專利名稱：用于目標顆粒檢測的微電子傳感器裝置的制作方法
用于目標顆粒檢測的微電子傳感器裝置本發(fā)明涉及一種微電子傳感器裝置，以及一種用于檢測結合到載體的結合表面處 的結合位點的目標顆粒的方法。此外，其還涉及這種裝置的使用。US2005/0048599A1公開了一種微生物研究方法，該微生物被微粒標記，使得(例 如磁性)力可以施加在該微生物上。在該方法的一個實施例中，光束被引導穿過透明材 料到達一表面，該光束在所述表面被全內反射。作為倏逝波離開透明材料的這束光在該 表面被微生物和/或其他成分散射，且隨后被光電探測器檢測或用于照亮該微生物以供 視覺觀察。這種或相似測量方法的一個問題在于所感興趣的信號常常只是大的基礎信號 (basesignal)的微小變化，這使得準確而魯棒性測量變得困難，例如由于能夠應用于總信 號的電子增益的限制?；谶@種情況，本發(fā)明的目的在于提供用于改進所結合的目標顆粒的檢測的裝 置，其中，期望實現(xiàn)更高的靈敏度和/或準確度。所述目的通過根據(jù)權利要求1的微電子傳感器裝置、根據(jù)權利要求2的方法以及 根據(jù)權利要求13的用途來實現(xiàn)。在從屬權利要求中公開了優(yōu)選實施例。根據(jù)本發(fā)明的微電子傳感器裝置用于定性或定量檢測結合到載體的“結合表面” 的結合位點的目標顆粒，此處所述的結合表面和載體(當然還有目標顆粒)不需要屬于該 裝置。尤其是，“目標顆?！笨梢园繕顺煞?例如生物物質如生物分子、絡合物、細胞碎 片或細胞)和具有某種可檢測特性(例如光密度、磁化率、電荷、熒光性或放射性)的“標 記顆?！?例如原子、分子、絡合物、納米顆粒、微米顆粒等)的組合。術語納米顆粒用于具 有至少3nm至5000nm之間尺寸范圍的顆粒，優(yōu)選地在IOnm至3000nm之間，更加優(yōu)選地在 50nm至IOOOnm之間。該載體通常是固體，例如由透明材料如玻璃或透明塑料制成，具有此 處稱為“結合表面”的一專用表面區(qū)域，并且該專用表面區(qū)域包含至少一個或典型地多個結 合位點。由俘獲分子實現(xiàn)結合位點，該俘獲分子附著在結合表面，并且能在樣品流體中特異 地結合到目標顆粒(分子)。通常，結合可以基于化學結合、靜電吸引、范德瓦爾斯力等。微電子傳感器裝置包含下述部件a)傳感器單元，其用于提供“傳感器信號”，該“傳感器信號”指示在傳感器單元的 相關敏感區(qū)域中目標顆粒的存在?！懊舾袇^(qū)域”的定義為傳感器單元可以檢測目標顆粒的體 積。傳感器單元可以應用任何適合的測量原理，例如光學檢測、磁場或電場或這些場的磁化 率的檢測、超聲波檢測等。b) “致動單元”，其用于有選擇地引導結合表面上的所結合的目標顆粒相對于傳感 器單元的敏感區(qū)域的運動。在該上下文中，“相對于敏感區(qū)域的運動”應該是在敏感區(qū)域內 的運動和/或穿過敏感區(qū)域的邊界的運動。通常，致動單元可以采用任何適合的影響來實 現(xiàn)目標顆粒的期望運動，例如機械振動或周圍樣品流體的水動力運動或由外部施加的磁力 和/或靜電力所引起的目標顆粒的振動。該運動應該使目標顆粒保持彼此結合而不斷開。 典型地，該運動將是擺動。c)評估模塊，用于評估傳感器單元的傳感器信號，其中該評估考慮由致動單元引 起的所結合的目標顆粒的運動。為此，可以用分立的測量檢測所引起的運動，或優(yōu)選地，從致動單元的控制輸入推測得到。因此評估模塊典型地耦合到傳感器單元和致動單元?？梢?通過專用(模擬)電子電路、帶有相關軟件的數(shù)字數(shù)據(jù)處理硬件或其混合來實現(xiàn)。由于傳感器單元的測量與所引起的檢測到的目標顆粒的運動相關，因此所述微電 子傳感器裝置具有允許對傳感器信號進行更加準確和魯棒性的評估的優(yōu)點。例如，將所結 合的目標顆粒全部移出敏感區(qū)域(或全部移入敏感區(qū)域)將會得到兩個信號，具有目標顆 粒的測量和不具有目標顆粒的參考測量，根據(jù)這些測量能夠很準確地推測目標顆粒的實際 影響。本發(fā)明還涉及用于檢查結合到載體的結合表面處的結合位點的目標顆粒的方法， 其中該方法包含下述步驟a)用傳感器單元測量傳感器信號，該傳感器信號指示在傳感器單元的敏感區(qū)域內 目標顆粒的存在。b)用致動單元選擇性地引起所結合的目標顆粒相對于傳感器單元的敏感區(qū)域的 運動。