专利名称：用于独立于标签的光学读取器的多光栅生物传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于独立于标签的光学读取器的生物传感器，具体地说，涉及具有多个空间间距开的光栅的如此生物传感器。
背景技术：
以独立于标签的探测(LID)为基础的光学读取器，可用于探测药物与诸如蛋白质那样的目标分子的粘合，或随着材料在细胞内移动活体细胞响应于药物发生的变化。某些类型的LID光学读取器对阵列的RWG生物传感器，测量共振波导光栅(RWG)生物传感器表面上的折射率的变化。个别的RWG生物传感器位于各自的微型板的阱内。将来自光源的光谱为宽带的光引导到各个RWG生物传感器。只有波长与RWG生物传感器共振的光才强烈地反射。该反射的光被收集和作光谱分析，以确定共振波长，波长的变化代表着粘合到RWG生物传感器的生物分子引起的折射率的变化，或同样地代表着相对于传感器表面不动的细胞内的材料位移。共振波长测量的重复性取决于询问光束相对于RWG传感器的精确定位。这可要求光学读取器具有对于微型板的主动定位系统，这使得读取器很昂贵和复杂。替代的解决方案要有能捕捉所有来自传感器信息的大的询问光束。然而，这导致要从“参考”生物传感器的信息中区分出“信号”生物传感器信息的问题。
发明内容
本发明的一个方面是用于具有空间分辨率限制的光学读取器系统的多光栅RWG生物传感器。多光栅RWG生物传感器包括一个或多个信号光栅区域和一个或多个参考光栅区域。多光栅RWG生物传感器还包括非共振区域，该非共振区域在空间上分开一个或多个信号光栅区域、在空间上分开一个或多个参考光栅区域，以及在空间上使一个或多个参考光栅区域与一个或多个信号光栅区域分开。该非共振区域具有大于光学读取器系统空间分辨率限制的最小宽度。RWG生物传感器可具有非对称的分裂光栅的构造。本发明的另一个方面是使用具有空间分辨率限制的光学读取器测量RWG生物传感器的信号共振波长的方法。该方法包括将具有空间上分开的信号光栅区域和参考光栅区域并在信号光栅区域和参考光栅区域之间具有非共振区域的RWG生物传感器可操作地设置在微型板的阱内，其中，非共振区域具有大于光学读取器空间分辨率限制的最小宽度。该方法还包括用入射的光束辐照信号光栅区域而不接触到参考光栅区域，以及产生反射的信号光。该方法还包括对反射信号光作光谱分析以获得信号共振波长。本发明的另一个方面是使用具有空间分辨率限制的光学读取器测量RWG生物传
感器的信号共振波长的方法。该方法包括将具有空间上分开的信号光栅区域和参考光栅区域并在信号光栅区域和参考光栅区域之间具有非共振区域的RWG生物传感器可操作地设置在微型板的阱内，其中，非共振区域具有大于光学读取器空间分辨率限制的最小宽度。该方法还包括同时用入射光辐照信号光栅区域、参考光栅区域和非共振区域，以产生反射的光。该方法还包括从反射光中建立来自信号光栅区域的反射信号分量、来自非共振区域的暗分量，以及来自参考光栅区域的反射参考分量。此外，该方法还包括对反射信号分量作光谱分析以获得信号共振波长。本技术领域内技术人员参照以下书面的说明书、权利要求书和附图，将会进一步理解和认识本发明上述和其它的方面。
若结合附图来参照以下的详细描述，将会对本发明有更完整的理解。附图中图I是适用于本发明的多波长参考微型板的示例光学读取器系统的大致示意图；图2示出可操作地支承在微型板的区域或“阱”内的示范RWG生物传感器阵列，微型板又由微型板夹持器固定住；图3是反射的共振波长λκ(ηπι)对横贯RWG生物传感器的位置(mm)的示例的曲线图；图4是反射的共振峰幅值(光子计数)对光谱仪像素位置(对应于波长)的曲线图；图5是包括示例的多光栅RWG生物传感器的阱的平面图，该RWG生物传感器具有通过非反射的区域彼此在空间上分开的信号光栅区域和参考光栅区域，该图还示出相对大的椭圆形光点的示例的线性扫描；图6类似于图5，该图示出相对小的圆光点的锯齿形扫描路径的示例；图7A是具有单一光栅结构的示例RWG生物传感器的立体图，而图7B是该示例RWG生物传感器的平面图；图8A类似于图7A，示出正在用处理光束进行处理的单一光栅，以除去一部分的单一光栅而形成非共振区域；图SB是如图8A所示的处理或使用其它过程直接形成之后的多光栅RWG生物传感器的立体图，而图8C是该RWG生物传感器的平面图；图9是具有包围中心参考光栅区域的多个信号光栅区域的示例多光栅的RWG生物传感器的平面图，其中，非共振区域具有栅格形的几何形；
图10是布置在阱内的图9所示的多光栅的RWG生物传感器的平面图；图11是阱的侧视剖切图，示出设置在阱底的多光栅的RWG生物传感器；图12A是第一示例的非对称开裂光栅的RWG生物传感器的示意图，该RWG生物传感器显示为驻留在阱内；图12B是第二示例的非对称开裂光栅的RWG生物传感器的示意图，该RWG生物传感器显示为驻留在阱内；图13示出示例的非对称开裂光栅的RWG生物传感器连同扫描路径，该扫描路径沿X方向扫描光点，同时在Y方向上震荡；
