用于檢測結合親和力的裝置制造方法
【專利摘要】一種用于檢測結合親和力的裝置，包括布置在基板(3)上的平面波導(2)，以及用于將預定波長的相干光(1)耦合到所述平面波導中的光耦合器(4)。相干光傳播通過平面波導(2)，其中漸消場(6)沿所述平面波導的外表面(5)傳播。所述平面波導的外表面(5)包括所述外表面(5)上的結合地點(7)，所述結合地點(7)能夠將目標樣本(8)結合到所述結合地點(7)以使得所述漸消場(6)的光由結合到所述結合地點(7)的目標樣本(8)所散射。所述結合地點(7)沿多個預定線路(9)布置，所述預定線路(9)被布置為使得散射光在預定檢測方向處干涉光程長度上的一個差異，所述差異是所述光的預定波長的整數倍。
【專利說明】用于檢測結合親和力的裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及根據相應獨立權利要求的用于檢測結合親和力的裝置以及用于檢測 結合親和力的系統的方法。
【背景技術】
[0002] 例如，這種裝置在多種應用中被用作為生物傳感器。一種具體應用是檢測及監視 結合親和力（binding affinity)或過程。例如，借助于這種生物傳感器，對目標樣品結合至 結合地點進行檢測的各種試驗可以被執行。典型地，對在生物傳感器表面上的二維微陣列 處布置的場所處的生物傳感器執行大量的這種試驗。微陣列的使用提供了一種用于在高通 量藥物篩選中同時檢測不同目標樣本的結合親和力或過程的工具，其中，諸如分子、蛋白質 或DNA的大量目標樣本可以被快速地分析。為了檢測結合到特定結合地點的目標樣本的親 和力（比如結合到不同捕捉分子的目標分子的親和力），大量的結合地點被固定在可例如 通過噴墨測定地點（ink-jet spotting)應用的場所處的生物傳感器的表面上。每個場所 針對預定類型的捕捉分子來形成獨立測量地帶。目標樣本對特定類型捕捉分子的親和力被 檢測并且被用于提供關于目標樣本的結合親和力的信息。
[0003] 用于檢測目標樣本的結合親和力的公知技術使用能夠在激發時發出熒光的標記。 例如，熒光標簽可以用作用于標記目標樣本的標記。當激發時，熒光標簽被使得發出具有特 有的放射光譜的熒光。檢測在具體場所處的這種特有放射光譜表明了帶標記的目標分子已 經結合到存在于各自場所處的特定類型的結合地點。
[0004] 用于檢測被標記目標樣本的傳感器在以下文章"Zeptosens' protein microarrays:A novel high performance microarray platform for low abundance protein analysis^,Proteomics2002,2,S.383-393,ffiley-VCH Verlag GmBH, 69451Weinheim, Germany被描述了。所描述的傳感器包括布置在基板上的平面波導， 以及用于將預定波長的相干光耦合到該平面波導中的光柵。另外光柵布置在平面波導遠離 光柵的那個端部處以將光耦合到波導中。通過平面波導傳播的相干光通過另外光柵從平面 波導耦合出來。耦合出來的光用于調節預定波長的相干光耦合到平面波導中。相干光在全 反射條件下通過平面波導傳播，其中相干光的漸消場（evanescent field)沿平面波導的外 表面傳播。漸消場穿入到平面波導外表面處的低折射率介質中的深度為傳播通過平面波導 的相干光的一小部分波長的數量級。漸消場激發結合到在平面波導外表面上布置的結合地 點的被標記目標樣本的突光標簽。由于漸消場到平面波導外表面處的光疏介質（optically thinner medium)中的穿入非常小，因此僅僅結合到在平面波導外表面上布置的結合地點 的被標記樣本被激發。隨后借助于CCD相機檢測到由這些標簽發出的熒光。
[0005] 盡管在原理上可以通過使用熒光標記來檢測結合親和力，但這種技術不利之處在 于：檢測到的信號由標記產生而不是由結合方本身來產生。此外，標記目標樣本需要額外的 工作步驟。此外，被標記目標樣本相對比較昂貴。另一個不利之處在于由光漂白或淬火效 果引起的結果失真。
【發明內容】
