CN102326068B - 一种用于在样品中基于薄膜频谱干涉检测被分析物的组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组件，其用于在样品中基于薄膜频谱干涉检测被分析物。该组件包括波导管，光学连接该波导管的整体式衬底，和直接结合至该整体式衬底的传感侧的薄膜层。该整体式衬底的折射指数比该薄膜层的透明材料的折射指数高。当样品中的被分析物分子与该薄膜层上涂覆的被分析物结合分子结合时，从第一反射面和第二反射面反射入该波导管的光之间的频谱干涉发生变化。

Description

一种用于在样品中基于薄膜频谱干涉检测被分析物的组件
技术领域
本发明涉及改善在样品中检测一种或多种被分析物的存在，含量，或结合率的装置，特别是采用薄膜干涉计技术的装置。
背景技术
基于被分析物-抗-被分析物结合配对的成员之间的结合事件的诊断测试被广泛应用于医学，兽医学，农业和研究用途。通常这类方法被用于检测样品中被分析物的存在或含量，和/或该被分析物和抗-被分析物的结合率。典型的被分析物-抗-被分析物对包括核酸的互补链，抗原-抗体对，和受体-受体结合剂，其中被分析物可以是该配对中任一成员，以及该抗-被分析物分子，相对成员。
此类型的诊断方法经常采用具有已固定的抗-被分析物分子的固体表面，样品被分析物分子将对其特异性结合，并在限定的检测区域有高亲合力。在这类被称为固相分析的分析法中，该固体表面在促进被分析物结合至已固定的抗-被分析物分子的条件下被暴露至样品。结合事件可以被直接检测，例如，通过在质量，反射率，厚度，颜色或其它结合事件的特性指示方面的变化。如果该被分析物经过预标记，例如，用发色团，或荧光或放射标记，该结合事件可通过在检测区域的可检测标记的存在和/或量进行检测。另外，该被分析物可以在其结合于检测区域之后进行标记，例如，用第二荧光标记的抗-被分析物抗体。
美国专利号5,804,453公开了一种在在样品溶液中测定物质浓度的方法，其使用远端直接涂覆有试剂(捕获分子)的光学纤维，该物质可与该试剂结合。然后将该远端浸入含有被分析物的样品。该被分析物与该试剂层的结合形成干涉图案，并可通过分光计检测。
美国专利号7,394,547公开了一种生物传感器，其第一光学透明元件机 械式连接至光学纤维梢端，它们之间有空气间隙，然后作为干涉层的厚度大于50纳米的第二光学元件被连接于该第一元件的远端。在该第二光学元件的周围表面上形成生物层。另一个厚度为5-50纳米，折射指数大于1.8的反射面层被覆盖于该干涉层和第一元件之间。在此参考文献中描述了在样品中基于频谱干涉的改变检测被分析物的原理，其以参考方式被合并于此。
美国专利号7,319,525公开了不同的结构，其中光学纤维的一个部分被机械式连接至梢端连接器，该梢端连接器由一个或多个光学纤维组成，在该光学纤维部分和该梢端连接器的近端之间有空气间隙。在该光学纤维部分的远端表面上先形成该干涉层，然后再形成该生物层。
结合纤维之间的空气间隙具有若干缺点。一个缺点是减少结合效率。另一个问题是对准差。实际应用中，对于传感器和仪器的不同配对，难以保持相同和准确的空气间隙尺寸。另外，空气-纤维界面易于导致更多地返回到分光计的反射，从而降低测量的信噪比。
尽管现有技术在功能上提供了基于薄膜干涉计的生物传感器的使用，该干涉计的性能仍然需要改进。
发明内容
概述
本发明涉及一种组件，其用于在样品中基于薄膜频谱干涉检测被分析物。该组件包括波导连接器，其包含波导管，其中该波导管将光信号从光源传递至该组件，该波导管还将反射光信号从该组件传递至检测器。该组件进一步包括整体式衬底，其具有结合侧和传感侧，该结合侧通过结合毂连接至该波导连接器，其中该波导连接器与该结合毂接合以在该波导管和该整体式衬底之间形成光学结合。该组件还包括结合介质，其位于该波导连接器和该整体式衬底之间，由此该波导管的末端可无间隙地连接该整体式衬底。该组件还包括薄膜层，其直接结合至该整体式衬底的传感侧，其中该薄膜层包括，透明材料，含被分析物结合分子层的第一反射面，在该薄膜层和该整体式衬底之间的第二反射面。当样品中的被分析物分子结合至该被分析物结合分子时，从该组件反射入该波导管的光之间的频谱干涉 发生变化。