图14A是现有技术的RWG生物传感器的示意图，其具有参考光栅区域和信号光栅区域的传统的布置，并示出与形成参考光栅区域相关的喷墨扫描路径；图14B是非对称的开裂光栅RWG生物传感器的示意图，并示出与形成参考光栅区域相关的简化的喷墨扫描路径；以及图15绘出本文披露的两种主要类型非对称的开裂光栅RWG生物传感器的阱覆盖面积百分比(％)与对齐的允差之间的关系。
具体实施例方式现参照本发明的实施例，本发明示范的实施例显示在附图中。在以下的讨论中，参照具有“分辨率限制”的光学读取器系统，该“分辨率限制”是代表着该系统可分辨的最小空间尺寸的阈值。在具有相关光点的扫描的光学读取器系统的情形中，分辨率限制由光点大小定义。在非扫描的光学读取器系统的情形中，该系统使用诸如数字照相机那样的图像传感器同时捕捉反射光，则分辨率限制由分辨分开相邻信号发生或“共振”区域的非共振区域所需的图像传感器像素的大小和数量定义。图I是用于询问一个或多个共振波导(RWG)生物传感器102的示例光学读取器系统(“系统”)100的大致示意图，每个RWG生物传感器102具有表面103，用来确定生物物质104是否存在于RWG生物传感器上。插图A示出示范的RWG生物传感器102的近景图。图2是包括具有表面173的支承板171的示例微型板170的平面图，该表面173具有多个形成在其中的阱175。示例的支承板171具有上板和下板(未示出)的两部分构造，例如，如美国专利申请出版物No. 2007/0211245中所描述的那样。图2的微型板170示出一示范的构造，其中，RWG生物传感器102布置成阵列102A，RWG生物传感器可操作地支承在阱175内。对于2mm见方的RWG生物传感器102，示范的RWG生物传感器阵列102A具有4. 5mm的间距，且RWG生物传感器阵列102A包括每列16个RWG生物传感器，每行24个RWG生物传感器。在实施例中，基准物428用来将微型板170定位、对齐在系统100内，或定位和对齐兼而有之。微型板夹持器174也显示出对微型板170的固定。许多不同类型的板夹持器可用作微型板夹持器174。再参照图1，系统100包括发出光120的光源106。光源106可包括一个或多个灯、激光器、二极管、过滤器、衰减器等。示例的光源105包括诸如超辐射发光二极管(SLD)那样的宽带光源。从光源106发出的光120通过连接装置126 (例如，循环器、光开关、纤维分裂器等)引导到光学系统130，该系统130具有相关的光轴Al并将光120转换为入射的光束(入射光)1341，其在RWG生物传感器102上形成光点135 (见插图B)。通过扫描光学系统130的扫描操作，或通过微型板夹持器174来移动微型板170，均可在RWG生物传感器102上扫描入射光束1341 (和由此的光点135)。入射光束1341从RWG生物传感器102反射，由此形成反射的光束(反射光)134R。反射的光束134R被光学系统130接收,从中得到的光136(下文中,称其为“导向光信号”)通过连接装置126引导到光谱仪单元140，光谱仪单元产生代表反射光束的光谱的电信号S140。在实施例中，具 有处理器单元(“处理器”)152和存储器单元(“存储器”)154的控制器150然后接收电信号S140并在存储器内储存未处理过的光谱数据，该数据是RWG生物传感器102上的位置(和可能时间)的函数。此后，处理器152基于储存在其上或存储器152内的指令来分析未处理过的光谱数据。结果是形成诸如图3所示的共振波长(λκ)数据的空间图，其显示随着光点在传感器上移动作多次不同扫描时作为光点125位置函数的计算的共振波长质心。共振波长λ κ的变化表示特定的RWG生物传感器102是否发生了化学或生物反应。图3还示出共振波长测量的位置敏感性。在实施例中，控制器150包括显示器单元156或是可操作地连接到显示器单元156，显示器单元156显示诸如光谱图、共振波长图和其它测量结果的测量信息，以及系统状态和特性参数。在实施例中，可立即处理光谱，以使仅共振波长(如计算的，例如，测量光谱的对应质心)被储存在存储器154内。测量RWG生物传感器102上发生的生物或细胞化验事件的最常用技术是光谱问讯。光谱问讯需要用多波长或宽带光束(入射光束1341)照射RWG生物传感器102 ;收集反射光(反射光束134R)，以及用光谱仪单元140分析反射的光谱。取自示例的光谱仪单元140的示范的反射光谱图示在图4中，其中，“峰幅值”是由光谱仪中的模数(A/D)转换器确定的光子计数。当在RWG生物传感器表面103处发生化学粘合时，波长中有略微的共振迁移，如箭头所示，如此的迁移由光谱仪单元140探测到。