专利名称：用于目标颗粒检测的微电子传感器装置的制作方法
用于目标颗粒检测的微电子传感器装置本发明涉及一种微电子传感器装置，以及一种用于检测结合到载体的结合表面处 的结合位点的目标颗粒的方法。此外，其还涉及这种装置的使用。US2005/0048599A1公开了一种微生物研究方法，该微生物被微粒标记，使得(例 如磁性)力可以施加在该微生物上。在该方法的一个实施例中，光束被引导穿过透明材 料到达一表面，该光束在所述表面被全内反射。作为倏逝波离开透明材料的这束光在该 表面被微生物和/或其他成分散射，且随后被光电探测器检测或用于照亮该微生物以供 视觉观察。这种或相似测量方法的一个问题在于所感兴趣的信号常常只是大的基础信号 (basesignal)的微小变化，这使得准确而鲁棒性测量变得困难，例如由于能够应用于总信 号的电子增益的限制。基于这种情况，本发明的目的在于提供用于改进所结合的目标颗粒的检测的装 置，其中，期望实现更高的灵敏度和/或准确度。所述目的通过根据权利要求1的微电子传感器装置、根据权利要求2的方法以及 根据权利要求13的用途来实现。在从属权利要求中公开了优选实施例。根据本发明的微电子传感器装置用于定性或定量检测结合到载体的“结合表面” 的结合位点的目标颗粒，此处所述的结合表面和载体(当然还有目标颗粒)不需要属于该 装置。尤其是，“目标颗粒”可以包含目标成分(例如生物物质如生物分子、络合物、细胞碎 片或细胞)和具有某种可检测特性(例如光密度、磁化率、电荷、荧光性或放射性)的“标 记颗粒”(例如原子、分子、络合物、纳米颗粒、微米颗粒等)的组合。术语纳米颗粒用于具 有至少3nm至5000nm之间尺寸范围的颗粒，优选地在IOnm至3000nm之间，更加优选地在 50nm至IOOOnm之间。该载体通常是固体，例如由透明材料如玻璃或透明塑料制成，具有此 处称为“结合表面”的一专用表面区域，并且该专用表面区域包含至少一个或典型地多个结 合位点。由俘获分子实现结合位点，该俘获分子附着在结合表面，并且能在样品流体中特异 地结合到目标颗粒(分子)。通常，结合可以基于化学结合、静电吸引、范德瓦尔斯力等。微电子传感器装置包含下述部件a)传感器单元，其用于提供“传感器信号”，该“传感器信号”指示在传感器单元的 相关敏感区域中目标颗粒的存在。“敏感区域”的定义为传感器单元可以检测目标颗粒的体 积。传感器单元可以应用任何适合的测量原理，例如光学检测、磁场或电场或这些场的磁化 率的检测、超声波检测等。b) “致动单元”，其用于有选择地引导结合表面上的所结合的目标颗粒相对于传感 器单元的敏感区域的运动。在该上下文中，“相对于敏感区域的运动”应该是在敏感区域内 的运动和/或穿过敏感区域的边界的运动。通常，致动单元可以采用任何适合的影响来实 现目标颗粒的期望运动，例如机械振动或周围样品流体的水动力运动或由外部施加的磁力 和/或静电力所引起的目标颗粒的振动。该运动应该使目标颗粒保持彼此结合而不断开。 典型地，该运动将是摆动。c)评估模块，用于评估传感器单元的传感器信号，其中该评估考虑由致动单元引 起的所结合的目标颗粒的运动。为此，可以用分立的测量检测所引起的运动，或优选地，从致动单元的控制输入推测得到。因此评估模块典型地耦合到传感器单元和致动单元。可以 通过专用(模拟)电子电路、带有相关软件的数字数据处理硬件或其混合来实现。由于传感器单元的测量与所引起的检测到的目标颗粒的运动相关，因此所述微电 子传感器装置具有允许对传感器信号进行更加准确和鲁棒性的评估的优点。例如，将所结 合的目标颗粒全部移出敏感区域(或全部移入敏感区域)将会得到两个信号，具有目标颗 粒的测量和不具有目标颗粒的参考测量，根据这些测量能够很准确地推测目标颗粒的实际 影响。本发明还涉及用于检查结合到载体的结合表面处的结合位点的目标颗粒的方法， 其中该方法包含下述步骤a)用传感器单元测量传感器信号，该传感器信号指示在传感器单元的敏感区域内 目标颗粒的存在。b)用致动单元选择性地引起所结合的目标颗粒相对于传感器单元的敏感区域的 运动。c)用评估模块在考虑所引起的目标颗粒的运动的同时评估传感器信号。