CN101278186A - 提高灵敏度的生物传感器 - Google Patents

Abstract

一种传感器，与至少一个光学探测器一起使用，所述传感器包括具有光学输出端的衬底(11)、多孔膜(12)、和用于将分析物流体向多孔膜(12)的感测位置(10)引导的微流体通道(13)，所述感测位置(10)适于至少限制与待确定的分析物相结合的光可变分子(23)，其中所述微流体通道(13)形成为将从所述感测位置(10)发出的光向光学输出端反射，且所述衬底具有与微流体通道对准的衍射光学元件，以将光向所述光学输出端衍射。所述衍射光学元件可以是透镜。

Description

提高灵敏度的生物传感器

本发明涉及传感器，尤其涉及适于进行结合实验的生物传感器，以及操作该传感器的方法。具体的，本发明所涉及的生物传感器中的通道可以设置有可以与分析物分子结合的捕获探针。

灵敏度对于任何生物传感器件来说都是非常重要的。尽管也知道其他传感方法，但光学探测(通过荧光或是化学发光)在此领域内是黄金标准(gold standard)。典型地，使用玻璃或无定性聚合物衬底，经过特定的耦合化学过程，将固定的捕获探针附着到其第一主表面上。通过由标记产生的光强，来传感或测量与探针结合的诸如生物分子的被标记的分析物分子，其与第一主表面相结合。通过适当的、与具有固定的捕获探针的第一主表面设置为合适的几何关系的光学传感器来探测所发射的光。如果将传感器设置为朝向衬底的顶部，则传感器在反射模式下工作，如果将传感器设置在衬底的下面(朝向远离具有固定探针的第一主表面的衬底第二主表面)，则传感器在透射模式下工作。从探针发射的光在所有方向传播，但仅有一部分光可以投射到传感器表面上。作为衬底与传感器接近的结果，不管传感器设置为朝向衬底的第一主表面还是第二主表面(顶部或底部)，光的很大一部分都耦合到衬底中并且不能到达传感器。因此，对传感器产生的光能甚至进一步减少。已经提出了在无孔衬底上的结构表面，以改进光的外耦合。

由于在层流中生物分子受到扩散限制，所以生物分子朝向具有固定探针的表面的结合运动就受到限制。这降低了测量速度，并且因此，由于有时不能达到平衡，也降低了传感器的灵敏度。为了克服这种限制，已经开发出了流通型设置，其中捕获探针附着在所述衬底内的微通道壁上。这些微通道穿过衬底，即，它们大致上设置为垂直于衬底平面。分析物溶液流过这些微通道。由于很小的尺寸，就避免了扩散限制并且显著增加了特定表面的面积。结果是，在每个投射区域上可以捕获更多的标记，由此增强了信号，例如从PamGene的US6635493中可知的。然而，这种光的外耦合会受到非均匀组织结构的影响。

作为PamGene的设计中各向异性孔结构的替换方式，过滤膜中存在的一种随机结构可以用于这种流通设备。这种捕获探针、以及因此固定的标记就散布在膜的厚度方向内。产生的光需要通过散射介质以到达传感器表面。这种过程相当低效。其中损失很多光和/或贡献给了背景水平，因此降低了现场的信噪比。

依然需要一种具有多孔膜的生物传感器，其中提高了该传感器的灵敏度。

本发明的一个目的在于提供改进的传感器，并且尤其是生物传感器，以及操作该传感器的方法，该传感器适于进行结合实验，并且尤其是提供一种改进的生物传感器，其具有附着了与相应分析物分子结合的捕获探针的通道。

通过本发明的生物传感器及其操作方法来实现上述目的。

本发明提供一种传感器，与至少一种光学探测器一起使用，该传感器包括具有光学输出端的衬底、多孔膜以及用于引导分析物流体流向多孔膜的感测位置的微流体通道，该感测位置至少适于限制与待确定的分析物结合的光可变分子，其中将该微流体通道成型为将从感测位置发出的光向光学输出端反射，且衬底具有与微流体通道对准的衍射光学元件，以向光学输出端衍射光。

诸如透镜或光栅的衍射元件和成型的微流体通道的组合增加了传感器的光效率。可在多孔膜的感测位置限制、收集或是附着该光可变分子。

传感器具有接收来自光源的光的光学输入端。在位于感测位置的探针需要激活光源时，这是很有用的。光学输出端可以与光学输入端一样。这使得可以得到紧凑的设计。为了区别光源和从光可变分子发射的光，可以使用有选择性的过滤器，例如二向色镜。

每个微流体通道的侧壁优选对光可变分子发射的辐射镜面反射。侧壁对来自光可变分子的光的反射越高效，传感器的光效率越高。为了实现反射性，微流体通道的侧壁和底壁可以涂敷反射材料，例如，该涂层可以是金属或包括金属。

可用多种方式来构建传感器，例如，其可由夹层构成：在该多孔膜至少一侧具有其中形成微流体通道的层。外层可以是透明的，并且包括光衍射元件作为光学输出端以及可选地作为输入端。本发明的一个实施例包括：通过在可聚合溶液中浸渍多孔膜，随后经所需设计的掩膜通过照射而聚合，从而制备该微流体通道。