[0006] 本發明的目標是提供一種用于檢測結合親和力的裝置，以及能夠檢測這種結合親 和力的系統和方法，這克服了或至少很大程度上減少了上述現有技術傳感器的不足。
[0007] 根據本發明，這個目標通過用于檢測結合親和力的裝置來實現。該裝置包括布置 在基板上的平面波導，并且還包括光耦合器，所述光耦合器用于將預定波長的相干光耦合 到平面波導中以使得相干光傳播通過平面波導，其中相干光的漸消場沿平面波導的外表面 傳播。平面波導的外表面包括其上的結合地點，所述結合地點能夠將目標樣本結合到結合 地點以使得漸消場的光由結合到結合地點的目標樣本散射。結合地點沿多個預定線路布 置，預定線路被布置為使得由結合到結合地點的目標樣本所散射的光在預定檢測位置處干 涉光程長度上的差異，該差異是光的預定波長的整數倍。
[0008] 根據本發明，結合親和力的檢測既不限于特定類型的目標樣本也不限于任意類型 的結合地點，而是分子、蛋白質、DNA等結合特性可以相對于平面波導上任意類型的結合地 點而被分析。結合親和力的檢測可以以無標記的方式來實現。可選地，對光強烈地散射的 散射增強劑（比如散射標記）可以被用于提高檢測靈敏度。這種散射增強劑可以是納米顆 粒（單獨的或具有結合器的）或在另一示例中為膠體顆粒。待分析的結合特性可以具有靜 態類型（例如，可以分析是否目標樣本已經結合到或未結合到結合地點）或具有動態類型 (比如隨時間推移的結合過程的動力學可以被分析）。結合地點是位于目標樣本可以結合 到的平面波導的外表面上的位置。例如，結合地點可以包括固定在平面波導外表面上的捕 捉分子，或可以簡單地包括在平面波導外表面上的活化位置以能夠將目標樣本結合到活化 位置，或可以在平面波導外表面上的期望位置處以適于結合目標樣本的任意其他形式來體 現。多個預定線路可以包括各個獨立線路或可以包括其中各個線路被連接以形成單個線路 的線路式樣，例如彎折的單個線路式樣。在結合地點沿其布置的相鄰預定線路之間的距離 相關于光的預定波長來選擇。相鄰預定線路之間的優選距離為大于1〇〇納米（nm)的數量 級。對于相鄰預定線路之間的距離約100納米至約1000納米的范圍針對在平面波導中使 用可見光是優選的，以便散射光可以通過標準光學裝置被檢測到。此外，優選地，平面光波 導相對于平面波導外表面上的介質具有高的折射率，以便漸消場的穿入深度僅僅很小并且 在漸消場中傳播的相干光的分數是高的。例如，平面波導的折射率可以在1. 6至2. 5的范 圍之內，然而在平面波導表面處的介質的折射率典型地在1至1. 5范圍之內。經由示例，結 合地點可以包括固定在平面波導外表面上的捕捉分子。固定的捕捉分子與結合到其的目標 樣本一起形成散射了漸消場的相干光的多個散射中心。沿平面波導傳播的相干光具有預定 波長并且優選是單色的（理論上處于單一波長）。由于沿平面波導表面傳播的漸消場的光 與在平面波導內傳播的光是相干的，因此漸消場的相干光通過散射中心被相干地散射，其 中散射中心由結合到在不同預定線路上布置的捕捉分子的目標分子（或更一般而言，由結 合到結合地點的目標樣本）來形成。在任意位置處的散射光可以通過添加來自各個散射中 心的每一個散射中心的貢獻來確定。散射光的最大值位于預定檢測位置處，這是因為預定 線路被布置成使得在預定檢測位置處，由不同散射中心散射的光的光程長度相差光的波長 的整數倍。針對在檢測位置處的最大信號，從光耦合器到預定線路并且從該預定線路到預 定檢測位置的光的光程長度也是預定波長的整數倍。因此，由結合到結合地點的目標樣本 所散射的光在預定檢測位置處干涉。構造的干涉的需求通過在檢測位置中加入可檢測信號 的任意散射光來滿足。預定檢測位置并不限于具體形狀，例如，其可以具有點或條帶形狀。 "沿預定線路"的結合地點的布置代表了以下最優化情形：在其中，所有結合地點被準確地 布置在預定線路上。結合地點的這種最優化設計在檢測位置處引起最大信號。本領域技術 人員顯而易見的是，實踐中結合地點的布置可以在某種程度上偏離這種最優化布置。例如， 這種偏離可以由用于在平面波導外表面上布置結合地點的方法來產生，這在下面將會進行 詳細解釋。