该方法在一般形式上包含能够由上述类型的微电子传感器装置所执行的步骤。因 此，引用前述说明用于关于该方法的详细说明、优点和改善的更多信息。在下文中，将描述涉及微电子传感器装置和上面定义的方法的本发明的各种进一 步改进。在第一特定实施例中，通过致动单元的活动来移动目标颗粒穿过敏感区域地带， 在该敏感区域地带中传感器单元具有不同的灵敏度。因此当处于不同灵敏度地带时，目标 颗粒将诱发传感器单元的不同传感器信号。优选地，传感器单元的灵敏度在其整个敏感区 域连续变化；在这种情况下，即使是目标颗粒的极小运动也引起传感器单元的传感器信号 的变化。通常，传感器单元的非均勻的灵敏度保证了所引起的目标颗粒的运动将会对传感 器信号产生影响，在信号的评估期间可以考虑到这一点。已经提到过可以以几种不同的方式引起目标颗粒的运动。在优选实施例中，通过 与磁和/或电场相互作用来移动目标颗粒。如果目标颗粒具有能够耦合到磁场或电场的特 性，则这是可能的，例如如果颗粒具有磁或电偶极矩或者如果能够引起这种力矩。在该实施 例中，通过生成磁场或电场而很好地控制目标颗粒的运动。为了生成场，优选地，致动单元 包含场发生器，例如永磁体、电磁体、电极或电极对。可以任选地调制所引起的目标颗粒的运动，优选地以具有给定调制频率(其中频 率决定周期性过程的周期，该周期性过程不必须是正弦)的周期方式进行调制。为此，致动 单元可以包含用于以可控和优选地可调节方式来调制其活动的调制器。积极地调制所结 合的目标颗粒的运动具有下述优点，即可以将该运动调整至对于所期望的评估目的来说的 最佳的模式。而且，由于关于所控制的活动的调制信息中包含所期望的关于所引起的目标 颗粒的运动的信息，因此评估模块可以采用该信息。因此调制器控制致动单元所使用的控 制信号可以并行地提供给评估模块，用于在评估传感器信号的过程中对该控制信号进行考 虑。此外，通过引起和检测相同频率区域中的颗粒运动，例如通过使用同步调制和解调技 术，能够非常有效地抑制其它频率区域中的噪声源。已知传感器单元可以应用任何适合的测量原理。在优选实施例中，传感器单元应用光学测量，其中传感器信号从来自于载体的输出光束中得到，并且所述输出光束包含来 自于输入光束在结合表面的受抑全内反射的光束。在该实施例中，微电子传感器装置将会 包含用于以以下方式向结合表面发射输入光束的光源，即在适当的角度下其在那里被全内 反射。光源可以是例如激光器或发光二极管(LED)，其任选地具有一些用于成形和引导输入 光束的光学器件。而且，传感器装置将包含用于检测所提及的输出光束的光检测器，其中该 检测典型地包含测量输出光束中的光的量(例如表述为该光的密度)。光检测器还可以包 含任何适合的传感器或多个传感器，借此来检测给定光谱的光，例如可以包含光电二极管、 光敏电阻、光电池、CXD芯片或光电倍增管。对于在结合表面发生的全内反射，该表面必须是两个媒介例如玻璃和水的界面， 如果入射光束以合适的角度(大于全内反射(TIR)的关联临界角)射到界面，在该界面可 以发生TIR。这种设置通常用于检查在TIR界面的样品的小体积，以全内反射光束的指数衰 减的倏逝波到达该小体积。该体积内的目标颗粒可以散射和/或吸收倏逝波中的某些光， 其因此不会再向外耦合到反射光束。在该“受抑全内反射”的情况中，传感器装置的输出光 束将包含输入光束的反射光，其中由于倏逝波的散射和/或吸收所导致的少量光损失包含 关于研究区域内目标成分的期望信息。依赖于生物鉴定中所测量的分析物的浓度，所感兴 趣的信号(损失的光)关于相对大的DC，即常量、背景(background)，可以非常小。而且， 由于相对大的背景，信号容易被任何源干扰。在这种情形下，提出的所引起的目标颗粒的运 动的应用有助于在这种情况下改进测量的精度。根据前述实施例的进一步改进，可以调制输入光束，其中该调制优选地以具有给 定输入频率的周期方式来执行。调制输入光束提供一种特性指纹，其允许区别返回到该输 入光束的传感器信号的影响与其它影响，例如周围光的影响。