c)用評估模塊在考慮所引起的目標顆粒的運動的同時評估傳感器信號。該方法在一般形式上包含能夠由上述類型的微電子傳感器裝置所執(zhí)行的步驟。因 此，引用前述說明用于關于該方法的詳細說明、優(yōu)點和改善的更多信息。在下文中，將描述涉及微電子傳感器裝置和上面定義的方法的本發(fā)明的各種進一 步改進。在第一特定實施例中，通過致動單元的活動來移動目標顆粒穿過敏感區(qū)域地帶， 在該敏感區(qū)域地帶中傳感器單元具有不同的靈敏度。因此當處于不同靈敏度地帶時，目標 顆粒將誘發(fā)傳感器單元的不同傳感器信號。優(yōu)選地，傳感器單元的靈敏度在其整個敏感區(qū) 域連續(xù)變化；在這種情況下，即使是目標顆粒的極小運動也引起傳感器單元的傳感器信號 的變化。通常，傳感器單元的非均勻的靈敏度保證了所引起的目標顆粒的運動將會對傳感 器信號產(chǎn)生影響，在信號的評估期間可以考慮到這一點。已經(jīng)提到過可以以幾種不同的方式引起目標顆粒的運動。在優(yōu)選實施例中，通過 與磁和/或電場相互作用來移動目標顆粒。如果目標顆粒具有能夠耦合到磁場或電場的特 性，則這是可能的，例如如果顆粒具有磁或電偶極矩或者如果能夠引起這種力矩。在該實施 例中，通過生成磁場或電場而很好地控制目標顆粒的運動。為了生成場，優(yōu)選地，致動單元 包含場發(fā)生器，例如永磁體、電磁體、電極或電極對?？梢匀芜x地調制所引起的目標顆粒的運動，優(yōu)選地以具有給定調制頻率(其中頻 率決定周期性過程的周期，該周期性過程不必須是正弦)的周期方式進行調制。為此，致動 單元可以包含用于以可控和優(yōu)選地可調節(jié)方式來調制其活動的調制器。積極地調制所結 合的目標顆粒的運動具有下述優(yōu)點，即可以將該運動調整至對于所期望的評估目的來說的 最佳的模式。而且，由于關于所控制的活動的調制信息中包含所期望的關于所引起的目標 顆粒的運動的信息，因此評估模塊可以采用該信息。因此調制器控制致動單元所使用的控 制信號可以并行地提供給評估模塊，用于在評估傳感器信號的過程中對該控制信號進行考 慮。此外，通過引起和檢測相同頻率區(qū)域中的顆粒運動，例如通過使用同步調制和解調技 術，能夠非常有效地抑制其它頻率區(qū)域中的噪聲源。已知傳感器單元可以應用任何適合的測量原理。在優(yōu)選實施例中，傳感器單元應用光學測量，其中傳感器信號從來自于載體的輸出光束中得到，并且所述輸出光束包含來 自于輸入光束在結合表面的受抑全內反射的光束。在該實施例中，微電子傳感器裝置將會 包含用于以以下方式向結合表面發(fā)射輸入光束的光源，即在適當?shù)慕嵌认缕湓谀抢锉蝗珒?反射。光源可以是例如激光器或發(fā)光二極管(LED)，其任選地具有一些用于成形和引導輸入 光束的光學器件。而且，傳感器裝置將包含用于檢測所提及的輸出光束的光檢測器，其中該 檢測典型地包含測量輸出光束中的光的量(例如表述為該光的密度)。光檢測器還可以包 含任何適合的傳感器或多個傳感器，借此來檢測給定光譜的光，例如可以包含光電二極管、 光敏電阻、光電池、CXD芯片或光電倍增管。對于在結合表面發(fā)生的全內反射，該表面必須是兩個媒介例如玻璃和水的界面， 如果入射光束以合適的角度(大于全內反射(TIR)的關聯(lián)臨界角)射到界面，在該界面可 以發(fā)生TIR。這種設置通常用于檢查在TIR界面的樣品的小體積，以全內反射光束的指數(shù)衰 減的倏逝波到達該小體積。該體積內的目標顆?？梢陨⑸浜?或吸收倏逝波中的某些光， 其因此不會再向外耦合到反射光束。在該“受抑全內反射”的情況中，傳感器裝置的輸出光 束將包含輸入光束的反射光，其中由于倏逝波的散射和/或吸收所導致的少量光損失包含 關于研究區(qū)域內目標成分的期望信息。依賴于生物鑒定中所測量的分析物的濃度，所感興 趣的信號(損失的光)關于相對大的DC，即常量、背景(background)，可以非常小。而且， 由于相對大的背景，信號容易被任何源干擾。在這種情形下，提出的所引起的目標顆粒的運 動的應用有助于在這種情況下改進測量的精度。根據(jù)前述實施例的進一步改進，可以調制輸入光束，其中該調制優(yōu)選地以具有給 定輸入頻率的周期方式來執(zhí)行。