在一个实施方式中，该结合毂被插入该波导连接器中。在另一个实施方式中，该波导连接器为套管，且该套管被插入该结合毂中。
本发明还涉及一种组件，包括：(a)波导管；(b)整体式衬底，其具有结合侧和传感侧，该结合侧光学连接至该波导管；和(d)薄膜层，其直接结合至该整体式衬底的传感侧。该波导管将光信号从光源传递至该组件，并且该波导管还将反射光信号从该组件传递至检测器。该薄膜层包括透明材料，包括被分析物结合分子层的第一反射面，和介于该薄膜层和该整体式衬底之间的第二反射面。该整体式衬底的折射指数比该薄膜层的透明材料的折射指数高；并且该结合介质的折射指数大于1.3，优选在该波导管和该整体式衬底的折射率之间。当样品中的被分析物分子与该被分析物结合分子结合时，从所述第一和第二反射面反射入该波导管的光之间的频谱干涉发生变化。在一个实施方式中，该组件还包括介于该波导管和该整体式衬底之间的结合介质，其中该结合介质的折射指数大于1.3。
附图说明
图1显示了本发明的总体实施方式。
图2A和2B显示了薄膜干涉计中的检测原理。
图3显示了被插入结合毂的探针。
图4显示了带结合毂的生物传感器。
图5显示了以结合毂实施的本发明。
图6A-C显示了一个结合毂实施方式，其具有预装在该毂内部的结合介质。
图7A-E显示了第二结合毂实施方式，其在该套管的梢端上形成有一滴结合介质。
图8A-C显示了第三结合毂实施方式，其结合介质附着于该套管。
图9A-B显示了第四结合毂实施方式，其结合毂包括结合介质。
图10A-C显示了另一个结合毂实施方式，该结合毂包括结合介质。
图11A-C显示了另一个结合毂实施方式，其结合介质附着于该波导连接器。
图12显示了带不均匀分支的Y型连接器。
图13显示了通过薄膜干涉计检测的结合分析的典型的干涉图案。
图14同时显示了两个探针的缔合和解离曲线。
详细说明
定义
除非在下文定义，权利要求和说明书中使用的术语将根据本领域技术人员所理解的通常含义进行解释。
此处使用的“约”指在所列举值的±15％以内。
此处使用的“被分析物结合”分子指能参与和被分析物分子的特异性结合反应的任何分子。其实例包括，但不限于，(i)抗原分子，其用于检测特异性针对该抗原的抗体的存在；(ii)抗体分子，其用于检测抗原的存在；(iii)蛋白质分子，其用于检测该蛋白质的结合配偶体的存在；(iv)配位体，其用于检测结合配偶体的存在；或(v)单链核酸分子，其用于检测核酸结合分子的存在。
此处使用的“套管”指作为接插组件的一部分限制或容纳波导管的硬管。
此处使用的“整体式衬底”指具有一个折射指数的单块固体材料，如玻璃，石英，或塑料。
此处使用的“探针”指在传感侧包覆有薄膜层的整体式衬底。
此处使用的“波导管”指一种装置(如导管，同轴电缆，或光学纤维)，其被设计成限制和引导电磁波(如光)的传播；例如，波导管为用于引导超高频率波的金属管。
此处使用的“波导连接器”指一种机械装置，其用于光学连接波导管系统的被锁定在一起的可分离配合零件。其又名波导结合器。
发明人已经发现，使用结合介质代替空气间隙在整体式衬底和波导管之间进行连接可以减少结合损失，并减少从该波导管的表面和该整体式衬底的表面的反射。采用该结合介质，大为增加了结合效率，降低了不期望的对该分光计的反射，并且解决了由于空隙而来的对准问题。
发明人还发现了折射指数比干涉层更高的整体式衬底在光学组件中的 应用，由此免除了在该干涉层上涂敷一层位于该干涉层和该整体式衬底之间的高折射指数材料层的需要。
图1显示了本发明的的总体实施方式：生物传感器干涉计10包括光源11，检测器12，波导管13和光学组件14。该光学组件14包括该波导管15的梢端，结合介质16，整体式衬底17，薄膜层(干涉层)22和生物分子层21。该薄膜层包括透明材料，第一反射面，其包括生物分子层21，以及第二反射面23，其位于该薄膜层和该整体式衬底之间。在该薄膜层22和该生物分子层21之间的分界面处还有传感表面24。