在上述生成输出光束的实施例中，可以任选择地使用具有以下曝光特性的相机 (例如CCD相机)检测该光束a)频率(帧频)，其锁相于输出光束的调制频率ω但小于该调制频率ω (其中该 调制频率可以与例如目标颗粒的调制运动和/或输入光束的调制对应)；b)曝光时间(快门打开)小于输出光束的调制周期(T = 2 π /ω)。因此以高于相机最大帧频的相机调节频率在输出光束中进行观察是可能的。优选地由评估模块关于一个或多个给定频率解调由传感器单元提供的传感器信 号，尤其关于所引起的目标颗粒的运动的调制和/或关于输入光束的调制(如果使用该调 制和该输入光束)。为了执行解调，评估单元可以包含(模拟或数字)信号处理器领域的技 术人员熟知的解调器。在解调的帮助下，可以从其它影响即干扰中区分确实返回到目标颗 粒和/或输入光束的影响。在前述实施例的特殊实现中，调整对所引起的目标颗粒的运动的调制和对输入光 束的调制，使得运动调制作为对于光调制的边带(sideband)出现在解调的传感器信号中。 例如如果正弦的光调制以比正弦的运动调制更高的频率出现，就是这种情况。根据应用微电子传感器装置或其方法所应用的特殊任务，可以在不同方面评估传 感器信号。优选地，关于传感器单元的敏感区域内目标颗粒的存在和/或数量来评估传感 器信号，由此允许确定例如样品流体中特殊生物分子的浓度。可选地或此外，可以关于目标 颗粒与结合表面之间结合的结合特性来评估传感器信号。在这种情况下，目标颗粒对于某
6种致动力例如由电或磁场所引起的力的反应，依赖于这些目标颗粒结合的强度，即依赖于 相关联的结合位点(俘获分子)的特性。所引起的目标颗粒的运动的某些方面，例如阻尼 因数、谐振频率、幅值、相移，将会携带关于结合位点和/或结合表面上的工作情况的有用 信息(例如周围流体的粘性)。本发明还涉及上述微电子装置在以下中的使用分子诊断、生物样品分析或化学 样品分析、食物分析和/或法医检定。可以在直接或间接附接到目标分子的磁珠或荧光颗 粒的帮助下实现分子诊断。通过参考下文所述实施例，本发明的这些和其它方面将变得明显并且得以阐明。 通过附图的帮助将以示例的方式描述这些实施例，其中
图1示意性地示出根据本发明的微电子传感器装置的结构；图2更详细地示出结合到载体的结合表面处的结合位点的目标颗粒；图3-6示意性地示出在不同轴的周围调制所结合的目标颗粒的几个实例。附图中的相同附图标记表示相同或相似部件。图1示出根据本发明的微电子传感器装置的一般结构。该结构的中心部件是载体 11，其可以用例如玻璃或透明塑料如聚苯乙烯制成。载体11位于样品室2的旁边，在样品 室2中提供要检测的带有目标成分(例如药物、抗体、DNA等)的样品流体。样品还包含磁 性颗粒，例如超顺磁珠，其中这些颗粒通常作为标记而结合(例如经由带有抗体的涂层)在 前述目标成分。为简便起见，在附图中仅仅示出了用于目标成分和磁性颗粒的组合，在下文 中将其称作“目标颗粒1”。应该注意，除了磁性颗粒还可以使用其它标记颗粒，例如充电颗 粒或荧光颗粒。由称为“结合表面” 12的表面形成载体11和样品室2之间的界面。结合表面12 上涂有俘获分子3例如抗体，该俘获分子3能够特异地结合到目标颗粒。传感器装置包含磁场发生器51，例如具有线圈和磁芯的电磁体，其用于可控地在 结合表面12和样品室2的相邻空间中生成磁场B。在这一磁场B的帮助下，可以操纵目标 颗粒1，即将其磁化并且特别地将其移动(如果使用带有梯度的磁场)。因此为了使相关目 标颗粒加速结合到所述表面，将目标颗粒1吸引到结合表面12上是可能的。在样品室2顶 端的第二电磁体51’可以任选地用于“清洗”掉没有结合的颗粒1(例如因为所有的结合位 点3都已被占有)。此处“清洗”还可以通过使用第一电磁体51以这样的方式应用磁场来 实现，即所有没有结合的目标颗粒都从测量区域/体积清除，就像使用马蹄形电磁体的配 置做到的一样。在这种情况下，目标颗粒1和结合位点3之间的结合力应该大于所应用的 磁力，因此在清洗过程中结合依然保持原样(假定结合位点3和表面12之间的结合也足够 强)。还应该注意到，也可以采用静电力，使用交替电场驱动(非磁性)标记颗粒。