調制輸入光束提供一種特性指紋，其允許區(qū)別返回到該輸 入光束的傳感器信號的影響與其它影響，例如周圍光的影響。在上述生成輸出光束的實施例中，可以任選擇地使用具有以下曝光特性的相機 (例如CCD相機)檢測該光束a)頻率(幀頻)，其鎖相于輸出光束的調制頻率ω但小于該調制頻率ω (其中該 調制頻率可以與例如目標顆粒的調制運動和/或輸入光束的調制對應)；b)曝光時間(快門打開)小于輸出光束的調制周期(T = 2 π /ω)。因此以高于相機最大幀頻的相機調節(jié)頻率在輸出光束中進行觀察是可能的。優(yōu)選地由評估模塊關于一個或多個給定頻率解調由傳感器單元提供的傳感器信 號，尤其關于所引起的目標顆粒的運動的調制和/或關于輸入光束的調制(如果使用該調 制和該輸入光束)。為了執(zhí)行解調，評估單元可以包含(模擬或數(shù)字)信號處理器領域的技 術人員熟知的解調器。在解調的幫助下，可以從其它影響即干擾中區(qū)分確實返回到目標顆 粒和/或輸入光束的影響。在前述實施例的特殊實現(xiàn)中，調整對所引起的目標顆粒的運動的調制和對輸入光 束的調制，使得運動調制作為對于光調制的邊帶(sideband)出現(xiàn)在解調的傳感器信號中。 例如如果正弦的光調制以比正弦的運動調制更高的頻率出現(xiàn)，就是這種情況。根據(jù)應用微電子傳感器裝置或其方法所應用的特殊任務，可以在不同方面評估傳 感器信號。優(yōu)選地，關于傳感器單元的敏感區(qū)域內目標顆粒的存在和/或數(shù)量來評估傳感 器信號，由此允許確定例如樣品流體中特殊生物分子的濃度?？蛇x地或此外，可以關于目標 顆粒與結合表面之間結合的結合特性來評估傳感器信號。在這種情況下，目標顆粒對于某
6種致動力例如由電或磁場所引起的力的反應，依賴于這些目標顆粒結合的強度，即依賴于 相關聯(lián)的結合位點(俘獲分子)的特性。所引起的目標顆粒的運動的某些方面，例如阻尼 因數(shù)、諧振頻率、幅值、相移，將會攜帶關于結合位點和/或結合表面上的工作情況的有用 信息(例如周圍流體的粘性)。本發(fā)明還涉及上述微電子裝置在以下中的使用分子診斷、生物樣品分析或化學 樣品分析、食物分析和/或法醫(yī)檢定?？梢栽谥苯踊蜷g接附接到目標分子的磁珠或熒光顆 粒的幫助下實現(xiàn)分子診斷。通過參考下文所述實施例，本發(fā)明的這些和其它方面將變得明顯并且得以闡明。 通過附圖的幫助將以示例的方式描述這些實施例，其中

圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的微電子傳感器裝置的結構；圖2更詳細地示出結合到載體的結合表面處的結合位點的目標顆粒；圖3-6示意性地示出在不同軸的周圍調制所結合的目標顆粒的幾個實例。附圖中的相同附圖標記表示相同或相似部件。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的微電子傳感器裝置的一般結構。該結構的中心部件是載體 11，其可以用例如玻璃或透明塑料如聚苯乙烯制成。載體11位于樣品室2的旁邊，在樣品 室2中提供要檢測的帶有目標成分(例如藥物、抗體、DNA等)的樣品流體。樣品還包含磁 性顆粒，例如超順磁珠，其中這些顆粒通常作為標記而結合(例如經(jīng)由帶有抗體的涂層)在 前述目標成分。為簡便起見，在附圖中僅僅示出了用于目標成分和磁性顆粒的組合，在下文 中將其稱作“目標顆粒1”。應該注意，除了磁性顆粒還可以使用其它標記顆粒，例如充電顆 粒或熒光顆粒。由稱為“結合表面” 12的表面形成載體11和樣品室2之間的界面。結合表面12 上涂有俘獲分子3例如抗體，該俘獲分子3能夠特異地結合到目標顆粒。傳感器裝置包含磁場發(fā)生器51，例如具有線圈和磁芯的電磁體，其用于可控地在 結合表面12和樣品室2的相鄰空間中生成磁場B。在這一磁場B的幫助下，可以操縱目標 顆粒1，即將其磁化并且特別地將其移動(如果使用帶有梯度的磁場)。因此為了使相關目 標顆粒加速結合到所述表面，將目標顆粒1吸引到結合表面12上是可能的。在樣品室2頂 端的第二電磁體51’可以任選地用于“清洗”掉沒有結合的顆粒1(例如因為所有的結合位 點3都已被占有)。此處“清洗”還可以通過使用第一電磁體51以這樣的方式應用磁場來 實現(xiàn)，即所有沒有結合的目標顆粒都從測量區(qū)域/體積清除，就像使用馬蹄形電磁體的配 置做到的一樣。