该装置中的光源11可以是白光源，如发光二极管(LED)，其在广谱上产生光，例如，400纳米或以下至700纳米或以上，通常在至少100纳米的光谱范围上发光。另外，光源可以为多源光源，其中每一个光源均具有不同特征波长，如设计用于在可见光范围中以不同的选定波长发光的LED。通过单一光源也可以实现相同功能，例如，采用白光源，其带有适宜的过滤器，用于将不同选定波长的光引导至该光学组件上。
检测器12优选为分光计，如Ocean Optics USB 4000，其能够记录从该光学组件反射的干涉光的光谱。另外，在该光源工作以将不同选定波长引导至该光学组件上时，该检测器可以是简单的光探测器，其用于记录在每一个不同辐射波长下的光强。在又一个实施方式中，该检测器可以包括多个过滤器，其容许检测光强，例如，来自白色光源，在干涉反射波的多个选定波长中的每一个波长。
波导管13将光信号从光源传递至光学组件，并将反射光信号从该光学组件传递至检测器。通常该波导管包括纤维束。分光计是典型的用于生物传感器干涉仪中的光检测器。
结合介质16连接该波导管和该整体式衬底，在它们之间不留下任何空气间隙。该结合介质是光学透明材料，如聚合物，折射率匹配的凝胶，或折射率匹配的液体，其具有期望的特定折射指数。折射率匹配的液体应具有期望的物理和化学性质，如高粘度，低蒸气压(不易挥发)和低腐蚀率。适宜的用于结合介质的材料包括以下：聚碳酸脂，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，聚苯乙烯(PS)，聚丙烯(PP)，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，折射指数匹配的凝胶，折射指数匹配的液体，或聚二甲硅氧烷(PDMS)。通常， 该波导管13包括折射指数约为1.5的纤维材料。由于空气间隙的折射指数接近1.00，该波导管和该整体式衬底之间的空气间隙将导致结合损失和高反射。当该结合介质连接该波导管和该整体式衬底而在它们中间不留任何空气间隙时，结合效率大为增加，反射降低，并且对准问题得到缓和。在一个优选实施方式中，该结合介质的折射指数介于该波导管和该整体式衬底的折射指数之间。
由整体式绝缘材料制成的整体式衬底通过结合介质被连接至波导管的梢端。该整体式衬底的横截面可以是圆形，正方形，三角形，椭圆形，或矩形。在一个优选实施方式中，该整体式衬底的纵横比(长度比宽度或长度比直径)至少为5∶1。该整体式衬底材料的折射指数优选充分高于该薄膜层，以使该第二反射面有效反射被引导到该光学组件上的一部分光。优选该整体式衬底材料的折射指数高于1.5，或高于1.8，或高于2.0。该整体式衬底材料的折射指数范围优选在约1.55至约2.0之间。当入射光以仍然容许全内反射的某一角度进入该基质相邻面时，该整体式衬底作为光波导管有效工作。在此实施方式中，该角度由该发光光学纤维的数值孔径，该基质，以及该基质和该发光光学纤维之间的机械结合综合定义。
干涉层(薄膜层)是涂覆在该整体式衬底的传感侧上的透明材料。薄膜是薄的材料层，其厚度为零点几纳米(单层)至若干微米。电子半导体装置和光学涂层是受益于薄膜结构的主要应用。本发明的薄膜层通常厚度为至少50纳米，优选至少100纳米。示范性的厚度在约100-5,000纳米，优选400-1,000纳米之间。
该薄膜层材料的折射指数优选类似于该第一反射面的折射指数，以使该光学组件的底部远端的反射主要从被分析物结合分子形成的层发生，而非从该光学元件和被分析物结合分子之间的分界面发生。类似的，当被分析物分子结合至该光学组件的下层时，该组件下端的光反射主要从该被分析物结合分子和被结合的被分析物形成的层发生，而非从该分界面区发生。形成该薄膜层的一种示范性的材料是SiO2，例如，折射指数为约1.4-1.5的高品质玻璃。该薄膜层还可以由作为整体式衬底的透明聚合物形成，如聚苯乙烯或聚乙烯，其折射指数优选为1.3-1.8。