传感器装置还包含光源21，例如激光器或LED，其生成穿过“入射窗”发射到载体 11的输入光束Li。输入光束Ll以大于全内反射(TIR)的临界角Θ。的角度θ到达结合表 面12，因此“输出光束”L2被全内反射。输出光束L2穿过另一表面(“出射窗”)离开载体 11，并由光检测器31对其进行检测。光检测器31确定输出光束L2的光的量(例如表示为 该光束在整个光谱或光谱的某个部分的光密度)。由耦合到光检测器31的评估和记录模块 32在观察周期期间评估和任选地监测所测量的传感器信号S。光源21可以采用例如商用的CDU = 780nm)，DVD ( λ = 658nm)，或者BD ( λ =405nm)的激光二极管。可以使用准直器镜片使输入光束Ll平行，可以使用例如0. 5mm的针 孔减小光束直径。使用检测器31对由荧光颗粒1发射的荧光进行采样也是可能的，该荧光颗粒1由 输入光束Ll的倏逝波激励，其中该荧光可以从反射光L2中光谱区分。虽然下述说明集中 在反射光的测量，但是此处所讨论的原理加以必要修改后也可应用于荧光的检测中。所述的微电子传感器装置采用光学装置来检测目标颗粒1。为了消除或至少最小 化背景(例如样品流体，如唾液、血液等)的影响，检测技术应该是表面特异的。如上所述， 这通过使用受抑全内反射原理来实现。该原理基于当入射光束Ll被全内反射时，倏逝波穿 透(强度指数降落)到样品2。如果该倏逝波与如所结合的目标颗粒1的另一介质相互作 用，那么一部分输入光束将耦合到样品流体(此处称为“受抑全内反射”)，并且反射强度将 减小(而对于干净的界面并且没有相互作用时反射强度将会是100%)。根据干扰的量，即 TIR表面上或距离其很近(在大约200nm之内)的目标颗粒的量，反射强度将相应地下降。 应该注意的是，此处“区域附近”由样品室中倏逝波的穿透深度ζ定义，其依赖于波长入、 输入光束Ll的入射角θ和基底11的折射率 和直接在界面12上面的介质(例如血液 或水)的折射率ηΒ，并由下述公式确定 该强度下降是对所结合的目标颗粒1的量的直接测量，因此也是对样品中的目标 颗粒的浓度的测量。当将大约100至200nm的倏逝波的典型相互作用距离与抗体、目标分 子和磁珠的典型大小相比较时，背景的影响将最小化，这一点很清楚。更大的波长λ将增 加相互作用的距离，但是背景流体的影响依然非常小。所述光学测量过程与所应用的磁场无关。这允许对准备、测量和清洗步骤进行实 时的光学监控。所监控的信号也可以用于控制测量或单个工序。对于典型应用的材料，载体11的介质A可以是玻璃和/或具有典型折射率ηΑ = 1.52的某种透明塑料。样品室2中的介质B可以基于水并且折射率 接近1.3。这与60° 的临界角Θ。相对应。因此入射角θ是70°是允许具有稍大折射率(假定ηΑ= 1.52，允 许 达到最大1.43)的流体介质的实用选择。更大数值的 将会需要更大的 和/或更 大的入射角。与用于致动的磁性标记结合的所述光学读出的优点在于-廉价的盒载体11可以包括相对简单的聚合材料的注模件。_用于多种分析物检测的更大的多路复用的可能性可大范围地光学扫描一次性 盒中的结合表面12。可选择地，允许大检测阵列的大面积成像是可能的。可以通过例如将 不同结合分子喷墨式印刷到光学表面的方法得到这种阵列(位于光学透明表面)。该方法 通过使用多光束、多检测器和多致动磁体(机械移动或电磁致动)而允许在孔板中的高吞 吐量测试。-致动和感测互不相关目标颗粒的磁性致动(由大磁场和磁场梯度)不会影响 感测过程。因此允许在致动期间光学方法持续监控信号。这提供了对于检测过程的很多理 解，并且允许基于信号斜率的简单运动检测方法。-由于倏逝场指数减小而导致系统实际上是表面敏感的。