微流体通道的侧壁形成为将光引导到光学探测器，并可以是从旋转抛物面、旋转半椭圆面、旋转半卵形面、半球形、具有抛物面截面的半圆柱形、具有半卵形截面的半圆柱形、具有半椭圆形截面的半圆柱形、具有抛物面截面的半圆柱形、具有圆形截面的半圆柱形中选出的分段平滑三维曲线形式。这些形式汇聚并引导光，从而增加生物传感器的光效率。在本发明的框架内，术语“至少一条分段平滑三维曲线”用于表示不完整的曲线，因为在微流体通道的中间部分给多孔膜的感测位置保留位置(place left free)而使其中断。

优选地，该微流体通道和感测位置设置在阵列中。每个感测位置可以具有自己单独的分析物流体供应源，或者成组的感测位置都可以从单个源接收分析物流体。可以将微流体通道设计为使得并行或串行为感测位置提供分析物。

每个感测位置优选被不透明和/或反射区环绕，以减少感测位置间的串扰。多孔膜可以充有密闭流体的材料和反射光或不透明的材料。

在传感器是透射传感器时，光学陷波器可以设置在多孔膜远离光学输出端一侧的传感器的壁上，该陷波器允许来自光源的光透射，但反射来自光可变分子的光。这可以增加从光可变分子到达探测器的光量，同时还为光源提供光学输入端。

本发明的传感器可以是流通(flow through)型生物传感器或流过(flowover)型传感器。在传感器是流通型传感器的时候，多孔膜可以设置在位于多孔膜每侧上的微流体通道之间。反射元件可以位于多孔膜远离光学输出端一侧的传感器的壁上，以将光反射回感测位置。在与使用多孔膜两侧的成型微流体的衬底的壁上的反射涂层相结合的时候，就使得更多光被返回光学探测器。

本发明具体和优选的方面在下面附加的独立和从属权利要求中说明。从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征结合，并且可适当地与其他从属权利要求的特征结合，而不仅是如权利要求中直接描述的那样。

结合附图，本发明的上述和其他特征、特点以及优点可以从下面的详细说明中变得显而易见，该详细说明通过例子的方式说明本发明的原理。说明书仅仅是用于举例的目的而不限定本发明的范围。在附图中参照下面引用的附图标记。

图1是本发明的第一实施例的、反射模式中使用的流通型生物传感器的垂直截面图；

图2示意性示出流体流过图1的结构；

图2A是顶视图，图2B是截面图；

图3是本发明的第二实施例的、透射模式中使用的流通型生物传感器的垂直截面图；

图4是阵列中设置的微流体通道的示意顶视图，并且是图2中部分的扩大视图；

图5是本发明第三实施例流过型生物传感器的垂直截面图；

图6是本发明另一个实施例的生物传感器的配置。

在不同的附图中，相同的附图标记表示相同或是相似的元件。

将参照某些附图并对于特定的实施例描述本发明，但本发明并不限于此，而是仅由权利要求限定。权利要求中的任何附图标记都不应被理解为限制其范围。附图所描述的只是示意性的而非限定性的。在图中，为了示例的目的，一些元件的尺寸可以被夸大且没有按照比例绘制。在说明书和权利要求中使用了术语“包括”的情况并不表示排除其他元件或步骤。使用不定冠词或定冠词的情况下，在使用例如“一”、“一个”、“该”表示单数名词时，除非具体指明了，它还包括该名词的复数形式。

此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于区别类似的元件，而不是描述其顺序或是时间次序。应该理解，这样使用的术语在适当条件下是可以互换的，并且这里描述的本发明的实施例可用所示出或描述之外的其他顺序工作。

此外，说明书和权利要求书中使用的术语顶部、底部、其上、其下等仅用于描述目的，并且不是描述其相对位置。应该理解，在适当的条件下，这些所使用的术语是可以互换的，并且这里描述的本发明的实施例可用所示出或描述之外的其他朝向工作。

此外，主要参照可以是或包括光可变分子的探针描述本发明，该探针在具有目标分子的情况下发光。然而，本发明并不限于此，其可以包括在具有目标分子时吸收光的探针。在这种情况下，光学探测器将探测在目标分子结合探针时的光强降低。

对于本领域技术人员来说，实现体现本发明生物传感器目的的其他配置是显而易见的。

本发明涉及一种传感器设备，尤其是荧光或发光传感器设备，例如，发光生物传感器或是发光化学传感器设备。根据本发明的传感器设备可以包括多孔膜、具有引导流体到在多孔膜上和/或在多孔膜中感测位置(点)的微流体通道的衬底，其中将该微流体通道成型为不仅将分析物流体引导至感测位置，而且还用作从感测位置发射的光的反射引导物。此外，衬底具有如透镜或光栅的衍射光学元件，该衍射光学元件和反射引导物将从感测位置发射的光引导和汇聚到传感器的光学输出端。透镜可以是任何适合的形式，例如双面凸、半球形、桶形、半圆柱形等。光学传感器或探测器可以位于与该光学输出端相对的位置，来确定从光学输出端离开的光强和/或颜色。该光学探测器可以是任何适当的探测器，包括有电输出端的探测器，也包括有任何其他可知输出端的探测器，例如术语光学探测器包括显微镜。透镜和成型的微流体通道都用来在传感器的光学输出端方向准直从探针发出的光，以使光学传感器或探测器接收。该生物传感器可适于反射或是透射模式操作。