该生物分子(被分析物结合分子)层21的厚度被设计成基于特定硬件和 光学部件最优化总灵敏度。常规的固定化学作用被用于化学地，例如，共价地，将被分析物结合分子层附着于该光学元件的底部表面。例如，各种双功能试剂，其包含用于化学附着至SiO2的硅氧烷基团，以及羟基，胺，羧基或用于生物分子附着的其它反应基团，如蛋白(例如，抗原，抗体)，或核酸。蚀刻或其它处理玻璃表面以增加被分析物结合分子可以结合的羟基基团密度的方法也是众所周知的。当该薄膜层由聚合物形成时，如聚苯乙烯，许多方法可用于暴露可用的化学活性表面基团，如胺，羟基，和羧基基团。
该被分析物结合层优选在该光学元件的远侧表面被密集涂覆的条件下形成，以使被分析物分子和该层的结合使该层的厚度变化，而非填入该层。该被分析物结合层可以是单层或多层基质。
通过在该光学组件中来自该两个反射面的反射光柱的干涉，测量被分析物的存在，浓度，和/或被分析物与该光学组件的结合率。特别地，当被分析物分子附着或者脱离该表面时，该第一反射层的平均厚度相应变化。因为所有的其它层的厚度保持相同，由从该两个表面反射的光波形成的干涉波根据由于该被分析物结合变化的厚度而相移。
在该光学组件中使用整体式衬底材料代替光学纤维具有若干优点。在一个优选实施方式中该整体式衬底的折射指数高于该薄膜层的透明材料的折射指数。因为该整体式衬底是单一的固体材料，将易于选择折射指数比该薄膜层更高的材料。相反，光学纤维通常为圆形截面的绝缘波导管，其由绝缘材料组成(芯材料)，该绝缘材料被另一种折射指数更低的绝缘材料(包层)围绕；因此，将难以变换折射指数。在现有技术中(美国专利号7,394,547)，该光学传感器纤维和该干涉层的折射指数基本相同，其值约为1.46。因此，该现有技术在该干涉层上需要有额外的高折射率材料涂层，以适当地反射入射光。
在操作中，入射光信号25从光源11发出，并通过该波导管13被传递，其中该入射光信号25通过该结合介质16被连接至该整体式衬底17，随后被连接至该薄膜层和该生物分子层21。在该光学组件14之内，光在该第二反射面23反射，产生反射光信号26。另外，光在该第一反射面28反射，产生反射光信号27。在被分析物结合前，该第一反射面是生物分子(被分析 物结合分子)层21和样品溶液之间的表面。被分析物结合后，该第一反射面变成被分析物分子层和样品溶液之间的表面。
来自第一和第二折射面之间的边界的两个光信号形成频谱干涉图案，如图2a所示。当生物分子与该薄膜层(干涉层)的周围表面上的被分析物分子结合时，该第二反射信号的等价光程延伸。从而该频谱干涉图案从T0移动至T1，如图2b所示。通过测量该图案实时的连续不断的相移，可以测量移动量对时间的动态结合曲线。被分析物和固定于该表面上的捕获分子的结合速率可被用于计算被分析物的浓度。因此，此相移的测量是薄膜干涉计的检测原理。
参照图2a，当该AC分量最大化而该DC偏移最小化时，该生物传感器干涉计的性能增加。为实现这些目的，必须增加入射光信号25从该光源11至该传感表面24的结合效率，以及反射光信号26和27从该第一和第二折射面至该分光计12的结合效率。同时，来自其他个分界面的反射应尽可能降低。
在一个实施方式中，本发明包括结合毂，如图3所示，其中探针32被插入模制塑料31的中心孔，形成结构33。然后该探针被插入该模制塑料毂的中心孔。图4显示了基于薄膜干涉仪的生物传感器的简化示意图。该生物传感器包括光源11，分光计12，波导管13，套管41，结合毂31，探针42，和传感表面24。该探针和该传感表面24的梢端被浸入含有被分析物结合分子的涂覆溶液。
本发明涉及一种组件，其用于在样品中基于薄膜频谱干涉检测被分析物。该组件包括：(a)波导连接器，其包含波导管，其中该波导管将光信号从光源传递至该组件，且该波导管还将反射光信号从该组件传递至检测器；(b)整体式衬底，其具有结合侧和传感侧，该结合侧通过结合毂连接至该带有波导管的波导连接器；(c)结合介质，其位于该波导连接器和该整体式衬底之间，以使该波导管光学连接该整体式衬底，而没有任何空隙；和(d)薄膜层，其直接结合至该整体式衬底的传感侧，其中该薄膜层包括透明材料，含有被分析物结合分子层的第一反射面，和介于该薄膜层和该整体式衬底之间的第二反射面；从该组件反射入该波导管的光之间的频谱干涉由此可以在样品中的被分析物分子与该被分析物结合分子结合时发生变化。