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-简单的接口在盒和阅读器之间不需要电连接。仅仅需要使用光学窗口和光学 级测量表面来探测盒。因此能够实现无接触读出。-低噪声读出是可能的。所述测量方法的问题可以由起始信号(即当没有目标颗粒1附着在结合表面12 时的传感器信号S)很高的事实而引出。将目标颗粒结合到结合表面将会减小该高信号。因 此以(1-x)的方式(这是光学信号S)测量信号‘X’，该信号‘X’与结合到结合表面的目标颗 粒的量相对应。这有一个缺点，因为感兴趣的是信号‘χ’，而其与所测量的光学信号(1-x) 相比太小。由于起始信号相对于‘X’信号较大，因此这可以引起所谓的“增益问题”。由于 背景信号也会被放大，其在放大器和ADC中引起例如“溢出”，以及噪声影响的放大，例如由 于激光强度的波动或检测器噪声等，因此很难放大‘X’信号。此外，因为不能从χ变化区分 增益变化，因此所测量的‘X’信号对于增益变化非常敏感。此外，如果背景信号改变，例如 因为一些来自外部光源的光射到检测器或盒，测量结果就会受到影响，这也是非常不希望 出现的。因此，非常期望从电路设计和信号处理的角度，将(1-x)测量转换为仅测量‘X’的 测量，即仅测量结合到结合表面12的目标颗粒1的量。这里所提出的上述问题的解决方案以通常的生物检测开始，即注入磁珠和带有目 标分子的样品、磁珠和目标分子结合到“目标颗粒” 1、目标颗粒1结合到结合位点3和洗除 未结合目标颗粒。因此结合表面12具有经由俘获元素3(例如蛋白质BSA-opi)附着在其 表面的目标颗粒1。向外耦合到输入光束Ll的光的量与结合到结合表面12的目标颗粒1 的量成比例。但是，向外耦合的光的量还依赖于目标颗粒1和结合表面12之间的距离d，即 “目标颗粒”在表面正上方的倏逝场(敏感区域13)中存在的量。在图2中更详细地进行图示。由于俘获元素3(在结合表面12和目标颗粒1之 间)是灵活的，因此通过应用梯度为VB的交替磁场和/或电场(未示出)来上下移动目标 颗粒1。这也将会改变向外耦合的光的量，可以作为目标颗粒结合到表面的区域的“闪烁” 来观察。因此，有能够以某一频率ωω调制的信号，其能够以传感器信号S的该频率(^进 行解调，即由于目标颗粒1的调制运动而导致的光学幅值的变化是能够测量的。该变化与 结合表面12上存在的目标颗粒1的量成比例，即具有期望的‘X’测量，而不是(1-x)测量。当拉长和压缩结合表面12与目标颗粒1之间的蛋白质3时，则改变二者之间的距 离，可以通过几种方式来实现-通过应用调制的磁场Β(当目标颗粒1是超顺磁时)。但是，由于磁性线圈易于 消耗许多功率并生成大量热，因此实现非常高的频率(即频率> IOkHz)是很难的。然而， 几千赫兹的频率是可能的。-通过电泳利用静态磁(梯度)场将目标颗粒1吸引到结合表面12是可能的， 并且利用电场将目标颗粒1从结合表面12驱逐也是可能的。当电场关闭时，目标颗粒又被 磁场拉回到表面。通过采用周期性电场，可以实现目标颗粒1周期性的上下运动。由于生 成HF电场比生成HF磁场更容易，因此使用这种方式，可以实现更高的频率。静态磁场允许 更大振荡幅度，由此每个结合的目标颗粒允许更高的信号。图1中的微电子传感器装置结合上述方法的具体实施例，即用于引起所结合的目 标颗粒1的振荡运动的致动单元50。致动单元50包含控制和调制单元52和分别位于样品
9室2下面和上面的电磁体51和51’。控制和调制单元52耦合到电磁体51和51’，以感应 出敏感区域13内的磁性梯度场B。根据与Sin(Omt)成比例的调制信号来调制磁性场，其 中该调制信号从控制和调制单元52发送到评估模块32，使得在那里考虑该调制信号。可选 择地，可以利用分别位于样品室2下面和上面的电极和反电极设计致动单元，经由该电极 和反电极能在样品室内部产生调制的电场。通过使用上述调制方法，可以在评估模块32中正确地解调传感器信号S，以得到 与结合到结合表面12的目标颗粒1的量直接成比例的信号。但是，该方法还能够测量结合 表面和目标颗粒之间的俘获元素3(例如蛋白质)的某种特性。因此可以从观察到的Q系 数和谐振频率中得到关于蛋白质的结构信息，以及可以从观察到的目标颗粒振荡的幅值得 到蛋白质的大小。而且，可以推断进行测量的流体(例如唾液)的粘性。此外，由于检测到的信号和传感器表面上的颗粒的ζ位置之间的非线性关系，调 制信号中的谐波给出了关于所述ζ位置平均值的信息。