在這種情況下，目標顆粒1和結合位點3之間的結合力應該大于所應用的 磁力，因此在清洗過程中結合依然保持原樣(假定結合位點3和表面12之間的結合也足夠 強)。還應該注意到，也可以采用靜電力，使用交替電場驅動(非磁性)標記顆粒。傳感器裝置還包含光源21，例如激光器或LED，其生成穿過“入射窗”發(fā)射到載體 11的輸入光束Li。輸入光束Ll以大于全內反射(TIR)的臨界角Θ。的角度θ到達結合表 面12，因此“輸出光束”L2被全內反射。輸出光束L2穿過另一表面(“出射窗”)離開載體 11，并由光檢測器31對其進行檢測。光檢測器31確定輸出光束L2的光的量(例如表示為 該光束在整個光譜或光譜的某個部分的光密度)。由耦合到光檢測器31的評估和記錄模塊 32在觀察周期期間評估和任選地監(jiān)測所測量的傳感器信號S。光源21可以采用例如商用的CDU = 780nm)，DVD ( λ = 658nm)，或者BD ( λ =405nm)的激光二極管?？梢允褂脺手逼麋R片使輸入光束Ll平行，可以使用例如0. 5mm的針 孔減小光束直徑。使用檢測器31對由熒光顆粒1發(fā)射的熒光進行采樣也是可能的，該熒光顆粒1由 輸入光束Ll的倏逝波激勵，其中該熒光可以從反射光L2中光譜區(qū)分。雖然下述說明集中 在反射光的測量，但是此處所討論的原理加以必要修改后也可應用于熒光的檢測中。所述的微電子傳感器裝置采用光學裝置來檢測目標顆粒1。為了消除或至少最小 化背景(例如樣品流體，如唾液、血液等)的影響，檢測技術應該是表面特異的。如上所述， 這通過使用受抑全內反射原理來實現(xiàn)。該原理基于當入射光束Ll被全內反射時，倏逝波穿 透(強度指數(shù)降落)到樣品2。如果該倏逝波與如所結合的目標顆粒1的另一介質相互作 用，那么一部分輸入光束將耦合到樣品流體(此處稱為“受抑全內反射”)，并且反射強度將 減小(而對于干凈的界面并且沒有相互作用時反射強度將會是100%)。根據(jù)干擾的量，即 TIR表面上或距離其很近(在大約200nm之內)的目標顆粒的量，反射強度將相應地下降。 應該注意的是，此處“區(qū)域附近”由樣品室中倏逝波的穿透深度ζ定義，其依賴于波長入、 輸入光束Ll的入射角θ和基底11的折射率 和直接在界面12上面的介質(例如血液 或水)的折射率ηΒ，并由下述公式確定 該強度下降是對所結合的目標顆粒1的量的直接測量，因此也是對樣品中的目標 顆粒的濃度的測量。當將大約100至200nm的倏逝波的典型相互作用距離與抗體、目標分 子和磁珠的典型大小相比較時，背景的影響將最小化，這一點很清楚。更大的波長λ將增 加相互作用的距離，但是背景流體的影響依然非常小。所述光學測量過程與所應用的磁場無關。這允許對準備、測量和清洗步驟進行實 時的光學監(jiān)控。所監(jiān)控的信號也可以用于控制測量或單個工序。對于典型應用的材料，載體11的介質A可以是玻璃和/或具有典型折射率ηΑ = 1.52的某種透明塑料。樣品室2中的介質B可以基于水并且折射率 接近1.3。這與60° 的臨界角Θ。相對應。因此入射角θ是70°是允許具有稍大折射率(假定ηΑ= 1.52，允 許 達到最大1.43)的流體介質的實用選擇。更大數(shù)值的 將會需要更大的 和/或更 大的入射角。與用于致動的磁性標記結合的所述光學讀出的優(yōu)點在于-廉價的盒載體11可以包括相對簡單的聚合材料的注模件。_用于多種分析物檢測的更大的多路復用的可能性可大范圍地光學掃描一次性 盒中的結合表面12?？蛇x擇地，允許大檢測陣列的大面積成像是可能的。可以通過例如將 不同結合分子噴墨式印刷到光學表面的方法得到這種陣列(位于光學透明表面)。該方法 通過使用多光束、多檢測器和多致動磁體(機械移動或電磁致動)而允許在孔板中的高吞 吐量測試。-致動和感測互不相關目標顆粒的磁性致動(由大磁場和磁場梯度)不會影響 感測過程。因此允許在致動期間光學方法持續(xù)監(jiān)控信號。這提供了對于檢測過程的很多理 解，并且允許基于信號斜率的簡單運動檢測方法。-由于倏逝場指數(shù)減小而導致系統(tǒng)實際上是表面敏感的。