在一个实施方式中，该结合毂被插入该波导连接器中。在另一个实施方式中，该波导连接器为套管，且该套管被插入该结合毂中。
在一个实施方式中，该结合毂包括结合介质。在另一个实施方式中，该波导连接器为套管，并且该结合介质在该套管和该结合毂的底部之间。
在图5中，生物传感器50显示了以结合毂51实现的本发明。生物传感器50是用于在样品中基于薄膜频谱干涉检测被分析物的组件。生物传感器50包括套管55，其包含波导管13，其中该波导管13将来自该光源11的入射光信号传递至该结合毂51，并将反射光信号从该结合毂51传递至该分光计12(检测器)。生物传感器50还包括探针42，其通过结合毂51连接至该具有波导管31的套管55，并且套管55被插入该结合毂51。在该结合毂51之内，结合介质53位于该套管55和该探针52之间，以使该波导管31的末端直接接触该探针42的整体式衬底，而没有任何间隙，如空气间隙。
图6显示了具有结合毂组件60的一个图5的结合毂实施方式。结合毂51具有预装于结合毂51内部并在其底部的结合介质16，如图6a所示。探针42在该毂的底部接触该结合介质16。如图6b所示，带有纤维束(波导管13)的套管55被插入结合毂51。如图6c所示，该结合介质16连接探针42和该仪器纤维束(波导管13)，而没有间隙。由此，该结合介质16位于该套管55和该结合毂51的底部之间。
图7显示了具有结合毂组件70的图5的第二结合毂实施方式，其在该套管的梢端上形成有一滴结合介质。图7a显示带纤维束(波导管13)的套管55被浸入折射率匹配凝胶或液体的结合介质的储库65(图7b)。在图7c中，该具有纤维束(波导管13)的套管55从该储库65被移出，导致该套管55的梢端上形成一滴结合介质16。在图7d中，所得具有纤维束(波导管13)的套管55被插入结合毂51。结果是该滴结合介质16无间隙连接探针42和该仪器纤维束(波导管13)，如图7所示，由此，该滴结合介质16位于该套管55和该结合毂51的底部之间。
图8显示了带有结合毂组件80的图5的第三结合毂实施方式，该结合毂组件80具有预装在套管55上的结合介质81，如图8所示。在图8b中，带有结合介质81和纤维束(波导管13)的套管55被插入结合毂51。结果是 结合介质81连接探针42和仪器纤维束(波导管13)，而没有任何间隙，如图8c所示。由此，该结合介质81位于该套管55和该结合毂51的底部之间。
图9显示了图5的第四结合毂实施方式，其结合毂组件90包括结合介质，如聚合物材料。如图9a所示，结合毂92包括结合介质。在图9b中，带纤维束(波导管13)的套管55被插入结合毂51。结果是套管55接触结合毂92的底部，而探针42接触该结合毂92的相对侧，使该套管55和探针42之间无间隙结合。
图10a-10c显示了另一个具有结合毂组件100的结合毂实施方式。组件100包括波导连接器102和可移动探针101。图10a是透视图，其显示该波导连接器102和该可移动探针101彼此不连接。该波导连接器102在顶端具有孔114，波导管(例如纤维)在该处被插入。图10b是彼此不连接的该波导连接器102和该可移动探针101的剖视图。图10c显示该可移动探针101被插入该波导连接器102。
首先参照图10a，该可移动探针101由被薄膜层包覆的整体式衬底104，以及在中央有孔105的筒形结合毂103组成。该整体式衬底104被沉积上薄膜涂层，如SiO2层和被分析物结合分子。该整体式衬底104为杆状，其长度至少比直径大5倍。如图10b所示，该可移动探针具有用于检测被分析物的传感表面111和结合面112。在一个设计中，该毂103由透明塑料制成。该毂103中的孔105不是贯通孔，其一端具有和该毂103相同材料的透明塑料层108。层108是筒形毂103的顶部。该衬底104朝着该层108的结合表面112的内壁插入该衬底的结合表面，从而固定连接至该毂103。