这可以用于测量关于光学表面的结 合长度，以及用于表征结合探测器。在所述方法中，通过解调从传感器信号得到的‘X’值独立于背景信号。而且，在与 调制/解调频率不同的频率下发生的任何干扰例如外来光、电子干扰等，都不能影响‘X’。图3示意性地示出本发明的另一个实施例。所示是与上述图中相似的结合表面 12。结合表面12下面的两个箭头表示光碰撞在结合表面12的过程，如左边箭头所示，以及 从结合表面12反射，如右边箭头所示。箭头尖分别象征了光到达结合表面12和从结合表 面12离开的方向。图3中示出了结合到结合表面12的彼此结合的两个目标颗粒1。该目 标颗粒1的组群形成了不对称的物理图示并因此将不均勻的力施加到这些目标颗粒1。更 加一般地，使用能够被施加机械力矩的单个或组合目标颗粒，其需要颗粒(或颗粒组合)的 非球形物理特性。例如目标颗粒可以具有磁和/或电各向异性，例如形状各向异性和/或晶 态各向异性。可以使目标颗粒1关于借助于不均勻的物理和/或化学特性而施加的力和取 向可检测。物理特性可以是电磁特性，例如光学特性如取向相关光学吸收。化学特性可以 是作为目标颗粒1的涂层的化学基团。例如目标颗粒1可以非球形地涂有光学活性基团， 例如化学发光酶或基底。当在如所述一样调制目标颗粒的取向的同时发生化学发光反应， 则在光学场中将还会调制最终的光学信号。检测该调制的信号时，建议在不同类型的目标 颗粒1之间进行区分，并且还建议在目标颗粒1之间的不同类型的生物结合之间进行区分。 这表示通过采用目标颗粒1的旋转，可以得到关于目标颗粒1特性和关于目标颗粒1结合 特性的结论。如所述的检测具有旋转的目标颗粒1的另一个影响在于提高灵敏度，通过这 种方法提高检测灵敏度。在一个实例中，输出光不是完全反射，而是根据目标颗粒1的量， 尤其是目标颗粒1所包含的标记颗粒的量，右侧的输出光相对于左侧的输入光变暗。这是 因为在标记颗粒上的光的反射，该反射与目标成分(例如生物物质如生物分子、络合物、细 胞碎片或细胞)的个数或量相关。图3中所示的虚线图示了目标颗粒1绕其旋转的旋转轴，在该实例中，两个目标颗 粒1的组群结合在一起。为了进一步图示旋转的方向，示出两个弯曲的箭头，其给出目标颗 粒1在图像平面外的旋转方向。通过改变引起旋转力的电或磁场，可以将旋转方向改变为 所示的进入图像平面的相反方向。认为由目标颗粒1的物理特性引起目标颗粒1的旋转， 由于目标颗粒1的两个颗粒组群的形式不完全是球形，因此不均勻的力或力矩施加给目标
10颗粒1以引起旋转。图4示出了本发明的相似实例，此处目标颗粒1又彼此结合以形成具 有两个的组群，并且在基本平行于结合表面12的相同方向上排列。用与结合表面12垂直 的虚线表示旋转轴。这表示旋转方向基本平行于结合表面12，使目标颗粒1的旋转运动中 目标颗粒1与结合表面12之间的距离基本相同。此外，可以以顺时针方向或逆时针方向改 变旋转方向。图5示出了另一实例，其中旋转方向位于附图的图像平面内，因此旋转轴指向 附图的图像平面。由于目标颗粒1结合为具有两个的组群，因此绕该轴旋转表示目标颗粒 及时改变其相对位置。图6示出结合表面12的另一结构连同不同的光学检测方法。结合表面12不是如 图3-5所述的平面而是曲面，该曲面关于图像平面内的垂直轴相称。结合表面12的一部分 下倾，结合表面12的另一部分上倾(inclined)，两部分都具有相同的长度，并在中间穿过， 形成对称槽。由此在结合表面12没有如图3-5中所述的光的全反射，而是，在图6中输入 光主要被引导通过结合表面12的一个下倾部分，并且在至结合表面12的相对的另一上倾 部分的方向上衍射。在到达结合表面12的上倾部分之前，光通过目标颗粒1，在那里光被吸 收。如图6所示，光在结合表面12的上倾部分又穿过结合表面12，并且又在相同方向发生 衍射。仍然参见图1，检测器接收来自于上述结构的反射光。在该实例中，目标颗粒1的旋 转与图4中所述相同，此外，旋转方向是可设计的。利用低频ωω调制目标颗粒运动的问题可能是最终低频信号的检测发生在Ι/f噪 声(电子器件)对于解调信号噪声具有主要影响的范围上。