用于检测结合亲和力的装置制造方法
【专利摘要】一种用于检测结合亲和力的装置，包括布置在基板(3)上的平面波导(2)，以及用于将预定波长的相干光(1)耦合到所述平面波导中的光耦合器(4)。相干光传播通过平面波导(2)，其中渐消场(6)沿所述平面波导的外表面(5)传播。所述平面波导的外表面(5)包括所述外表面(5)上的结合地点(7)，所述结合地点(7)能够将目标样本(8)结合到所述结合地点(7)以使得所述渐消场(6)的光由结合到所述结合地点(7)的目标样本(8)所散射。所述结合地点(7)沿多个预定线路(9)布置，所述预定线路(9)被布置为使得散射光在预定检测方向处干涉光程长度上的一个差异，所述差异是所述光的预定波长的整数倍。
【专利说明】用于检测结合亲和力的装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及根据相应独立权利要求的用于检测结合亲和力的装置以及用于检测 结合亲和力的系统的方法。
【背景技术】
[0002] 例如，这种装置在多种应用中被用作为生物传感器。一种具体应用是检测及监视 结合亲和力（binding affinity)或过程。例如，借助于这种生物传感器，对目标样品结合至 结合地点进行检测的各种试验可以被执行。典型地，对在生物传感器表面上的二维微阵列 处布置的场所处的生物传感器执行大量的这种试验。微阵列的使用提供了一种用于在高通 量药物筛选中同时检测不同目标样本的结合亲和力或过程的工具，其中，诸如分子、蛋白质 或DNA的大量目标样本可以被快速地分析。为了检测结合到特定结合地点的目标样本的亲 和力（比如结合到不同捕捉分子的目标分子的亲和力），大量的结合地点被固定在可例如 通过喷墨测定地点（ink-jet spotting)应用的场所处的生物传感器的表面上。每个场所 针对预定类型的捕捉分子来形成独立测量地带。目标样本对特定类型捕捉分子的亲和力被 检测并且被用于提供关于目标样本的结合亲和力的信息。
[0003] 用于检测目标样本的结合亲和力的公知技术使用能够在激发时发出荧光的标记。 例如，荧光标签可以用作用于标记目标样本的标记。当激发时，荧光标签被使得发出具有特 有的放射光谱的荧光。检测在具体场所处的这种特有放射光谱表明了带标记的目标分子已 经结合到存在于各自场所处的特定类型的结合地点。
[0004] 用于检测被标记目标样本的传感器在以下文章"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。所描述的传感器包括布置在基板上的平面波导， 以及用于将预定波长的相干光耦合到该平面波导中的光栅。另外光栅布置在平面波导远离 光栅的那个端部处以将光耦合到波导中。通过平面波导传播的相干光通过另外光栅从平面 波导耦合出来。耦合出来的光用于调节预定波长的相干光耦合到平面波导中。相干光在全 反射条件下通过平面波导传播，其中相干光的渐消场（evanescent field)沿平面波导的外 表面传播。渐消场穿入到平面波导外表面处的低折射率介质中的深度为传播通过平面波导 的相干光的一小部分波长的数量级。渐消场激发结合到在平面波导外表面上布置的结合地 点的被标记目标样本的突光标签。由于渐消场到平面波导外表面处的光疏介质（optically thinner medium)中的穿入非常小，因此仅仅结合到在平面波导外表面上布置的结合地点 的被标记样本被激发。随后借助于CCD相机检测到由这些标签发出的荧光。
[0005] 尽管在原理上可以通过使用荧光标记来检测结合亲和力，但这种技术不利之处在 于：检测到的信号由标记产生而不是由结合方本身来产生。此外，标记目标样本需要额外的 工作步骤。此外，被标记目标样本相对比较昂贵。另一个不利之处在于由光漂白或淬火效 果引起的结果失真。
【发明内容】
[0006] 本发明的目标是提供一种用于检测结合亲和力的装置，以及能够检测这种结合亲 和力的系统和方法，这克服了或至少很大程度上减少了上述现有技术传感器的不足。