此层108作为该衬底的结合表面112和装在该波导连接器102内的波导管113之间的光学结合介质。此处显示的该波导连接器具有弹性啮合臂107，以接合该毂103并保持充足的摩擦力，来将该衬底104相对于该波导管113固定于适当位置。
该波导连接器102的内部具有和该波导管的表面齐平的平坦接合表面109。该毂103具有平坦顶面110。当被接合时，该顶面110被推向该接合表面109，以使这两个表面之间的间隙完全闭合。该层108作为结合介质被夹在该衬底104的结合表面112和波导管113之间。在具有折射指数大 于空气的结合介质的情况下，其优选在该波导管113和衬底104之间，将提高结合效率，最小化不希望的返回该分光计的反射，并减少该衬底104和该波导管113之间的横向偏移的灵敏度。
图10c显示了该波导连接器102和该可移动探针101的接合。
图11a-11c显示了具有结合毂组件110的另一种结合毂实施方式的细节。组件100由波导连接器202和可移动探针201组成。图11a为透视图，其显示该波导连接器202和该可移动探针201彼此不连接。图11b是彼此不连接的该波导连接器202和该可移动探针201的剖视图。该波导连接器202在顶端具有孔114，该波导管(例如纤维)在其中被插入。图11c显示被插入该波导连接器202的该可移动探针201。
首先参照图11a，该可移动探针201由杆状的长度至少比直径大5倍的整体式衬底104，以及在中央具有孔205的筒形毂203组成。如图11b所示，该衬底104具有传感表面111和结合表面112。该毂203由透明塑料组成。该衬底104通过插入该孔，直至该结合表面112与该毂的顶面210齐平，而被固定连接至该毂203。该传感表面111被沉积以薄膜涂层，其包括SiO2层和能被用于检测被分析物的被分析物结合分子。
结合介质213被装在该波导连接器202内部的波导管113末端。该结合介质优选自光学透明的弹性材料或液体状材料。一个例子是PDMS。此处显示的该波导连接器202具有弹性啮合臂107，以接合该毂203，并保持充足的摩擦力来将该衬底104相对于该波导管113固定于适当位置。
当被接合时，该毂的顶面210被压向该结合介质213，以使该波导管113和该衬底104之间的间隙完全闭合。该结合介质213被夹在该衬底104的结合表面112和该波导管113之间。在具有折射指数大于空气的结合介质的情况下，其优选在该波导管113和该衬底104之间，将提高结合效率，最小化不希望的返回该分光计的反射，并减少该衬底104和该波导管113之间的横向偏移的灵敏度。
图11c显示了该波导连接器202和该可移动探针201的接合。
如先前所指出的，波导管可以被提供为Y形光学纤维结合器(Y形结合器)。图12中示范了Y形光学纤维结合器的一个改进的实施方式。实施方式100包括光源11，分光计12，和Y形结合器，其具有连接至该光源11 和分光计12的不均匀分支121。为了增加该生物传感器的性能，与该分光计12(检测器)的连接尺寸被设计成比光源11的连接尺寸更大。如图12所示，当使用Y形光学纤维结合器时，优选将较小直径的光学纤维与较大直径的光学纤维融合。该较小者将被用于来自光源11的照明光，较大者用于该分光计12。此结构能够使更多反射光到达该分光计12，因此增加了总体结合效率。
本发明还涉及一种用于在样品中基于薄膜频谱干涉检测被分析物的组件。该组件包括：(a)波导管；(b)整体式衬底，其具有结合侧和传感侧，该结合侧被光学连接至该波导管；(c)薄膜层，其直接结合至该整体式衬底的传感侧；其中该波导管将光信号从光源传递至该组件，并且该波导管还将反射光信号从该组件传递至检测器；该薄膜层包括透明材料，包括被分析物结合分子层的第一反射面，在该薄膜层和该整体式衬底之间的第二反射面；该整体式衬底的折射指数高于该薄膜层的透明材料的折射指数；由此，当样品中的被分析物分子结合至该被分析物结合分子时，从所述第一和所述第二反射面反射入该波导管的光之间的频谱干涉发生变化。在此组件中，所有的术语具有和前面所记载内容相同的特征。