示例的RWG生物传感器102利用传感器表面103处的折射率变化，折射率变化影响入射光束1341和反射光束134R的波导偶联特性，以能在RWG生物传感器上对生化物质104(例如，细胞、分子、蛋白质、药物、化学化合物、核酸、缩氨酸、碳水化合物)进行独立于标签的探测。生化物质104可位于沉淀在RWG生物传感器表面103上的大量流体之内，而该生化物质与传感器表面的附连改变了 RWG处的折射率。为了探测生化物质104，用入射光束1341探查RWG生物传感器102，在光谱仪单元140处接收反射的光束134R。控制器50构造成(例如，处理器152可编程)确定RWG生物传感器内是否存在由于生化物质104的存在而造成的折射率的任何变化(例如，Ippm)。在实施例中，RWG生物传感器表面103例如可用生化化合物(未示出)涂敷，该生化化合物仅允许诸如抗体或蛋白质之类的特殊互补的生化物质104进行表面附连，由此，能使RWG生物传感器102既高度敏感又高度专用。这样，系统100和RWG生物传感器102可用来探测固定在RWG生物传感器表面103上的细胞内的移动或变化，例如，当细胞相对于RWG生物传感器移动时，或当细胞容纳材料或逐出材料时，就会发生折射率的变化。如果多个RWG生物传感器102可操作地被支承为微型板170的阱175内的阵列102Α,且微型板又被微型板夹持器174支承，则RWG生物传感器102可被用来进行高产量药物或化学品的筛选研究。对于有关使用扫描的光学读取器系统来探测生化物质104(或生物分子粘合事件)的更为详细的讨论，可参见美国专利申请系列No. 11/027，547。美国专利No. 7，424，187和美国专利申请出版物No. 2008/0205058和2007/0202543中描述了其它的
光学读取器系统。RffG生物传感器通常包括“信号”区域102S和“参考”区域102R，在“信号”区域102S中，化学粘合发生在RWG生物传感器表面103处，而在“参考”区域102R中，没有发生化学粘合(例如，RWG光栅没有化学地致动)。共振波长通常被称之为λ κ，而“信号”共振波长被表示为λ KS，且参考光栅区域102R的“参考”共振波长被称之为λκκ。参考光栅区域通常通过化学地停止致动RWG生物传感器表面103的区域来形成，导致生成邻近的信号光栅区域102R和参考光栅区域102S。如上所讨论的，在入射光束1341足够大(即，如大的光点135那样)或较小光点135在全部信号光栅区域102S上进行扫描的情形中，在扫描信号光栅区域时，光点与参考光栅区域102R的任何重叠导致混淆的结果和由此不准确的读取。在空间上分开的信号和参考光栅图5是包括示例的多光栅RWG生物传感器102的阱175的平面图，RWG生物传感器102具有信号光栅区域102S和参考光栅区域102R，它们在空间上通过具有宽度D的非共振区域102D彼此分开。信号光栅区域和参考光栅区域的“开裂构造”允许LID读取器系统询问全部的传感器区域，导致对板平移以及从两个区域物理地区分出信号的敏感度为最小。一般地，RffG生物传感器102具有至少一个信号光栅区域102S和至少一个参考光栅区域102R，它们被非共振的反射区域102D分开。在实施例中，非共振区域102D不包括光栅或类似的结构，且不是主动的传感器区域，因此不是按照信号光栅区域102S和参考光栅区域102R的RWG的方式，共振地反射入射光束1341。替代地，非共振区域102D可通过保持原始的光栅结构来形成，但不是波导涂敷具有用传感器区域通常使用的合适量的高折射率材料的区域，以使该区域内的共振波长完全被消除或移出读取器系统的探测带之外。在实施例中，当被入射光1341照射时，尽管某些反射光量可起源于非共振区域102D,但与由信号光栅区域102S反射的光134RS的光量和由参考光栅区域102R反射的光134RR的光量相比时，反射光量是不足的。在实施例中，非共振区域102D起初包括光栅和波导涂层，但然后涂敷掩罩层(未示出)以形成非共振区域。该掩罩方法的实例将在下面详细地描述。在实施例中，非共振区域102D是邻近区域并在这里描述为单一的区域，即使非共振区域102D可具有一个或多个分支、可呈栅格图形的形式，或可具有可被识别为一个或多个子区域的区域，也可作如此的描述。在实施例中，非共振区域102D包围至少一个信号光栅区域102S和至少一个参考光栅区域102R。信号光栅区域102S和参考光栅区域102R的开裂构造可以是对称的或不对称的。RWG生物传感器102的不同光栅构造的实例将在下面讨论。在图5中，举例来说，光点135显示为椭圆形，其主轴在X方向上。光点135在直的信号扫描路径200S上沿Y方向移动在信号光栅区域102S上，并在直的信号扫描路径200R上沿Y方向移动在参考光栅区域102R上。光点135沿X方向的长度大于信号光栅区域102S或参考光栅区域102R的沿X方向的长度，于是，某些光点延伸入非共振区域102D内。