[0007] 根据本发明，这个目标通过用于检测结合亲和力的装置来实现。该装置包括布置 在基板上的平面波导，并且还包括光耦合器，所述光耦合器用于将预定波长的相干光耦合 到平面波导中以使得相干光传播通过平面波导，其中相干光的渐消场沿平面波导的外表面 传播。平面波导的外表面包括其上的结合地点，所述结合地点能够将目标样本结合到结合 地点以使得渐消场的光由结合到结合地点的目标样本散射。结合地点沿多个预定线路布 置，预定线路被布置为使得由结合到结合地点的目标样本所散射的光在预定检测位置处干 涉光程长度上的差异，该差异是光的预定波长的整数倍。
[0008] 根据本发明，结合亲和力的检测既不限于特定类型的目标样本也不限于任意类型 的结合地点，而是分子、蛋白质、DNA等结合特性可以相对于平面波导上任意类型的结合地 点而被分析。结合亲和力的检测可以以无标记的方式来实现。可选地，对光强烈地散射的 散射增强剂（比如散射标记）可以被用于提高检测灵敏度。这种散射增强剂可以是纳米颗 粒（单独的或具有结合器的）或在另一示例中为胶体颗粒。待分析的结合特性可以具有静 态类型（例如，可以分析是否目标样本已经结合到或未结合到结合地点）或具有动态类型 (比如随时间推移的结合过程的动力学可以被分析）。结合地点是位于目标样本可以结合 到的平面波导的外表面上的位置。例如，结合地点可以包括固定在平面波导外表面上的捕 捉分子，或可以简单地包括在平面波导外表面上的活化位置以能够将目标样本结合到活化 位置，或可以在平面波导外表面上的期望位置处以适于结合目标样本的任意其他形式来体 现。多个预定线路可以包括各个独立线路或可以包括其中各个线路被连接以形成单个线路 的线路式样，例如弯折的单个线路式样。在结合地点沿其布置的相邻预定线路之间的距离 相关于光的预定波长来选择。相邻预定线路之间的优选距离为大于1〇〇纳米（nm)的数量 级。对于相邻预定线路之间的距离约100纳米至约1000纳米的范围针对在平面波导中使 用可见光是优选的，以便散射光可以通过标准光学装置被检测到。此外，优选地，平面光波 导相对于平面波导外表面上的介质具有高的折射率，以便渐消场的穿入深度仅仅很小并且 在渐消场中传播的相干光的分数是高的。例如，平面波导的折射率可以在1. 6至2. 5的范 围之内，然而在平面波导表面处的介质的折射率典型地在1至1. 5范围之内。经由示例，结 合地点可以包括固定在平面波导外表面上的捕捉分子。固定的捕捉分子与结合到其的目标 样本一起形成散射了渐消场的相干光的多个散射中心。沿平面波导传播的相干光具有预定 波长并且优选是单色的（理论上处于单一波长）。由于沿平面波导表面传播的渐消场的光 与在平面波导内传播的光是相干的，因此渐消场的相干光通过散射中心被相干地散射，其 中散射中心由结合到在不同预定线路上布置的捕捉分子的目标分子（或更一般而言，由结 合到结合地点的目标样本）来形成。在任意位置处的散射光可以通过添加来自各个散射中 心的每一个散射中心的贡献来确定。散射光的最大值位于预定检测位置处，这是因为预定 线路被布置成使得在预定检测位置处，由不同散射中心散射的光的光程长度相差光的波长 的整数倍。针对在检测位置处的最大信号，从光耦合器到预定线路并且从该预定线路到预 定检测位置的光的光程长度也是预定波长的整数倍。因此，由结合到结合地点的目标样本 所散射的光在预定检测位置处干涉。构造的干涉的需求通过在检测位置中加入可检测信号 的任意散射光来满足。预定检测位置并不限于具体形状，例如，其可以具有点或条带形状。 "沿预定线路"的结合地点的布置代表了以下最优化情形：在其中，所有结合地点被准确地 布置在预定线路上。结合地点的这种最优化设计在检测位置处引起最大信号。本领域技术 人员显而易见的是，实践中结合地点的布置可以在某种程度上偏离这种最优化布置。例如， 这种偏离可以由用于在平面波导外表面上布置结合地点的方法来产生，这在下面将会进行 详细解释。
[0009] 根据本发明的装置的一个方面，相邻预定线路之间的距离在渐消场的光的传播方 向上减少。总体上讲，针对沿预定线路布置的不同散射中心（结合到结合地点的目标样 本），渐消场的散射光在预定检测位置处干涉的角度是不同的。由于在预定检测位置处散射 光是要干涉至最大值的，因此由多种散射中心所散射的光在光程长度上的差异必须是光的 波长的整数倍。相邻预定线路之间距离的减少解释了那个事实并且使光在预定检测位置处 干涉至最大值，这不需要具有点形状或小斑形状但可以具有条带形状或任意其他期望的形 状。