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-簡單的接口在盒和閱讀器之間不需要電連接。僅僅需要使用光學窗口和光學 級測量表面來探測盒。因此能夠實現(xiàn)無接觸讀出。-低噪聲讀出是可能的。所述測量方法的問題可以由起始信號(即當沒有目標顆粒1附著在結合表面12 時的傳感器信號S)很高的事實而引出。將目標顆粒結合到結合表面將會減小該高信號。因 此以(1-x)的方式(這是光學信號S)測量信號‘X’，該信號‘X’與結合到結合表面的目標顆 粒的量相對應。這有一個缺點，因為感興趣的是信號‘χ’，而其與所測量的光學信號(1-x) 相比太小。由于起始信號相對于‘X’信號較大，因此這可以引起所謂的“增益問題”。由于 背景信號也會被放大，其在放大器和ADC中引起例如“溢出”，以及噪聲影響的放大，例如由 于激光強度的波動或檢測器噪聲等，因此很難放大‘X’信號。此外，因為不能從χ變化區(qū)分 增益變化，因此所測量的‘X’信號對于增益變化非常敏感。此外，如果背景信號改變，例如 因為一些來自外部光源的光射到檢測器或盒，測量結果就會受到影響，這也是非常不希望 出現(xiàn)的。因此，非常期望從電路設計和信號處理的角度，將(1-x)測量轉換為僅測量‘X’的 測量，即僅測量結合到結合表面12的目標顆粒1的量。這里所提出的上述問題的解決方案以通常的生物檢測開始，即注入磁珠和帶有目 標分子的樣品、磁珠和目標分子結合到“目標顆?！?1、目標顆粒1結合到結合位點3和洗除 未結合目標顆粒。因此結合表面12具有經(jīng)由俘獲元素3(例如蛋白質BSA-opi)附著在其 表面的目標顆粒1。向外耦合到輸入光束Ll的光的量與結合到結合表面12的目標顆粒1 的量成比例。但是，向外耦合的光的量還依賴于目標顆粒1和結合表面12之間的距離d，即 “目標顆?！痹诒砻嬲戏降馁渴艌?敏感區(qū)域13)中存在的量。在圖2中更詳細地進行圖示。由于俘獲元素3(在結合表面12和目標顆粒1之 間)是靈活的，因此通過應用梯度為VB的交替磁場和/或電場(未示出)來上下移動目標 顆粒1。這也將會改變向外耦合的光的量，可以作為目標顆粒結合到表面的區(qū)域的“閃爍” 來觀察。因此，有能夠以某一頻率ωω調制的信號，其能夠以傳感器信號S的該頻率(^進 行解調，即由于目標顆粒1的調制運動而導致的光學幅值的變化是能夠測量的。該變化與 結合表面12上存在的目標顆粒1的量成比例，即具有期望的‘X’測量，而不是(1-x)測量。當拉長和壓縮結合表面12與目標顆粒1之間的蛋白質3時，則改變二者之間的距 離，可以通過幾種方式來實現(xiàn)-通過應用調制的磁場Β(當目標顆粒1是超順磁時)。但是，由于磁性線圈易于 消耗許多功率并生成大量熱，因此實現(xiàn)非常高的頻率(即頻率> IOkHz)是很難的。然而， 幾千赫茲的頻率是可能的。-通過電泳利用靜態(tài)磁(梯度)場將目標顆粒1吸引到結合表面12是可能的， 并且利用電場將目標顆粒1從結合表面12驅逐也是可能的。當電場關閉時，目標顆粒又被 磁場拉回到表面。通過采用周期性電場，可以實現(xiàn)目標顆粒1周期性的上下運動。由于生 成HF電場比生成HF磁場更容易，因此使用這種方式，可以實現(xiàn)更高的頻率。靜態(tài)磁場允許 更大振蕩幅度，由此每個結合的目標顆粒允許更高的信號。圖1中的微電子傳感器裝置結合上述方法的具體實施例，即用于引起所結合的目 標顆粒1的振蕩運動的致動單元50。致動單元50包含控制和調制單元52和分別位于樣品
9室2下面和上面的電磁體51和51’?？刂坪驼{制單元52耦合到電磁體51和51’，以感應 出敏感區(qū)域13內的磁性梯度場B。根據(jù)與Sin(Omt)成比例的調制信號來調制磁性場，其 中該調制信號從控制和調制單元52發(fā)送到評估模塊32，使得在那里考慮該調制信號。可選 擇地，可以利用分別位于樣品室2下面和上面的電極和反電極設計致動單元，經(jīng)由該電極 和反電極能在樣品室內部產(chǎn)生調制的電場。通過使用上述調制方法，可以在評估模塊32中正確地解調傳感器信號S，以得到 與結合到結合表面12的目標顆粒1的量直接成比例的信號。但是，該方法還能夠測量結合 表面和目標顆粒之間的俘獲元素3(例如蛋白質)的某種特性。因此可以從觀察到的Q系 數(shù)和諧振頻率中得到關于蛋白質的結構信息，以及可以從觀察到的目標顆粒振蕩的幅值得 到蛋白質的大小。而且，可以推斷進行測量的流體(例如唾液)的粘性。