在一个设计中，该组件通过将该波导管和该整体式衬底端对端连接，去除了它们之间的间隙。另外，该组件还在该波导管和该整体式衬底之间包括结合介质，以填充其间的任何间隙。该结合介质的折射指数通常大于约1.3，优选在该波导管和该整体式衬底的折射指数之间。
在又一个设计中，在该波导管和该整体式衬底之间有间隙。
此申请中所述的装置能被用于以下用途：(i)以梢端上携带的抗物种(species)抗体，用于筛选具有高抗体表达的细胞系的杂交瘤细胞表达系；(ii)以梢端上携带的抗原表征对应该抗原的高亲合力抗体；(iii)以梢端上携带的蛋白质，用于识别和表征该蛋白质的结合配偶体(DNA，RNA，蛋白，糖类，有机分子)；(iv)以梢端上携带的糖类或糖基部分，用于识别和表征该糖类的结合配偶体(例如，DNA，RNA，蛋白，糖类，有机分子)；(v)以梢端上携带的可参与多蛋白质复合物的蛋白质，用于表征该结合组分和/或复合物形成的动力学；(vi)以该梢端上携带的小蛋白质结合分子，用于识别和表征该分子的蛋白质结合剂；(vii)以该梢端上携带的抗体，用一组被分 析物标准构建该被分析物的校准曲线。采用此校准曲线可以测定被分析物在未知溶液(细胞培养上清液，生物样品，工艺混合物等)中的浓度。(viii)以梢端上携带的单链核酸，例如，ssDNA或RNA，用于识别和表征特异性结合该核酸的分子。
以下实施例进一步示范了本发明，其不应被解释为将本发明的范围限制为其中所述的特定步骤。
具体实施方式
实施例1.链霉亲和素探针的制备
1毫米直径及2厘米长度的玻璃棒(整体式衬底)，其结合端和传感端均被抛光。该传感端先用物理汽相沉积技术涂覆以厚度650纳米的SiO2涂层(薄膜层)，然后按照制造商的方案，用化学气相淀积工艺(Yield工程系统，1224P)沉积氨基丙基硅烷(APS)。沉积APS以固定蛋白质。APS通过疏水性和离子相互作用的组合将蛋白质吸附至该探针的表面。蛋白质还可以通过用交联试剂共价结合而被结合至APS的氨基集团。APS仅为单层，约7纳米厚。
然后该探针(包覆以SiO2和APS的玻璃棒)被插入该模制塑料毂的中心孔，如图3所示。随后用胶粘剂或锁定机构将该探针锁定至该毂。
然后具有传感端的该探针被浸入50μg/ml的链霉亲和素的pH 7.4磷酸盐缓冲液(PBS)溶液(Scripps实验室)。使链霉亲和素吸附至该探针5分钟后，在PBS中洗涤该探针梢端，然后浸入10％蔗糖溶液30秒钟，随后在30℃干燥一小时，再在干燥条件下保存。通常该探针至少浸入0.5毫米。
实施例2.A蛋白与人类IgG结合的检测 
如图3所示，每个探针先在套管中被连接到波导管。该波导管连接卤素光源和分光计，使得该光会被传输至该探针的传感表面，并且会被传输至分光计，用于测量。可以建立多个这种系统以实现并行检测。这些分光计测量来自这些探针的传感端的反射光并以每个波长下的波长和光强的实时函数输出频谱干涉图案。图13显示了典型的干涉图案。峰和谷左移形式的相变表示薄膜厚度减少(分子在该传感表面上脱离)；右移表示薄膜厚度增 加(分子在该传感表面上缔合)。通过将该干涉图案转换为数字格式，可用计算机在任何时间情形测定厚度改变。可以对应于时间绘制结合曲线(或缔合和解离曲线)。因此可以分析其一在溶液中，其一固定在探针的传感表面上的两种不同分子之间的分子相互作用的动力学。在量化分析中，可以由动力学得出溶液中的被分析物分子浓度：较快的结合动力学意味着较高的被分析物浓度。
用两个平行测量的探针论证了一个实施例。图14同时显示了两个探针的缔合和解离曲线。