[0010] 根据本发明的装置的另外一个方面，在其上布置结合地点的多个预定线路包括曲 线。线路的曲率为使得由与沿这些预定线路布置的结合地点结合的目标样本所散射的渐消 场的光在预定检测位置处干涉至最大值。检测位置优选具有点形状。各个预定线路中的每 个线路可以具有不同于其他预定线路曲率的曲率。实际上，检测位置不是点而可以是小斑 (spot)或是具有比沿其布置了结合地点的预定线路长度更小的条带。每个各个弯曲的预定 线路的曲率被选择为使得从光耦合器传播到个别预定线路并且从该个别预定线路传播到 预定检测位置处的光的光程长度针对整个曲线是传播光的预定波长的整数倍。这个有利之 处还在于：由位于预定线路外部上的散射中心所散射的光对在点状检测位置（或斑状或条 带状）的空间减少的区域中的信号有贡献。
[0011] 仍然根据本发明装置的进一步的方面，多个预定线路以如下方式被布置在平 面波导的外表面上：该方式使得它们在Xj，Yj坐标系中的位置由以下方程几何限定，
【权利要求】
1. 用于检测结合亲和力的装置，所述装置包括布置在基板（3)上的平面波导（2)，并且 还包括光耦合器（4)，所述光耦合器（4)用于将预定波长的相干光（1)耦合到所述平面波 导（2)中以使得所述相干光传播通过所述平面波导（2)，其中所述相干光的渐消场（6)沿 所述平面波导（2)的外表面（5)传播，所述平面波导（2)的外表面（5)包括在所述外表面 (5)上的结合地点（7)，所述结合地点（7)能够将目标样本⑶结合到所述结合地点（7)以 使得所述渐消场￠)的光由结合到所述结合地点（7)的目标样本（8)所散射，其中所述结 合地点（7)沿多个预定线路（9)布置，所述预定线路（9)被布置为使得由结合到所述结合 地点（7)的目标样本（8)散射的光在预定检测位置处干涉光程长度上的一个差异，所述差 异是所述光的预定波长的整数倍。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中相邻预定线路（9)之间的距离在所述渐消场的光 的传播方向上减少。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其中，其上布置所述结合地点（7)的所述多个预定 线路（9)包括曲线，所述线路的曲率被布置为使得由结合到所述结合地点（7)的目标样本 (8)所散射的渐消场（6)的光在作为检测位置的预定检测点处干涉。
4. 根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述多个预定线路（9)以如下方式被布置 在所述平面波导（2)的外表面（5)上以使得它们的位置由方程
来几何限定，其中 入为传播光的真空波长， Ν为所述平面波导中的引导模式的有效折射率；Ν取决于所述平面波导的厚度和折射 率、所述基板的折射率、在所述平面波导的外表面上的介质的折射率以及引导模式的极化， ns为所述基板的折射率， f为所述基板的厚度， &为整数，其被选择为接近基板的折射率ns与基板的厚度f的积除以波长λ，以及 j为表示相应线路的索引的运行整数。
5. 根据权利要求1至4任一项所述的装置，其中所述结合地点包括捕捉分子（7)，所述 捕捉分子（7)仅沿所述预定线路（9)附接到所述平面波导（2)的表面，所述捕捉分子能够 结合所述目标样本（8)。
6. 根据权利要求1至4任一项所述的装置，其中所述结合地点包括能够结合所述目标 样本⑶的捕捉分子（7)，其中，能够结合目标样本⑶的捕捉分子（7)通过将能够结合目 标样本⑶的所述捕捉分子（7)分配到所述平面波导（2)的外表面（5)上并且通过对那些 不沿所述预定线路（9)布置的捕捉分子（12)去活化来沿所述预定线路（9)布置。
7. 根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述平面波导（2)具有折射率（nw)，其实 质上高于所述基板（3)的折射率（n s)，并且其实质上也高于所述平面波导（2)的外表面（5) 上的介质的折射率（nmJ，以使得针对所述光的预定波长，所述渐消场（6)具有50纳米至 200纳米范围的穿入深度。