此外，由于檢測到的信號和傳感器表面上的顆粒的ζ位置之間的非線性關系，調 制信號中的諧波給出了關于所述ζ位置平均值的信息。這可以用于測量關于光學表面的結 合長度，以及用于表征結合探測器。在所述方法中，通過解調從傳感器信號得到的‘X’值獨立于背景信號。而且，在與 調制/解調頻率不同的頻率下發(fā)生的任何干擾例如外來光、電子干擾等，都不能影響‘X’。圖3示意性地示出本發(fā)明的另一個實施例。所示是與上述圖中相似的結合表面 12。結合表面12下面的兩個箭頭表示光碰撞在結合表面12的過程，如左邊箭頭所示，以及 從結合表面12反射，如右邊箭頭所示。箭頭尖分別象征了光到達結合表面12和從結合表 面12離開的方向。圖3中示出了結合到結合表面12的彼此結合的兩個目標顆粒1。該目 標顆粒1的組群形成了不對稱的物理圖示并因此將不均勻的力施加到這些目標顆粒1。更 加一般地，使用能夠被施加機械力矩的單個或組合目標顆粒，其需要顆粒(或顆粒組合)的 非球形物理特性。例如目標顆?？梢跃哂写藕?或電各向異性，例如形狀各向異性和/或晶 態(tài)各向異性?？梢允鼓繕祟w粒1關于借助于不均勻的物理和/或化學特性而施加的力和取 向可檢測。物理特性可以是電磁特性，例如光學特性如取向相關光學吸收?；瘜W特性可以 是作為目標顆粒1的涂層的化學基團。例如目標顆粒1可以非球形地涂有光學活性基團， 例如化學發(fā)光酶或基底。當在如所述一樣調制目標顆粒的取向的同時發(fā)生化學發(fā)光反應， 則在光學場中將還會調制最終的光學信號。檢測該調制的信號時，建議在不同類型的目標 顆粒1之間進行區(qū)分，并且還建議在目標顆粒1之間的不同類型的生物結合之間進行區(qū)分。 這表示通過采用目標顆粒1的旋轉，可以得到關于目標顆粒1特性和關于目標顆粒1結合 特性的結論。如所述的檢測具有旋轉的目標顆粒1的另一個影響在于提高靈敏度，通過這 種方法提高檢測靈敏度。在一個實例中，輸出光不是完全反射，而是根據(jù)目標顆粒1的量， 尤其是目標顆粒1所包含的標記顆粒的量，右側的輸出光相對于左側的輸入光變暗。這是 因為在標記顆粒上的光的反射，該反射與目標成分(例如生物物質如生物分子、絡合物、細 胞碎片或細胞)的個數(shù)或量相關。圖3中所示的虛線圖示了目標顆粒1繞其旋轉的旋轉軸，在該實例中，兩個目標顆 粒1的組群結合在一起。為了進一步圖示旋轉的方向，示出兩個彎曲的箭頭，其給出目標顆 粒1在圖像平面外的旋轉方向。通過改變引起旋轉力的電或磁場，可以將旋轉方向改變?yōu)?所示的進入圖像平面的相反方向。認為由目標顆粒1的物理特性引起目標顆粒1的旋轉， 由于目標顆粒1的兩個顆粒組群的形式不完全是球形，因此不均勻的力或力矩施加給目標
10顆粒1以引起旋轉。圖4示出了本發(fā)明的相似實例，此處目標顆粒1又彼此結合以形成具 有兩個的組群，并且在基本平行于結合表面12的相同方向上排列。用與結合表面12垂直 的虛線表示旋轉軸。這表示旋轉方向基本平行于結合表面12，使目標顆粒1的旋轉運動中 目標顆粒1與結合表面12之間的距離基本相同。此外，可以以順時針方向或逆時針方向改 變旋轉方向。圖5示出了另一實例，其中旋轉方向位于附圖的圖像平面內，因此旋轉軸指向 附圖的圖像平面。由于目標顆粒1結合為具有兩個的組群，因此繞該軸旋轉表示目標顆粒 及時改變其相對位置。圖6示出結合表面12的另一結構連同不同的光學檢測方法。結合表面12不是如 圖3-5所述的平面而是曲面，該曲面關于圖像平面內的垂直軸相稱。結合表面12的一部分 下傾，結合表面12的另一部分上傾(inclined)，兩部分都具有相同的長度，并在中間穿過， 形成對稱槽。由此在結合表面12沒有如圖3-5中所述的光的全反射，而是，在圖6中輸入 光主要被引導通過結合表面12的一個下傾部分，并且在至結合表面12的相對的另一上傾 部分的方向上衍射。在到達結合表面12的上傾部分之前，光通過目標顆粒1，在那里光被吸 收。如圖6所示，光在結合表面12的上傾部分又穿過結合表面12，并且又在相同方向發(fā)生 衍射。仍然參見圖1，檢測器接收來自于上述結構的反射光。在該實例中，目標顆粒1的旋 轉與圖4中所述相同，此外，旋轉方向是可設計的。利用低頻ωω調制目標顆粒運動的問題可能是最終低頻信號的檢測發(fā)生在Ι/f噪 聲(電子器件)對于解調信號噪聲具有主要影響的范圍上。為了解決這一問題，可以采用 光源21的附加強度調制和相關的解調技術。