为了解决这一问题，可以采用 光源21的附加强度调制和相关的解调技术。图1表示了在这一方面中还调制由光源21发 射的输入光束Li，并且将相应的正弦调制信号Sin(Colt)发送到评估模块32。可以通过调 制注入激光电流以直接方式实现激光二极管的高频率调制(达到大约100MHz)。该激光电 流调制广泛应用于用于抑制由于光学反馈而导致的强度噪声的光学存储应用中。通过将该 光强度调制(高频Q1)结合到前述磁或电场调制(中频ωω)，由中频磁/电场调制导致的 信号(“振荡目标颗粒”信号)可以转换到对于高频噪声有利的高频域。根据以下公式，该 方案中的振荡目标颗粒信号显示为高频(MHz)域的和和差边带A.Cos(^y)χcos(amt) = —-ωη) + Cos(C)i + ωηV]通过使用该双调制方案，可以在高频时方便地测量(中频)振荡目标颗粒信号。为 了消除由于激光强度变化和杂散反射(在频率Q1时存在)导致的信号错误交叉串扰，边带 应该充分与发生Q1处的主频带分开。这需要稳定的振荡电路驱动激光。使用例如IOOkHz 的激光调制频率Q1和IkHz的磁或电场调制频率《m，当工作在IOOkHz时，激光驱动的稳 定性应该远低于1kHz，这一点在实际中很容易实现。此外，由于检测到的信号和传感器表面上的颗粒的ζ位置之间的非线性关系，信 号中的更高的互调制项给出关于所述ζ位置平均值的信息。这可以用于测量关于光学表面 的结合的长度，以及用于表征结合探测器。当使用(CCD)相机观察结合表面12时，所述相机可能太慢而不能跟上磁或电场 (频率ωω)和/或激光输入光束(频率(O1)的调制。该问题可以通过下述方法解决(1)将相机帧频锁相到调制频率，以及(2)调整照明(快门打开)时间至足够短以采样(部分)调制周期。
通过相对于调制周期使光照时刻移相，可以扫描总周期。使用相机具有与单点方 法相比的多点处理的优势。虽然以上参考具体实施例描述了本发明，但是各种修改和扩展都是可能的，例 如-传感器可以是基于颗粒的任何特性检测传感器表面上或附近的磁性颗粒存在的 任何适合的传感器，例如，可以通过磁的方法、光学方法(例如成像、荧光、化学发光、吸收、 散射、表面等离子体共振等)、声检测(例如表面声波等)、电检测等进行检测。-除了分子检测，根据本发明还可以使用传感器装置检测更大的基团，例如细胞、 病毒、或细胞或病毒片段、组织提取液等。-进行检测时，可以扫描或不扫描相对于传感器表面的传感器元件。-可以导出作为终点测量的测量数据，以及通过运动地或间歇地记录数据导出测
量数据。-该装置和方法可以用于几种生物化学检测类型，例如结合/不结合检测、夹层检 测、竞争检测、位移检测、酶检测等。-该装置和方法适合用于传感器多路复用(即不同传感器和传感器表面的并行 使用，例如可以例如经由在光学基底上布点或喷墨式印刷而使表面上布点有不同俘获探测 器)、标记多路复用(即并行使用不同类型的标记)和室的多路复用(即并行使用不同反应室)。_该装置和方法可以用作快速、鲁棒性且容易使用的针对小样品体积的医疗点生 物传感器。反应室可以是和压缩阅读器一起使用的一次性物件，包括一个或多个场发生装 置和一个或多个检测装置。此外，本发明的装置、方法和系统可以用于自动吞吐量测试。在 这种情况下，反应室例如是适合放入自动仪器的孔板或试管。最后应该指出的是，在本申请中术语“包含”不排除其它元件或步骤，“一”或“一 个”不排除多个，并且单个处理器或其它单元可以实现几个装置的功能。本发明在于每个和 各个特有特征和每个和各个特有特征的组合。此外，权利要求中的附图标记不应解释为对 其范围的限制。
权利要求
一种微电子传感器装置，其用于检查结合到载体(11)的结合表面(12)处的结合位点(3)的目标颗粒(1)，所述装置包括a)传感器单元(21，31)，其用于提供指示在所述传感器单元的敏感区域(13)中存在目标颗粒(1)的传感器信号(S)；b)致动单元(50)，其用于选择性地引起所结合的目标颗粒(1)相对于所述传感器单元的所述敏感区域(13)的运动；c)评估模块(32)，其用于在考虑所引起的所述目标颗粒(1)的运动的情况下评估所述传感器信号(S)。