[0009] 根據本發明的裝置的一個方面，相鄰預定線路之間的距離在漸消場的光的傳播方 向上減少。總體上講，針對沿預定線路布置的不同散射中心（結合到結合地點的目標樣 本），漸消場的散射光在預定檢測位置處干涉的角度是不同的。由于在預定檢測位置處散射 光是要干涉至最大值的，因此由多種散射中心所散射的光在光程長度上的差異必須是光的 波長的整數倍。相鄰預定線路之間距離的減少解釋了那個事實并且使光在預定檢測位置處 干涉至最大值，這不需要具有點形狀或小斑形狀但可以具有條帶形狀或任意其他期望的形 狀。
[0010] 根據本發明的裝置的另外一個方面，在其上布置結合地點的多個預定線路包括曲 線。線路的曲率為使得由與沿這些預定線路布置的結合地點結合的目標樣本所散射的漸消 場的光在預定檢測位置處干涉至最大值。檢測位置優選具有點形狀。各個預定線路中的每 個線路可以具有不同于其他預定線路曲率的曲率。實際上，檢測位置不是點而可以是小斑 (spot)或是具有比沿其布置了結合地點的預定線路長度更小的條帶。每個各個彎曲的預定 線路的曲率被選擇為使得從光耦合器傳播到個別預定線路并且從該個別預定線路傳播到 預定檢測位置處的光的光程長度針對整個曲線是傳播光的預定波長的整數倍。這個有利之 處還在于：由位于預定線路外部上的散射中心所散射的光對在點狀檢測位置（或斑狀或條 帶狀）的空間減少的區域中的信號有貢獻。
[0011] 仍然根據本發明裝置的進一步的方面，多個預定線路以如下方式被布置在平 面波導的外表面上：該方式使得它們在Xj，Yj坐標系中的位置由以下方程幾何限定，
【權利要求】
1. 用于檢測結合親和力的裝置，所述裝置包括布置在基板（3)上的平面波導（2)，并且 還包括光耦合器（4)，所述光耦合器（4)用于將預定波長的相干光（1)耦合到所述平面波 導（2)中以使得所述相干光傳播通過所述平面波導（2)，其中所述相干光的漸消場（6)沿 所述平面波導（2)的外表面（5)傳播，所述平面波導（2)的外表面（5)包括在所述外表面 (5)上的結合地點（7)，所述結合地點（7)能夠將目標樣本⑶結合到所述結合地點（7)以 使得所述漸消場￠)的光由結合到所述結合地點（7)的目標樣本（8)所散射，其中所述結 合地點（7)沿多個預定線路（9)布置，所述預定線路（9)被布置為使得由結合到所述結合 地點（7)的目標樣本（8)散射的光在預定檢測位置處干涉光程長度上的一個差異，所述差 異是所述光的預定波長的整數倍。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中相鄰預定線路（9)之間的距離在所述漸消場的光 的傳播方向上減少。
3. 根據權利要求1或2所述的裝置，其中，其上布置所述結合地點（7)的所述多個預定 線路（9)包括曲線，所述線路的曲率被布置為使得由結合到所述結合地點（7)的目標樣本 (8)所散射的漸消場（6)的光在作為檢測位置的預定檢測點處干涉。
4. 根據前述任一權利要求所述的裝置，其中所述多個預定線路（9)以如下方式被布置 在所述平面波導（2)的外表面（5)上以使得它們的位置由方程
來幾何限定，其中 入為傳播光的真空波長， Ν為所述平面波導中的引導模式的有效折射率；Ν取決于所述平面波導的厚度和折射 率、所述基板的折射率、在所述平面波導的外表面上的介質的折射率以及引導模式的極化， ns為所述基板的折射率， f為所述基板的厚度， &為整數，其被選擇為接近基板的折射率ns與基板的厚度f的積除以波長λ，以及 j為表示相應線路的索引的運行整數。
5. 根據權利要求1至4任一項所述的裝置，其中所述結合地點包括捕捉分子（7)，所述 捕捉分子（7)僅沿所述預定線路（9)附接到所述平面波導（2)的表面，所述捕捉分子能夠 結合所述目標樣本（8)。
6. 根據權利要求1至4任一項所述的裝置，其中所述結合地點包括能夠結合所述目標 樣本⑶的捕捉分子（7)，其中，能夠結合目標樣本⑶的捕捉分子（7)通過將能夠結合目 標樣本⑶的所述捕捉分子（7)分配到所述平面波導（2)的外表面（5)上并且通過對那些 不沿所述預定線路（9)布置的捕捉分子（12)去活化來沿所述預定線路（9)布置。
7. 根據前述任一權利要求所述的裝置，其中所述平面波導（2)具有折射率（nw)，其實 質上高于所述基板（3)的折射率（n s)，并且其實質上也高于所述平面波導（2)的外表面（5) 上的介質的折射率（nmJ，以使得針對所述光的預定波長，所述漸消場（6)具有50納米至 200納米范圍的穿入深度。