这保证完全覆盖信号光栅区域102S和参考光栅区域102R。还应指出的是，光栅在信号光栅区域102S和参考光栅区域102R内的方向可以是水平的或是垂直的，举例来说，在图5中显示为垂直的。图6类似于图5,例外之处在于,光点135是圆形的且相对较小(例如，小于RWG生物传感器的宽度20倍)，光点在相应的锯齿形的信号扫描路径200S和参考扫描路径200R上扫描，以基本上覆盖全部的信号光栅区域102S和参考光栅区域102R。应注意到，信号扫描路径200S延伸入非共振区域102D，但不接触到参考光栅区域102R，而参考扫描路径200R延伸入非共振区域102D，但不接触到信号光栅区域102S。在实施例中，非共振区域102D具有比光点135的尺寸(即，直径)大的最小宽度D。在实施例中，示例的最小宽度D可以是光点135宽度的I. 5至2. 5倍。一般地，非共振区域102D的尺寸(宽度)这样进行定义，使由信号光栅区域102S 反射的反射光134RS不与来自参考光栅区域102R的反射光134RR混合。示例的光点直径(例如，为强度的Ι/e2)介于25微米和和250微米之间，更为较佳地，约为100微米。因此，对于100微米的光点直径，介于100至250微米的最小宽度D确保光点135不同时地照射信号光栅区域102S和参考光栅区域102R。在系统100包括基于照相机成像的实施例中，则设置最小宽度D，使一个或多个完全分辨的照相机像素配合在非共振区域102D内。在实施例中，最小宽度D大于系统100的分辨率限制。还可使用其它的扫描路径200，诸如在不同X位置使用直径小于信号光栅区域102S或参考光栅区域102R的尺寸的光点的多个Y方向的路径。本发明的RWG生物传感器102适用于任何光学问讯方法，其中，人们希望避免反射光134R与信号光栅区域102S和参考光栅区域102R重叠。在实施例中，从非共振区域102D中收集三至五个“光谱”，因此，基于光点135的大小来选择最小宽度D。与图5和6中所述的问讯RWG的扫描光束方法相比，在其它的实施例中，系统100构造(例如，通过成像传感器或照相机-未示出)成同时捕捉来自信号光栅区域102S的反射光134RS和来自参考光栅区域102R的反射光134RR，而不接收来自非共振区域102D的反射光(在光栅共振处)。使用运行在处理器152内的信号处理软件来设别这些区域。尤其是，从反射光134R中确定出反射的信号光134RS(即，反射的信号分量)、反射的参考光134RR(S卩，反射的参考分量)和来自非共振区域102D的“暗”信号分量。应注意到，示例的成像照相机或传感器(例如，CCD阵列照相机或传感器)具有可用来识别反射光的各种分量的像素，包括与接收基本上比其它像素少的光的像素相关的“暗”信号分量。这里，生成的数字图像经数字化处理，以从信号光栅区域102S和参考光栅区域102R以及非共振区域102D的“暗”分量中识别出光分量。图7A是具有单个或单一光栅区域102U的示例RWG生物传感器102的立体图，而图7B则是其平面图。在实施例中，多光栅的RWG生物传感器102形成有如图7A所示的单个或单一光栅区域102U，然后将单一光栅区域分为信号光栅区域102S和参考光栅区域102R。在实施例中，该划分处理过程包括有选择地移去光栅材料，并使用多种技术中的任何一种来完成该划分处理过程，多种技术诸如激光切除、有选择的蚀刻、离子铣削等。图gA是图7A的RWG生物传感器的立体图，其由处理光束182 (例如，激光束、离子束等)进行处理，以有选择地除去一部分的单一光栅102U而形成非共振区域102D。图SB和图SC分别是生成的多光栅RWG生物传感器的立体图和平面图。在实施例中，一部分单一光栅部分102U有选择地被覆盖或“掩罩”以取消光栅反射而形成非共振区域102D。要完成这一点例如可使用选择的涂敷技术或绑扎技术，将阻挡(掩罩)材料的图形层涂敷到微型板的底侧上以形成非共振区域102D。如此的阻挡材料可防止从光源照射到区域102D。如此阻挡材料的实例包括铝、银、粘结剂层，或对照射波长不透明的任何涂层。在实施例中，多光栅的RWG生物传感器102直接形成，而不首先形成单一光栅区域102U。例如，这可以通过使用合适形成的主体(例如,通过电子束形成)来实现,该主体用来将信号、参考和非共振区域102SU02R和102D形成为合适的RWG光栅基底，该过程通过全息曝光、通过平版印刷过程，或诸如紫外线(UV)、铸造和固化技术、注塑模制、冲压等的类似过程来实现，这些过程直接形成非光栅非共振区域102D。注意在此情形中，一旦制造出主体，则掩罩元件不需形成分开的信号光栅区域102S和参考光栅区域102R。这减少了相对于RWG生物传感器基底(未示出)来小心地对齐掩罩元件的需求，并还消除了掩罩成本。