圖1表示了在這一方面中還調制由光源21發(fā) 射的輸入光束Li，并且將相應的正弦調制信號Sin(Colt)發(fā)送到評估模塊32?？梢酝ㄟ^調 制注入激光電流以直接方式實現(xiàn)激光二極管的高頻率調制(達到大約100MHz)。該激光電 流調制廣泛應用于用于抑制由于光學反饋而導致的強度噪聲的光學存儲應用中。通過將該 光強度調制(高頻Q1)結合到前述磁或電場調制(中頻ωω)，由中頻磁/電場調制導致的 信號(“振蕩目標顆粒”信號)可以轉換到對于高頻噪聲有利的高頻域。根據(jù)以下公式，該 方案中的振蕩目標顆粒信號顯示為高頻(MHz)域的和和差邊帶A.Cos(^y)χcos(amt) = —-ωη) + Cos(C)i + ωηV]通過使用該雙調制方案，可以在高頻時方便地測量(中頻)振蕩目標顆粒信號。為 了消除由于激光強度變化和雜散反射(在頻率Q1時存在)導致的信號錯誤交叉串擾，邊帶 應該充分與發(fā)生Q1處的主頻帶分開。這需要穩(wěn)定的振蕩電路驅動激光。使用例如IOOkHz 的激光調制頻率Q1和IkHz的磁或電場調制頻率《m，當工作在IOOkHz時，激光驅動的穩(wěn) 定性應該遠低于1kHz，這一點在實際中很容易實現(xiàn)。此外，由于檢測到的信號和傳感器表面上的顆粒的ζ位置之間的非線性關系，信 號中的更高的互調制項給出關于所述ζ位置平均值的信息。這可以用于測量關于光學表面 的結合的長度，以及用于表征結合探測器。當使用(CCD)相機觀察結合表面12時，所述相機可能太慢而不能跟上磁或電場 (頻率ωω)和/或激光輸入光束(頻率(O1)的調制。該問題可以通過下述方法解決(1)將相機幀頻鎖相到調制頻率，以及(2)調整照明(快門打開)時間至足夠短以采樣(部分)調制周期。
通過相對于調制周期使光照時刻移相，可以掃描總周期。使用相機具有與單點方 法相比的多點處理的優(yōu)勢。雖然以上參考具體實施例描述了本發(fā)明，但是各種修改和擴展都是可能的，例 如-傳感器可以是基于顆粒的任何特性檢測傳感器表面上或附近的磁性顆粒存在的 任何適合的傳感器，例如，可以通過磁的方法、光學方法(例如成像、熒光、化學發(fā)光、吸收、 散射、表面等離子體共振等)、聲檢測(例如表面聲波等)、電檢測等進行檢測。-除了分子檢測，根據(jù)本發(fā)明還可以使用傳感器裝置檢測更大的基團，例如細胞、 病毒、或細胞或病毒片段、組織提取液等。-進行檢測時，可以掃描或不掃描相對于傳感器表面的傳感器元件。-可以導出作為終點測量的測量數(shù)據(jù)，以及通過運動地或間歇地記錄數(shù)據(jù)導出測
量數(shù)據(jù)。-該裝置和方法可以用于幾種生物化學檢測類型，例如結合/不結合檢測、夾層檢 測、競爭檢測、位移檢測、酶檢測等。-該裝置和方法適合用于傳感器多路復用(即不同傳感器和傳感器表面的并行 使用，例如可以例如經(jīng)由在光學基底上布點或噴墨式印刷而使表面上布點有不同俘獲探測 器)、標記多路復用(即并行使用不同類型的標記)和室的多路復用(即并行使用不同反應室)。_該裝置和方法可以用作快速、魯棒性且容易使用的針對小樣品體積的醫(yī)療點生 物傳感器。反應室可以是和壓縮閱讀器一起使用的一次性物件，包括一個或多個場發(fā)生裝 置和一個或多個檢測裝置。此外，本發(fā)明的裝置、方法和系統(tǒng)可以用于自動吞吐量測試。在 這種情況下，反應室例如是適合放入自動儀器的孔板或試管。最后應該指出的是，在本申請中術語“包含”不排除其它元件或步驟，“一”或“一 個”不排除多個，并且單個處理器或其它單元可以實現(xiàn)幾個裝置的功能。本發(fā)明在于每個和 各個特有特征和每個和各個特有特征的組合。此外，權利要求中的附圖標記不應解釋為對 其范圍的限制。
權利要求
一種微電子傳感器裝置，其用于檢查結合到載體(11)的結合表面(12)處的結合位點(3)的目標顆粒(1)，所述裝置包括a)傳感器單元(21，31)，其用于提供指示在所述傳感器單元的敏感區(qū)域(13)中存在目標顆粒(1)的傳感器信號(S)；b)致動單元(50)，其用于選擇性地引起所結合的目標顆粒(1)相對于所述傳感器單元的所述敏感區(qū)域(13)的運動；c)評估模塊(32)，其用于在考慮所引起的所述目標顆粒(1)的運動的情況下評估所述傳感器信號(S)。
