms ook de reproduceerbaarheid onvoldoende is.Such methods are known to have insufficient sensitivity and sometimes reproducibility.

Door gebruik te maken van het evanescente veld van optische golfgeleiders voor het bepalen van biochemische reakties, waar de binding van het ligand plaats vindt aan het oppervlak van de golfgeleider, is het mogelijk de gevoeligheid van het meetinstrument te vergroten door de lengte van de golfgeleider die blootstaat aan de ligand, te vergroten. Een voorbeeld van deze methode staat beschreven in "Development of an Optical Waveguide Interferometric Immunosensor", Sensors and Actuators B, vol. 4, 1991, pag. 297-299, door R.G. Heideman et.al. Een nadeel van deze en andere methoden die gebruik maken van het evanescent veld van een optische golfgeleider, is dat deze apparaten niet alleen gevoelig zijn voor biochemische reakties aan het oppervlak van de golfgeleider, maar ook voor veranderingen in de brekingsindex van het medium waarin het monster zich bevindt, binnen de indringdiepte van het evanescente veld van het licht dat door de de golfgeleider propageert. Dit betekent dat instrumenten die gebruik maken van het evanescente veld van een optische golfgeleider gevoelig zijn voor veranderingen in de brekingsindex van het vloeibare medium waarin het apparaat zich bevindt.By using the evanescent field of optical waveguides to determine biochemical reactions, where the ligand binds to the surface of the waveguide, it is possible to increase the sensitivity of the measuring instrument by the length of the waveguide that exposed to the ligand. An example of this method is described in "Development of an Optical Waveguide Interferometric Immunosensor", Sensors and Actuators B, vol. 4, 1991, p. 297-299, by R.G. Heideman et.al. A drawback of these and other methods using the evanescent field of an optical waveguide is that these devices are sensitive not only to biochemical reactions at the surface of the waveguide, but also to changes in the refractive index of the medium in which the sample is is within the depth of the evanescent field of light propagating through the waveguide. This means that instruments using the evanescent field of an optical waveguide are sensitive to changes in the refractive index of the liquid medium in which the device is located.

De bedoeling van onze uitvinding is een instrument te leveren dat zeer gevoelig is voor biochemische reakties, maar geen van de eerder genoemde nadelen heeft. In onze uitvinding vindt het binden van de ligand plaats op het oppervlak van een optische golfgeleider, hetgeen leidt tot het afbuigen van licht dat propageert door de golfgeleider, hetgeen gemeten wordt. Echter een verandering in de brekingsindex van het medium waarin de golfgeleider zich bevindt zal niet leiden tot zo’n afbuiging. Dit levert een instrument op, dat uitsluitend zeer gevoelig is voor biochemische reakties aan het oppervlak van de golfgeleider.The purpose of our invention is to provide an instrument that is highly sensitive to biochemical reactions but does not have any of the aforementioned drawbacks. In our invention, the binding of the ligand takes place on the surface of an optical waveguide, which leads to the diffraction of light that propagates through the waveguide, which is measured. However, a change in the refractive index of the medium in which the waveguide resides will not result in such a deflection. This provides an instrument that is only highly sensitive to biochemical reactions on the surface of the waveguide.

In onze uitvinding resulteert het binden van de ligand tot een niet-uniforme dikte van de ligand laag op het golfgeleider oppervlak, met de dikte niet-uniformiteit in de richting loodrecht op de propagatie richting van het licht dat door de golfgeleider loopt. Deze niet-uniforme laag aangroei van de ligand is het gevolg van een behandeling (chemisch of fysisch) van het golfgeleider oppervlak.In our invention, binding of the ligand results in a non-uniform thickness of the ligand layer on the waveguide surface, with the thickness non-uniformity in the direction perpendicular to the propagation direction of the light passing through the waveguide. This non-uniform layer of fouling of the ligand results from a treatment (chemical or physical) of the waveguide surface.

Deze behandeling resulteert in het hierna te beschrijven gedrag van de moleculen die specifiek zijn tegen de aan te tonen liganden, die aan het golfgeleider oppervlak gekoppeld worden. In het ideale geval heeft de laag receptor moleculen een uniforme dikte, en een uniform brekingsindex profiel (dus de laag is optisch gezien uniform), maar vertoont een chemische niet-uniformiteit (gradient) in de richting loodrecht op de propagatierichting van het door de golfgeleider te leiden licht. Als nu een monster met daarin de ligand die aangetoond moet worden, in contact wordt gebracht met de uitvinding, zal de binding van de liganden resulteren in de hiervoor beschreven aangroei van een niet-uniforme laagdikte van liganden aan het oppervlak van de golfgeleider, resulterend in een afbuiging van het door de golfgeleider propagerende licht in.de richting loodrecht op deze propagatie richting, hetgeen kan worden gemeten. Doordat de golfgeleider-receptorlaag combinatie optisch gezien uniform is, zullen brekingsindex veranderingen van het vloeibare medium waarin de uitvinding is geplaatst, niet resulteren in zo’n afbuiging. De uniformiteit van de receptorlaag is niet noodzakelijk, maar wel prefereerbaar, vanwege de daarbij horende gereduceerde omgevingsgevoelig-heid.This treatment results in the behavior of the molecules specific to the ligands to be detected which are coupled to the waveguide surface described below. Ideally, the layer of receptor molecules has a uniform thickness, and a uniform refractive index profile (so the layer is optically uniform), but exhibits chemical non-uniformity (gradient) in the direction perpendicular to the propagation direction of the waveguide. light to be led. Now, if a sample containing the ligand to be detected is brought into contact with the invention, the binding of the ligands will result in the aforementioned growth of a non-uniform layer thickness of ligands on the surface of the waveguide, resulting in a deflection of the light propagating by the waveguide in the direction perpendicular to this propagation direction, which can be measured. Since the waveguide-receptor layer combination is optically uniform, refractive index changes of the fluid medium in which the invention is placed will not result in such deflection. The uniformity of the receptor layer is not necessary, but it is preferable, because of the associated reduced environmental sensitivity.