图9是类似于图SC的平面图，例外之处在于，RffG生物传感器102以这样的方式形成，使其包括五个信号光栅区域102S和一个参考光栅区域102R，所有区域由栅格型非共振区域102D分离开。在图示的实例构造中，参考光栅区域102R位于中心。 图10是图9的多光栅RWG生物传感器102的平面图，其布置在支承不同生物材料104(见图I)的阱175内，使多个信号光栅区域102S各构造成可操作地支承(S卩，粘合)不同生物物质中的一个。如此的生物传感器构造允许多个目标生物材料104固定在不同信号光栅区域102S上。这允许基本上没有平移(即，位置的)灵敏度的系统100可进行多元的化验。图11是位于阱175底部192的多光栅RWG生物传感器102的侧视图。本发明因此包括测量多光栅RWG生物传感器102的信号共振波长的方法，该方法使用具有空间分辨率限制的光学读取器系统100进行测量。一个方法包括可操作地将多光栅生物传感器102设置在微型板170的阱175内。该方法包括用入射的光束1341辐照信号光栅区域102S而不接触到参考光栅区域，以及产生反射的信号光134RS。该方法还包括对反射信号光134RS作光谱分析以获得信号共振波长λ KS。该方法还可供选择地包括用入射光束1341辐照参考光栅区域102R而不接触到信号光栅区域102S，以及产生反射的参考光134RR，然后对反射参考光作光谱分析以获得参考共振波长λκκ。然后可比较信号和参考共振波长，来建立生化物质104是否已经粘合到信号光栅区域102S。非对称的分裂光栅构造空间上分开(分裂)的信号光栅区域102S和参考光栅区域102R不需要对称地布置。在实施例中，驻留在一个或多个阱175中的RWG生物传感器102中的至少一个可具有非对称的分裂光栅构造。图12Α不出非对称的分裂光栅的RWG生物传感器102的第一不例构造,其中，信号光栅区域102S具有面积AS，参考光栅区域102R具有面积AR，且其中，这些面积不同(即，AS Φ AR，在一实例中，AS > AR)。信号光栅区域102S具有长度L和宽度Ws，而参考光栅区域也具有长度L，但具有小于宽度Ws的宽度Wk(这里要注意，两个不同光栅区域不需具有相同的长度L)。阱175具有中心WC和直径为DW的外边缘175E。信号光栅区域102S和参考光栅区域102R非对称地被围在具有外边缘177E和直径DC的圆形区域177内。非共振区域102D具有上述的宽度D。在阱175内存在有圆形区域177的对齐允差TOL，其由内圆区域的外边缘177E相对于阱外边缘175E允许的位移给定。在实例中，具有相同长度L的面积AS和AR之差导致非共振区域102D不对中在阱中心WC上。出于以下讨论的原因，这是有利的。以上尺寸的示例值可以是长度L = I. 2mm,宽度Ws = O. 8mm,宽度Wk = D = O. 4mm,直径DW = 2. 82mm和直径DC = 2mm。RWG生物传感器102的该类型的非对称的光栅构造用来使参考光栅区域102R的面积AR为最�。比繁７枪舱袂�102D不对中在阱中心175C上。示例的对齐允差是TOL = O. 4mm或O. 42mm。
图12B类似于图12A，其示出非对称的分裂光栅RWG生物传感器102的第二示例构造，其中，信号光栅区域102S和参考光栅区域102R的其它形式尖锐外角可在圆形区域177的外边缘177E处倒圆，以分别形成圆角102SC和102RC。如图所示，对于信号光栅区域102S和参考光栅区域102R，这形成边缘长度LE (LE < L)。与非对称的分裂光栅RWG生物传感器102的该第二示例构造相关的示例参数可以是边缘长度LE = O. 8mm,直径DW = 2. 82mm和直径DC = I. 79_。图12B的构造使RWG生物传感器102的光栅面积总量减少4%。然而，在阱175内定位RWG生物传感器102的允差TOL从TOL = O. 42mm增加到TOL = O. 53_。阱175内RWG生物传感器102的位置允差的该20%增加，可显著地提高RWG生物传感器在阱内对齐的过程稳定性。如果可保持允差TOL = O. 42mm，则使用如图12B所示的第二示例非对称的分裂光栅RWG生物传感器，可使RWG生物传感器102的总传感器面积从I. 46mm2提高到I. 63mm2。非对称的分裂光栅RWG生物传感器102可使用任何已知的RWG生物传感器制造技术进行制造，例如，包括以上提及的技术和纳米压印平版印刷术(UVCC)或DVD样的处理技术。可使用电子束平版印刷术来制造玻璃主体。必要的光栅图形可使用带有UV固化薄膜的纳米压印平版印刷术直接转移到插入件。替代地，光栅图形可复制到UV固化聚合物上，使用压印的平版印刷术压印到厚玻璃基底上。该聚合物复制品然后可用于制造要求电形成复制品的压模。这些压模被加载到注塑模具内，用以制造带有光栅传感器的插入件。