2.一種用于檢查結合到載體(11)的結合表面(12)處的結合位點(3)的目標顆粒(1) 的方法，其包括a)使用傳感器單元(21，31)測量指示在所述傳感器單元的敏感區(qū)域(13)中存在目標 顆粒⑴的傳感器信號⑶；b)使用致動單元(50)選擇性地引起所結合的目標顆粒(1)相對于所述傳感器單元的 所述敏感區(qū)域(13)的運動；c)使用評估模塊(32)在考慮所引起的所述目標顆粒(1)的運動的情況下評估所述傳 感器信號⑶。
3.如權利要求1所述的微電子傳感器裝置或如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述目標顆粒(1)移動通過所述敏感區(qū)域(13)中的所述傳感器單元的不 同靈敏度地帶。
4.如權利要求1所述的微電子傳感器裝置或如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述目標顆粒(1)通過與磁場(B)或電場的相互作用移動。
5.如權利要求1所述的微電子傳感器裝置或如權利要求2所述的方法，其特征在于，調制所引起的結合的目標顆粒(1)的運動，優(yōu)選地以調制頻率(《m)周期 地進行所述調制。
6.如權利要求1所述的微電子傳感器裝置或如權利要求2所述的方法，其特征在于，借助于設計為具有非球形形式的目標顆粒(1)，繞著穿過所述目標顆粒 (1)的軸調制所引起的結合的目標顆粒(1)的運動。
7.如權利要求1所述的微電子傳感器裝置或如權利要求2所述的方法，其特征在于，從包含來自于輸入光束(L1)在所述結合表面(12)處的受抑全內反射的 光的輸出光束(L2)中導出所述傳感器信號(S)。
8.如權利要求7所述的微電子傳感器裝置或方法，其特征在于，調制所述輸入光束(L1)，優(yōu)選地以輸入頻率(0^)周期地進行所述調制。
9.如權利要求7或8所述的微電子傳感器裝置或方法，其特征在于，使用具有以下曝光特性的相機來檢測所述輸出光束(L2)a)鎖相于但小于所述輸出光束(L2)的調制頻率(《m，(^)的頻率；b)曝光時間小于所述輸出光束的調制周期。
10.如權利要求1所述的微電子傳感器裝置或如權利要求2所述的方法，其特征在于，解調所述傳感器信號(S)，特別地相對于所引起的所述目標顆粒(1)的運 動的調制和/或相對于輸入光束(L1)的調制來解調所述傳感器信號(S)。
11.如權利要求10所述的微電子傳感器裝置或方法，其特征在于，所引起的所述目標顆粒(1)的運動的調制在所解調的傳感器信號(S)中 表現(xiàn)為相對于輸入光束(L1)的調制的邊帶。
12.如權利要求1所述的微電子傳感器裝置或如權利要求2所述的方法， 其特征在于，相對于所述目標顆粒(1)在所述傳感器單元(21，31)的所述敏感區(qū)域 (13)中的存在和/或其量，和/或相對于所述目標顆粒(1)和所述結合表面(12)之間的結 合特性來評估所述傳感器信號(S)。
13.如權利要求1至12中任一項所述的微電子傳感器裝置用于分子診斷、生物樣品分 析或化學樣品分析的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微電子傳感器裝置，其用于檢查結合到載體(11)的結合表面(12)處的結合位點(3)的目標顆粒(1)。在優(yōu)選實施例中，輸入光束(L1)發(fā)射到載體(11)中，在其中的結合表面(12)上發(fā)生受抑全內反射(FTIR)。光檢測器(31)檢測在最終的輸出光束(L2)中的光的量，并且提供關于在結合表面上存在的目標顆粒的信息。此外，致動單元(50)通過與尤其是具有給定的調制頻率(COIn)的磁場(B)或者電場相互作用而引起所結合的目標顆粒(1)的運動，從而通過檢測器信號(S)的解調可以從背景中區(qū)分目標顆粒的影響。
文檔編號G01N21/55GK101903758SQ200880121115
公開日2010年12月1日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權日2007年12月20日
發(fā)明者D·M·布魯斯, J·A·H·M·卡爾曼, J·J·H·B·施萊彭, M·W·J·普林斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司