8. 根據前述任一權利要求所述的裝置，所述裝置包括用于使傳播通過所述平面波導 (2)的光耦合出來的另外光耦合器（13)，其中，用于使光耦合到所述平面波導（2)中的光耦 合器（4)以及用于使已傳播通過所述平面波導（2)的光耦合出來的另外光耦合器（13)都 包括用于使光相干地耦合到平面波導（2)中以及使光從所述平面波導（2)相干地耦合出來 的光柵（4、13)。
9. 根據前述任一權利要求所述的裝置，其中相關于通過所述平面波導的光的傳播方 向，所述平面波導（2)具有在所述平面波導（2)的相對端布置的第一端部分（14)和第二端 部分（15)，所述第一端部分（14)和第二端部分（15)中的每個均包括在傳播通過所述平面 波導（2)的光的波長處有吸收性的材料。
10. 根據前述任一權利要求所述的裝置，其中多個測量地帶（1〇、17)布置在所述平面 波導（2)的外表面（5)上，其中在每個測量地帶（10)中，所述結合地點（7)沿所述多個預 定線路（9)布置。
11. 根據權利要求10所述的裝置，其中所述多個測量地帶包括不同尺寸的測量地帶 (10、17)。
12. 根據權利要求10或11所述的裝置，其中每個測量地帶（10)具有大于25μπι2的面 積，并且其中所述多個預定線路（9)在相鄰預定線路（9)之間具有小于1.5μπι的距離，特 別地小于1 μ m的距離。
13. 根據權利要求10至12任一項所述的裝置，其中所述結合地點（7)沿單個測量地帶 (10)中的至少兩種多個預定線路（9)布置，其中所述兩種多個預定線路（9)中的每種被布 置為使得由結合到沿相應多個預定線路（9)布置的結合地點（7)的目標樣本（8)所散射的 光干涉光程長度上的一個差異，所述差異是針對每種多個預定線路（9)的在各個檢測位置 處的所述光的預定波長的整數倍，并且其中各個檢測位置在空間上被彼此分隔開。
14. 根據前述任一權利要求所述的裝置，還包括具有孔洞（21)的隔膜（11)，其被布置 為使得在檢測位置處的光被允許通過所述孔洞（21)而同時在與檢測位置不同的位置處的 光被所述隔膜（11)阻擋。
15. 根據權利要求14所述的裝置，其中所述隔膜（11)還包括至少一個另外孔洞（18)， 當通過平面波導（2)在光的傳播方向上觀察時，所述至少一個另外孔洞（18)被布置成與所 述孔洞（21)相鄰。
16. 用于檢測結合親和力的系統，包括根據前述任一項權利要求所述的裝置，并且還包 括用于發出預定波長的相干光（1)的光源，所述光源和所述裝置彼此相對布置為以使得所 述相干光（1)經由光耦合器（4)被耦合到平面波導（2)中。
17. 根據權利要求16所述的系統，還包括光學成像單元（19)，所述光學成像單元（19) 被聚焦以產生所述裝置的檢測位置的圖像。
18. 根據權利要求16或17所述的系統，其中所述系統還包括用于測量在檢測位置處的 光的強度的光電檢測器（20)。
19. 用于檢測結合親和力的方法，所述方法包括以下步驟： -提供包括布置在基板（3)上的平面波導（2)和光耦合器（4)的裝置， -使預定波長的相干光（1)耦合到所述平面波導（2)中以使得所述相干光沿所述平面 波導（2)傳播，其中，相干光的漸消場（6)沿所述平面波導（2)的外表面（5)傳播， -將目標樣本（8)附接到沿所述平面波導（2)的外表面（5)上的預定線路（9)布置的 結合地點（7)， -在預定檢測位置處檢測由結合到沿所述預定線路（9)布置的結合地點（7)的所述目 標樣本（8)所散射的漸消場的光，其中，由結合到所述結合地點（7)的目標樣本（8)所散射 的光在預定檢測位置處具有光程長度上的一個差異，該差異是光的預定波長的整數倍。
【文檔編號】G01N21/77GK104115000SQ201380005873
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年1月17日 優先權日:2012年1月17日
【發明者】克里斯托夫·法蒂蒙爾 申請人:弗·哈夫曼-拉羅切有限公司
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