设计的修改需要通过电子束平版印刷术来制造新的玻璃主体。图13示出示例的非对称的分裂光栅RWG生物传感器102，以及沿x方向扫描光点135同时在y方向上振荡的扫描路径200。应注意到，信号光栅区域102S和参考光栅区域102R在扫描方向对齐。在扫描过程中获得最小定位数据，需要功率显著地下降，以用来识别信号和参考区域的前导边缘。在实例中，对非共振区域102D设定D = 400微米，这确�？晒鄄斓街辽�2至3个低功率像素。在扫描过程中，该功率下降发出信号使信号光栅区域102S过渡到参考光栅区域102R。在实施例中，宽度Ws、D和Wk彼此是整数倍，以简化扫描之后的数据处理和分析。某些读取器系统100沿RWG生物传感器102中心向下扫描。对于如此系统，入射光束1341的中心和微型板170的中心之间的示例对齐允差是+/-400微米。对该对齐允差的贡献包括对微型板体的插入对齐和个别的瞄准对齐。为了确保每个扫描路径200具有相同的长度，RWG生物传感器102的中心800微米在X方向上必须相同。该约束限制了圆形区域177的曲率半径，圆形区域177截取了信号光栅区域102S和参考光栅区域102R的外角。应确保每个扫描路径200是相同长度，这有利于阱对阱化验的一致性，并导致每个阱扫描的一致噪音特性。
在实例中，参考光栅区域102R通过将聚合物印刷在传感器表面上来形成，例如使用气溶喷射沉淀技术。在生化化验过程中，该聚合物防止生物分子共价和离子附连。由于微型板允差的累积，如图14A所示的传统RWG生物传感器102’具有参考光栅区域，对于2mmX 2mm的RWG生物传感器，该区域的宽度Wk (y尺寸)至少为850微米。气溶喷射循着印刷路径302，印刷路径沿着长的方向印刷，其在短的方向上形成光栅，并例如对每个参考光栅区域102R可包括高达16通道或更多。图14B示出如结合图12A和图12B所述的示例的非对称的分裂光栅RWG生物传感器102。与图14A的传统的RWG生物传感器102’相 比，图14B的RWG生物传感器102使参考光栅区域102R转过90度。这改变在印刷路径302上喷墨印刷和形成光栅的最佳方向(例如，用50微米宽喷墨)。由于与传统的RWG生物传感器102’相比，参考光栅区域102R的宽度Wk减小，印刷参考光栅区域的光栅数量可减少一半。这可导致例如制造循环时间减少 50%。在RWG生物传感器102位于阱175内的实例中，有利地是，RWG生物传感器要尽可能地小。随着RWG生物传感器102的尺寸减�。琑ffG生物传感器在阱175内的定位的对齐允差增大。该对齐允差通常依赖于两个分开的制造过程。第一个过程是将RWG生物传感器插入阱内的过程，该过程必须可靠地相对于阱边缘175E定位参考光栅区域102R和信号光栅区域102S。第二个过程是组装过程，其包括将RWG生物传感器102对齐在阱175内。因为这两个过程都是机械的，允差的任何增加(或RWG生物传感器尺寸的减小)都会提高过程能力。光学读取器系统的化验响应趋于在阱中心175C处一致性最好。如果化验的液体操作没完全优化，则横贯阱的化验响应变化性是很可能的。化验变化性在本质上通常是径向的，并可由多个因素造成，例如，在要求的步骤过程中不合适的混合。非平行或未标定的滴管末端高度也会使化验成分的浓度降低。化验液体的不准确操作可在细胞分配、蛋白质固定或化合物添加步骤期间发生。横贯阱生成的化验的非均匀性通常被称之为“拱起(doming) ”，为此原因，有利地是可询问阱中心175C。非对称的分裂光栅RWG生物传感器102在这一点上是有利的，因为非共振区域102D不对中在阱中心175C上。在化验排除故障期间，在实施例中，有助的是在阱中心175C，并还在阱边缘175E处或靠近阱边缘175E，以及在渐进过程中从阱中心到阱边缘观察化验的响应。非对称的分裂光栅RWG生物传感器102比对中在阱中心175C上的对称的分裂光栅设计允许更多的阱中心175C被询问。将来的光学读取器可以利用具有比目前使用的传感器大的面积的RWG生物传感器102。然而，传感器较大的面积会与为便于制造而使传感器面积为最小的需要发生冲突。分别对参考光栅区域102R和信号光栅区域102S添加圆角102RC和102SC(图12B)，则与图12A的RWG生物传感器102相比，对于给定的允差，允许有更大的传感器面积。在实施例中，添加圆角102RC和102SC导致传感器面积的减小小于4%，但增加允差26%。如果对齐允差可达到TOL = 0.4微米，则传感器面积可放大10%，若添加圆角102RC和102SC的话。如果圆角102RC和102SC对于制造有问题的话，则圆角可以近似处理，使用直线或其它类型弧形代替精确地匹配围绕的圆177的弧形，而不显著地减小其效果。表I提供示例的非对称的分裂光栅RWG生物传感器设计参数和对应的对齐允差。在表I中，生物传感器设计“ I ”对应于图12A的第一不例的非对称的分裂光栅RWG生物传感器的构造，而生物传感器设计“2”对应于图12B的第二示例的非对称的分裂光栅RWG生物传感器。“传感器高度”是尺寸L，“传感器宽度”是尺寸Ws，“参考和间隙宽度”是WK+D。传感器面积由下式给出Lx((WK+D)+Ws)，阱面积被覆盖的百分数等于传感器面积除以阱面积乘以100。TOL是如上定义的对齐允差。表I