Een andere mogelijkheid bestaat uit het coaten van het golfgeleider oppervlak met een uniforme laag van receptormoleculen, waarna het monster met de aan te tonen liganden in contact wordt gebracht met de uitvinding, op een zodanige manier dat de aangroei van de liganden toch leidt tot zo’n afbuiging. Dit kan worden bereikt door het monster te laten diffunderen, of te stromen, in de richting loodrecht op de propagatierichting van het geleide licht, resulterend in een inhomogene groei van de ligand laag.Another possibility is to coat the waveguide surface with a uniform layer of receptor molecules, after which the sample is contacted with the ligands to be detected in accordance with the invention in such a way that the growth of the ligands nevertheless leads to such n deflection. This can be accomplished by diffusing or flowing the sample in the direction perpendicular to the propagation direction of the guided light, resulting in an inhomogeneous growth of the ligand layer.

De grootte van de afbuiging van het licht dat door de golfgeleider propageert, geïnduceert door de binding van de liganden, hangt af van de gebruikte golfgeleider configuratie, van de grootte en de aard van de chemische gradient van de receptorlaag, van de polarisatierichting en de golflengte van het gebruikte laserlicht, van de breedte van de laserstraal in de golfgeleider, en van de lengte van het gedeelte van de planaire golfgeleider dat voor de binding van de liganden wordt gebruikt (de interaktielengte L).The magnitude of the deflection of the light propagating through the waveguide, induced by the binding of the ligands, depends on the waveguide configuration used, on the size and nature of the chemical gradient of the receptor layer, on the direction of polarization and the wavelength of the laser light used, of the width of the laser beam in the waveguide, and of the length of the portion of the planar waveguide used to bind the ligands (the interaction length L).

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van de figuren. Allereerst wordt in figuur 1 de dwarsdoorsnede en het bovenaanzicht van een planaire golfgeleider gegeven. De koppeling van laserlicht in en uit de golfgeleider kan b.v. geschieden met behulp van zogenaamde tralie-koppelaars boven op de golfgeleider (zie figuur 1), maar kan ook plaatsvinden door licht aan te bieden aan de gekliefde of gepolijste eidnvlakken van de planaire golfgeleider. Met beide methoden kan tevens het licht eerst worden ingekoppeld in een fiber (de zogenaamde lead fiber), die het licht dan leidt naar de beschreven uitvinding, en daarna worden ingekoppeld in de planaire golfgeleider door gebruik te maken van de bovenbeschreven manieren. Hiermee wordt een zeer flexibel instrument verkregen met gescheiden detektie- en meetkanten.The invention will be elucidated with reference to the figures. First, Figure 1 shows the cross-section and top view of a planar waveguide. The coupling of laser light in and out of the waveguide can e.g. are effected by means of so-called grating couplers on top of the waveguide (see figure 1), but can also take place by offering light to the cleaved or polished end surfaces of the planar waveguide. With both methods, the light can also first be coupled into a fiber (the so-called lead fiber), which then guides the light to the described invention, and then coupled into the planar waveguide using the ways described above. This provides a very flexible instrument with separate detection and measurement sides.

De planaire golfgeleider wordt dan behandeld, chemisch of fysisch, zodanig dat de receptor moleculen gekoppeld worden aan het golfgeleider oppervlak op zo’n manier, dat de laag optische gezien (dikte, brekingsindex) uniform is, maar chemisch gezien niet-uniform is, met de chemische gradient loodrecht op de propagatierichting van het licht dat door de golfgeleider propageert. Een schematische figuur van de dwarsdoorsnede van de planaire golfgeleider in het interaktielengte gedeelte (zie figuur 1) na de coating van de receptor moleculen is gegeven in figuur 2a. De gebieden van de receptor moleculen die in staat zijn de ligand moleculen te binden, zijn aangegeven met een asterisk (*).The planar waveguide is then treated, chemically or physically, such that the receptor molecules are coupled to the waveguide surface in such a way that the optical layer (thickness, refractive index) layer is uniform, but is chemically non-uniform, with the chemical gradient perpendicular to the propagation direction of the light propagating through the waveguide. A schematic figure of the cross section of the planar waveguide in the interaction length section (see Figure 1) after the coating of the receptor molecules is given in Figure 2a. The regions of the receptor molecules capable of binding the ligand molecules are indicated by an asterisk (*).