2.一种用于检查结合到载体(11)的结合表面(12)处的结合位点(3)的目标颗粒(1) 的方法，其包括a)使用传感器单元(21，31)测量指示在所述传感器单元的敏感区域(13)中存在目标 颗粒⑴的传感器信号⑶；b)使用致动单元(50)选择性地引起所结合的目标颗粒(1)相对于所述传感器单元的 所述敏感区域(13)的运动；c)使用评估模块(32)在考虑所引起的所述目标颗粒(1)的运动的情况下评估所述传 感器信号⑶。
3.如权利要求1所述的微电子传感器装置或如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标颗粒(1)移动通过所述敏感区域(13)中的所述传感器单元的不 同灵敏度地带。
4.如权利要求1所述的微电子传感器装置或如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标颗粒(1)通过与磁场(B)或电场的相互作用移动。
5.如权利要求1所述的微电子传感器装置或如权利要求2所述的方法，其特征在于，调制所引起的结合的目标颗粒(1)的运动，优选地以调制频率(《m)周期 地进行所述调制。
6.如权利要求1所述的微电子传感器装置或如权利要求2所述的方法，其特征在于，借助于设计为具有非球形形式的目标颗粒(1)，绕着穿过所述目标颗粒 (1)的轴调制所引起的结合的目标颗粒(1)的运动。
7.如权利要求1所述的微电子传感器装置或如权利要求2所述的方法，其特征在于，从包含来自于输入光束(L1)在所述结合表面(12)处的受抑全内反射的 光的输出光束(L2)中导出所述传感器信号(S)。
8.如权利要求7所述的微电子传感器装置或方法，其特征在于，调制所述输入光束(L1)，优选地以输入频率(0^)周期地进行所述调制。
9.如权利要求7或8所述的微电子传感器装置或方法，其特征在于，使用具有以下曝光特性的相机来检测所述输出光束(L2)a)锁相于但小于所述输出光束(L2)的调制频率(《m，(^)的频率；b)曝光时间小于所述输出光束的调制周期。
10.如权利要求1所述的微电子传感器装置或如权利要求2所述的方法，其特征在于，解调所述传感器信号(S)，特别地相对于所引起的所述目标颗粒(1)的运 动的调制和/或相对于输入光束(L1)的调制来解调所述传感器信号(S)。
11.如权利要求10所述的微电子传感器装置或方法，其特征在于，所引起的所述目标颗粒(1)的运动的调制在所解调的传感器信号(S)中 表现为相对于输入光束(L1)的调制的边带。
12.如权利要求1所述的微电子传感器装置或如权利要求2所述的方法， 其特征在于，相对于所述目标颗粒(1)在所述传感器单元(21，31)的所述敏感区域 (13)中的存在和/或其量，和/或相对于所述目标颗粒(1)和所述结合表面(12)之间的结 合特性来评估所述传感器信号(S)。
13.如权利要求1至12中任一项所述的微电子传感器装置用于分子诊断、生物样品分 析或化学样品分析的用途。
全文摘要
本发明涉及一种微电子传感器装置，其用于检查结合到载体(11)的结合表面(12)处的结合位点(3)的目标颗粒(1)。在优选实施例中，输入光束(L1)发射到载体(11)中，在其中的结合表面(12)上发生受抑全内反射(FTIR)。光检测器(31)检测在最终的输出光束(L2)中的光的量，并且提供关于在结合表面上存在的目标颗粒的信息。此外，致动单元(50)通过与尤其是具有给定的调制频率(COIn)的磁场(B)或者电场相互作用而引起所结合的目标颗粒(1)的运动，从而通过检测器信号(S)的解调可以从背景中区分目标颗粒的影响。
文档编号G01N21/55GK101903758SQ200880121115
公开日2010年12月1日 申请日期2008年10月31日 优先权日2007年12月20日
发明者D·M·布鲁斯, J·A·H·M·卡尔曼, J·J·H·B·施莱彭, M·W·J·普林斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司