权利要求
1.一种用于具有空间分辨率限制的光学读取器系统的多光栅共振波导(RWG)生物传感器，所述多光栅共振波导生物传感器包括 一个或多个信号光栅区域； 一个或多个参考光栅区域；以及 非共振区域，该非共振区域在空间上分开一个或多个信号光栅区域、在空间上分开一个或多个参考光栅区域，以及在空间上使一个或多个参考光栅区域与一个或多个信号光栅区域分开，该非共振区域具有大于光学读取器系统空间分辨率限制的最小宽度。
2.如权利要求I所述的多光栅RWG生物传感器，其特征在于，具有一个信号光栅区域和一个参考光栅区域。
3.如权利要求I所述的多光栅RWG生物传感器，其特征在于，所述信号光栅区域具有面 积AS，所述参考光栅区域具有面积AR，且AS古AR。
4.如权利要求3所述的多光栅RWG生物传感器，其特征在于，AS> AR。
5.如权利要求3所述的多光栅RWG生物传感器，其特征在于，布置在具有边缘和中心的阱内，所述非共振区域不对中在阱中心上。
6.如权利要求5所述的多光栅RWG生物传感器，其特征在于，所述信号光栅区域和所述参考光栅区域各具有邻近阱边缘的圆角。
7.如权利要求I所述的多光栅RWG生物传感器，其特征在于，包括多个信号光栅区域和单个参考光栅区域。
8.如权利要求I所述的多光栅RWG生物传感器，其特征在于，所述非共振区域具有如下中的一个无光栅的结构；无波导涂层的光栅结构；以及非共振反射的涂层。
9.如权利要求I所述的多光栅RWG生物传感器,其特征在于，一个或多个信号光栅区域和一个或多个参考光栅区域驻留在微型板的阱内。
10.如权利要求9所述的多光栅RWG生物传感器，其特征在于，所述阱支承不同的生物材料，并包括多个信号光栅区域，各个信号光栅区域构造成可操作地支承不同生物材料中的一个材料。
11.如权利要求I所述的多光栅RWG生物传感器，其特征在于，所述光学读取器系统具有一定直径的光点，其中，所述非共振区域的最小宽度至少大于光点直径。
12.—种用于光学读取器系统的微型板,包括 多个阱，每个阱构造成可操作地支承多光栅RWG生物传感器；以及 对应多个如权利要求I所述的多光栅RWG生物传感器,每个讲内可操作地设置一个多光栅RWG生物传感器。
13.如权利要求12所述的微型板，其特征在于，至少一个多光栅RWG生物传感器具有非对称的分裂开的光栅构造。
14.一种使用具有空间分辨率限制的光学读取器测量共振波导(RWG)生物传感器的信号共振波长的方法，该方法包括 将具有空间上分开的信号光栅区域和参考光栅区域并在所述信号光栅区域和所述参考光栅区域之间具有非共振区域的RWG生物传感器可操作地设置在微型板的阱内，其中，所述非共振区域具有大于所述光学读取器空间分辨率限制的最小宽度； 用入射的光束辐照所述信号光栅区域而不接触到所述参考光栅区域，以及产生反射的信号光；以及 对反射信号光作光谱分析以获得信号共振波长。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括 用入射的光束辐照所述参考光栅区域而不接触到所述信号光栅区域，以及产生反射的参考光；以及 对反射的参考光作光谱分析以获得参考共振波长。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述信号光栅区域具有宽度和长度，并还包括 用入射光束形成光点，该光点的尺寸大于所述信号光栅区域的宽度；以及 其中，信号扫描路径沿着所述信号光栅区域的长度为直线的，以使全部的信号光栅区域被扫描到。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述信号光栅区域具有宽度和长度，并还包括 用入射光束形成光点，该光点的尺寸小于所述信号光栅区域的宽度；以及 其中，信号扫描路径为锯齿形，以使基本上全部的信号光栅区域被扫描到。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括通过提供具有单一区域的光栅、然后移去一部分光栅以形成非共振区域来形成空间上分开的信号光栅区域和参考光栅区域。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括通过在非共振区域内不形成光栅来形成空间上分开的信号光栅区域和参考光栅区域。
20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括通过在非共振区域内形成光栅但不为所述光栅提供波导涂层来形成空间上分开的信号光栅区域和参考光栅区域。