Zoals al eerder beschreven, is het ook mogelijk om het golfgeleider oppervlak te coaten met een ook chemisch gezien unforme laag receptor moleculen, zie figuur 2b. Het is dan echter noodzakelijk om het monster toe te voegen op een zodanige manier (stromen, diffunderen) dat de aangroei van liganden op het golfgeleider oppervlak een niet-uniforme laag tot gevolg heeft, met de laagdikte gradient in de richting loodrecht op de propagatie richting van het door de golfgeleider propagerende licht, resulterend in een afbuiging van dit licht.As previously described, it is also possible to coat the waveguide surface with also chemically unformed low receptor molecules, see figure 2b. However, it is then necessary to add the sample in such a way (flow, diffuse) that the growth of ligands on the waveguide surface results in a non-uniform layer, with the layer thickness gradient in the direction perpendicular to the propagation direction. of the light propagating through the waveguide, resulting in a deflection of this light.

Na de coating met receptor moleculen wordt de uitvinding in contact gebracht met het vloeibare medium waaruit het monster bestaat. Als het monster de aan te tonen liganden bevat, zullen deze specifiek binden met de receptor moleculen, resulterend in de aangroei van een ligand laag die een niet-uniforme laagdikte bezit, zie figuur 3. De resulterende afbuiging van het licht dat door de planaire golfgeleider propageert, kan bijvoorbeeld worden gemeten met behulp van een intensiteit-split-detector, nadat het licht uit de golfgeleider is gekoppeld, zie figuur 4.After coating with receptor molecules, the invention is contacted with the liquid medium that makes up the sample. If the sample contains the ligands to be detected, they will bind specifically to the receptor molecules, resulting in the growth of a ligand layer that has a non-uniform layer thickness, see Figure 3. The resulting deflection of the light passing through the planar waveguide can be measured using an intensity split detector, for example, after the light is coupled from the waveguide, see Figure 4.

Claims

1. The combination of using a planar optical waveguide with a layer of receptor molecules, as described in the following paragraph, specific against the ligand to be detected, on the waveguide surface. This results in a deflection of the light passing through the waveguide in the direction perpendicular to the propagation direction when the binding of the ligands to be detected takes place. The receptor molecules form a layer on the waveguide surface, which is preferable but not necessarily uniform in thickness and refractive index profile, but nonuniform in chemical behavior, with this chemical gradient in the direction perpendicular to the propagation direction of the waveguide. running light.

2. The use of a planar optical waveguide with a layer of receptor molecules that is homogeneous in optical respect (thickness, refractive index profile) and chemical in which the receptor molecules are specific against the ligands to be detected, in combination with any method of administration of a sample containing the ligands to be detected, provided that administration results in the growth of a ligand layer which is non-uniform in the direction perpendicular to the propagation direction of the light passing through the waveguide, resulting in the diffraction of this light .

The use of the combination of the instrument as defined in claims 1 or 2, with an instrument capable of measuring a deflection, such as, for example, an intensity split detector, either fixedly mounted on the planar optical waveguide or there in integrated, resulting in a biochemical sensor.

The use of a laser light source such as a gas laser (for example a Helium-Neon laser) or a semiconductor laser diode, in combination with a fiber optic waveguide to be used as lead fiber, in combination with the instrument as described in claims 1, 2 and 3 with the aim of obtaining a biochemical sensor with "remote" operation. The lead fiber may be permanently attached to the planar waveguide. Between the lead fiber and the coupling mechanisms previously described in the description may be a micro lens or gradient index lens, also fixedly mounted by gluing, or melting, on both the lead fiber and the planar optical waveguide.

The use of the instrument as described in claims 1 to 4 for invasive measurements. This can be achieved by using the lead fiber option, where the lead fiber is rigidly mounted to the planar waveguide, either to the grating coupler, or to the polished or cleaved end face of the planar waveguide.

6. The use of the technique described in "A wettability Gradient Method for Studies of Macromolecular Interactions at the Liquid / Solid Interface", Journal of Colloid and Interfacial Science, Vol. 119, no. September 1, 1987, by H. Elwing et.al., for the purpose of obtaining a layer of receptor molecules on the surface of a planar optical waveguide that is optically uniform (thickness, refractive index profile) but is chemically non-uniform , with the chemical gradient in the direction perpendicular to the propagation direction of the light passing through the waveguide.

7. The use of the technique of diffusion or flow of the detectable ligands as present in the sample, in a direction perpendicular to the propagation direction of the light passing through the waveguide, wherein on the waveguide surface a chemically and optically uniform layer thickness of receptor molecules is present. The result is the growth of a non-uniform layer of ligands, leading to a deflection of the light passing through the waveguide, in the direction of flow or diffusion.