为了开始分析，将该探针的传感端浸入PBS中约20秒，以水化被固定的链霉亲和素(步骤1)。此步骤还被用于建立结合曲线的基准。然后在步骤2中，这些探针被转移至浓度为50μg/ml的生物素酰化的A蛋白样品(Pierce Chemical)的PBS溶液。约100秒后有约1纳米的移动。步骤3要求在PBS中短暂洗涤这些探针传感端。步骤4显示了浓度为0.1mg/ml的人类IgG(Jackson ImmunoResearch)的PBS溶液与A蛋白涂覆的探针传感端的结合。在约两分钟内，该薄膜层(SiO2涂层)加生物分子层的总厚度增加6.5纳米(步骤4)。为了解离该IgG/A蛋白复合物，将这些探针转移至pH 4的乙酸钠溶液，在约75秒内，该薄膜厚度降低3纳米(步骤5)。
本发明及其制作和使用的方式和步骤现已用充分，清楚，简要和准确的术语进行了叙述，以使其所涉及领域技术人员能够进行同样的制造和使用。应当理解，上述内容描述了本发明的优选实施方式，并且在不离开权利要求所述的本发明范围的前提下，还可以进行修改。为了特别指出和清楚地申明被认为是发明的主题内容，以下权利要求总结了此说明书。

Claims (14)

1.一种用于在样品中基于薄膜频谱干涉检测被分析物的组件，包括：
波导连接器，其包括波导管，其中该波导管将光信号从光源传递至该组件，并且该波导管将反射光信号从该组件传递至检测器；
整体式衬底，其具有结合侧和传感侧，该结合侧通过结合毂连接至该波导连接器；
结合介质，其位于该波导连接器和该整体式衬底之间，使该波导管与该整体式衬底光学连接，无任何间隙；其中该整体式衬底的折射指数高于该波导管的折射指数，其中该结合介质的折射指数介于该整体式衬底的折射指数和该波导管的折射指数之间；和
薄膜层，其直接结合至该整体式衬底的传感侧，
其中该薄膜层包括透明材料，包括被分析物结合分子层的第一反射面，和在该薄膜层和该整体式衬底之间的第二反射面，
由此，在样品中的被分析物分子结合至被分析物结合分子时，从所述第一和所述第二反射面反射入该波导管的光之间的频谱干涉发生变化。
2.如权利要求1所述的组件，其中该整体式衬底的折射指数高于该薄膜层的透明材料的折射指数。
3.如权利要求1所述的组件，其中该结合介质的折射指数大于1.3。
4.如权利要求1所述的组件，其中该整体式衬底是传感器纤维。
5.如权利要求1所述的组件，其中该结合毂被插入该波导连接器。
6.如权利要求1所述的组件，其中该结合毂包括结合介质。
7.如权利要求1所述的组件，其中该波导连接器为套管，并且该套管被插入该结合毂。
8.如权利要求1所述的组件，其中该波导连接器为套管，并且该结合介质在该套管和该结合毂的底部之间。
9.一种用于在样品中基于薄膜频谱干涉检测被分析物的组件，包括：
波导管；
整体式衬底，其具有结合侧和传感侧，该结合侧被光学连接至该波导管；
结合介质，其位于该波导管和该整体式衬底之间；其中该整体式衬底的折射指数高于该波导管的折射指数，其中该结合介质的折射指数介于该整体式衬底的折射指数和该波导管的折射指数之间；其中该结合介质的直径大于该整体式衬底的直径；
薄膜层，其直接结合至该整体式衬底的传感侧；其中该薄膜层包括透明材料，包括被分析物结合分子层的第一反射面，和在该薄膜层和该整体式衬底之间的第二反射面；
其中该波导管将光信号从光源传递至该组件，并且该波导管将反射光信号从该组件传递至检测器；和
其中该整体式衬底的折射指数高于该薄膜层的透明材料的折射指数；
由此，在样品中的被分析物分子结合至被分析物结合分子时，从所述第一和所述第二反射面反射入该波导管的光之间的频谱干涉发生变化。
10.根据权利要求9的组件，其中该结合介质的折射指数大于1.3。
11.根据权利要求1或10的组件，其中该整体式衬底的长度比宽度或长度比直径的纵横比至少为5比1。
12.根据权利要求1或10的组件，其中该整体式衬底由玻璃，石英，或塑料组成。
13.根据权利要求1或10的组件，其中该整体式衬底的折射指数至少为1.55。
14.根据权利要求1或10的组件，其中Y形光学纤维结合器从该波导管连接至该光源和该检测器，其中连接至该检测器的分支直径大于连接至该光源的分支直径。
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