8. 根据前述任一权利要求所述的装置，所述装置包括用于使传播通过所述平面波导 (2)的光耦合出来的另外光耦合器（13)，其中，用于使光耦合到所述平面波导（2)中的光耦 合器（4)以及用于使已传播通过所述平面波导（2)的光耦合出来的另外光耦合器（13)都 包括用于使光相干地耦合到平面波导（2)中以及使光从所述平面波导（2)相干地耦合出来 的光栅（4、13)。
9. 根据前述任一权利要求所述的装置，其中相关于通过所述平面波导的光的传播方 向，所述平面波导（2)具有在所述平面波导（2)的相对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)中的每个均包括在传播通过所述平面 波导（2)的光的波长处有吸收性的材料。
10. 根据前述任一权利要求所述的装置，其中多个测量地带（1〇、17)布置在所述平面 波导（2)的外表面（5)上，其中在每个测量地带（10)中，所述结合地点（7)沿所述多个预 定线路（9)布置。
11. 根据权利要求10所述的装置，其中所述多个测量地带包括不同尺寸的测量地带 (10、17)。
12. 根据权利要求10或11所述的装置，其中每个测量地带（10)具有大于25μπι2的面 积，并且其中所述多个预定线路（9)在相邻预定线路（9)之间具有小于1.5μπι的距离，特 别地小于1 μ m的距离。
13. 根据权利要求10至12任一项所述的装置，其中所述结合地点（7)沿单个测量地带 (10)中的至少两种多个预定线路（9)布置，其中所述两种多个预定线路（9)中的每种被布 置为使得由结合到沿相应多个预定线路（9)布置的结合地点（7)的目标样本（8)所散射的 光干涉光程长度上的一个差异，所述差异是针对每种多个预定线路（9)的在各个检测位置 处的所述光的预定波长的整数倍，并且其中各个检测位置在空间上被彼此分隔开。
14. 根据前述任一权利要求所述的装置，还包括具有孔洞（21)的隔膜（11)，其被布置 为使得在检测位置处的光被允许通过所述孔洞（21)而同时在与检测位置不同的位置处的 光被所述隔膜（11)阻挡。
15. 根据权利要求14所述的装置，其中所述隔膜（11)还包括至少一个另外孔洞（18)， 当通过平面波导（2)在光的传播方向上观察时，所述至少一个另外孔洞（18)被布置成与所 述孔洞（21)相邻。
16. 用于检测结合亲和力的系统，包括根据前述任一项权利要求所述的装置，并且还包 括用于发出预定波长的相干光（1)的光源，所述光源和所述装置彼此相对布置为以使得所 述相干光（1)经由光耦合器（4)被耦合到平面波导（2)中。
17. 根据权利要求16所述的系统，还包括光学成像单元（19)，所述光学成像单元（19) 被聚焦以产生所述装置的检测位置的图像。
18. 根据权利要求16或17所述的系统，其中所述系统还包括用于测量在检测位置处的 光的强度的光电检测器（20)。
19. 用于检测结合亲和力的方法，所述方法包括以下步骤： -提供包括布置在基板（3)上的平面波导（2)和光耦合器（4)的装置， -使预定波长的相干光（1)耦合到所述平面波导（2)中以使得所述相干光沿所述平面 波导（2)传播，其中，相干光的渐消场（6)沿所述平面波导（2)的外表面（5)传播， -将目标样本（8)附接到沿所述平面波导（2)的外表面（5)上的预定线路（9)布置的 结合地点（7)， -在预定检测位置处检测由结合到沿所述预定线路（9)布置的结合地点（7)的所述目 标样本（8)所散射的渐消场的光，其中，由结合到所述结合地点（7)的目标样本（8)所散射 的光在预定检测位置处具有光程长度上的一个差异，该差异是光的预定波长的整数倍。
【文档编号】G01N21/77GK104115000SQ201380005873
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年1月17日 优先权日:2012年1月17日
【发明者】克里斯托夫·法蒂蒙尔 申请人:弗·哈夫曼-拉罗切有限公司