21.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述阱支承不同的生化物质，并还包括提供多个信号光栅区域，各个信号光栅区域构造成支承不同生物物质中的一个生物物质。
22.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括形成具有面积AS的信号光栅区域，以及形成具有面积AR的参考光栅区域，使得AS Φ AR。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，AS> AR。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述阱具有中心，而所述非共振区域不对中在阱中心上。
25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述阱具有边缘，而所述信号光栅区域和所述参考光栅区域各具有邻近阱边缘的倒圆角。
26.一种使用具有空间分辨率限制的光学读取器测量共振波导(RWG)生物传感器的信号共振波长的方法，该方法包括 将具有空间上分开的信号光栅区域和参考光栅区域并在所述信号光栅区域和所述参考光栅区域之间具有非共振区域的RWG生物传感器可操作地设置在微型板的阱内，其中，所述非共振区域具有大于所述光学读取器空间分辨率限制的最小宽度； 同时用入射光辐照所述信号光栅区域、所述参考光栅区域和所述非共振区域，以产生反射的光； 从反射光中建立来自所述信号光栅区域的反射信号分量、来自所述非共振区域的暗分量，以及来自所述参考光栅区域的反射参考分量；以及对所述反射信号分量作光谱分析以获得信号共振波长。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括用成像传感器来同时探测反射光，该成像传感器形成数字图像，其中，所述建立步骤包括数字地处理该数字图像。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括通过以下的至少一种方法来形成非共振区域 在非共振区域内不形成光栅； 提供具有单一区域的光栅，然后移去一部分光栅； 在非共振区域内形成光栅，但不提供涂层，该涂层致使非共振区域在基本上与信号光栅区域相同的波长处具有共振反射； 形成光栅，对所述光栅施加波导涂层，然后在所述波导涂层上施加掩罩层，以防止从所述光栅的共振反射，其形成非共振区域； 在共振波长区域内形成光栅，然后移去光栅，或它们的组合。
29.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括可操作地将多个RWG生物传感器设置在相应的多个微型板阱内。
30.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括形成具有面积AS的信号光栅区域，以及形成具有面积AR的参考光栅区域，使得AS Φ AR。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，AS> AR。
32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述阱具有中心，而所述非共振区域不对中在阱中心上。
33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述阱具有边缘，而其中，所述信号光栅区域和所述参考光栅区域各具有邻近阱边缘的倒圆角。
全文摘要
披露了一种用于具有空间分辨率限制的光学读取器系统的多光栅共振波导(RWG)生物传感器。多光栅共振波导生物传感器包括一个或多个信号光栅区域和一个或多个参考光栅区域。多光栅RWG生物传感器还可包括非共振区域，该非共振区域在空间上分开一个或多个信号光栅区域、在空间上分开一个或多个参考光栅区域，以及在空间上使一个或多个参考光栅区域与一个或多个信号光栅区域分开。该非共振区域可具有大于光学读取器系统空间分辨率限制的最小宽度。RWG生物传感器可具有非对称的分裂光栅构造。还披露了使用具有空间分辨率限制的光学读取器来测量多光栅RWG生物传感器的信号共振波长的方法。
文档编号G01N21/27GK102741678SQ201080049321
公开日2012年10月17日 申请日期2010年11月1日 优先权日2009年11月2日
发明者D·A·帕斯泰尔, G·A·皮尔驰, R·A·莫达维斯, S·R·梅特伊卡 申请人:康宁股份有限公司
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