可设置材料来阻挡流体，并光学地阻止或反射从一个感测位置上探针发出的光传播到另一个位置，即防止串扰。可以通过在探针位置之外的位置，即感测位置10之外的位置，以流体密闭物和不透明或反射材料填充和密封多孔膜12、使微通道13的壁不透过分析物流体且成为不透明或反射的来实现。

生物传感器可以是流通型或是流过型传感器。在流通型传感器中，该微流体通道引导分析物流体通过该多孔膜的感测位置。微流体通道可以设置为防止从一个感测位置流到另一个位置，即，感测位置并行接收分析物流体。或者，分析物流体可以从一个感测位置流到另一个位置，即，该感测位置串行设置。在本发明的一个实施例中，分析物流过感测位置的方向沿着与从该位置出射的光传播到传感器或探测器的基本上相同的轴。在感测位置流体输入端一侧和/或感测位置的流体输出端一侧的该微流体通道优选形成为反射引导物。探测器可以与光源设置在生物传感器的同一侧(反射模式)，或者可以设置在相对侧(透射模式)。在这种设置中，多孔膜可以夹在两片衬底之间，每片衬底包括成型的微流体通道。在流过型传感器中，微流体通道引导分析物流体沿着基本垂直于从感测位置的探针发射的光的轴的轴向，流过多孔膜的感测位置。

临时收集或保留探针，或永久收集、保留或是附着到多孔膜的位置上。临时保留表示多孔膜可以限制附着探针的诸如微珠(microbeads)的粒子。限制的方式可以是机械的、化学的、电的或是磁的。例子如下所示：多孔膜可以用作机械过滤器，例如，具有小于该微珠尺寸的孔尺寸，同时还允许分析物生物分子通过。多孔膜可以包括磁性材料或是可以施加磁场，且通过磁引力实现对磁性微珠的限制。多孔膜可以被充电或是设置在电场中，且通过电引力来实现对于绝缘微珠的限制。临时保留探针的优点在于：通过反转该流，就可以去除或替换探针。永久地保留或附着，就表示通过任何适当的实际(positive)附着形式，例如范德华力、共价键合、交联等将探针固定。永久附着的优点在于：该生物传感器可以对于同一实验重新使用多次。

本发明不限于探针设计、目标分子设计、捕获方法或是结合过程，也不限于与探针结合的分子或实体的类型。例如，按照需要，该结合实体可以是生物目标，即诸如抗体、蛋白质、核酸(DNA或RNA)、多核苷酸、肽、碳水化合物的分子，或者可以是较大的实体，诸如细胞、细胞的一部分如外或内细胞膜、高尔基体等，或者可以是诸如细菌、原生动物、病毒等生物体。可以将多孔膜设置为使得生物目标通过该膜，除非它们与探针结合。

将微流体通道设计为反射引导物提高了在多孔膜的感测位置从例如上述分子、细胞、部分细胞、生物体的化学目标分子或生物目标与收集、保留或是固定的捕获探头结合而得到的光信号输出。传感器的灵敏度依赖于从膜到传感器的光外耦合(outcoupling)的效率。通过将膜封装在特别设计的通道板间，就可以显著提高外耦合。包括该光学结构的微流体通道还用作流体通道，以引导分析物通过该多孔膜。通过下面的方式改进效率：(i)在多孔衬底中形成准直结构，或是在该多孔衬底上附着准直结构，(ii)将部分衬底形成为用作诸如透镜的衍射光学元件。可选地，(iii)感测位置(点)之间的区域可以被阻断，以防止感测位置10之间透过流体和来自探针的散射光透射，以减少点之间的串扰，并减少背景辐射。

图1示例性地示出本发明的生物传感器的第一实施例。生物传感器1用作流通型设备，并且在反射模式中，即光源3和探测器5在生物传感器的同一侧。可选地，例如红外光的光源通过准直器7以及二向色镜9。二向色镜的目的在于反射该光源波长的例如红外辐射，以通过生物传感器的光学输入端，朝向多孔膜12的感测位置10，但是允许从感测位置发射的光通过，例如来自标记(23)的化学发光或是荧光，以使得该光到达光学探测器5。被二向色镜9反射的、来自光源3的光通过例如衬底11上透镜15的衍射光学元件汇聚到多孔膜12的感测位置10，在感测位置保持或固定捕获探针。可以通过任何适当的方式，将透镜15设置在衬底11之中，或例如通过对透镜加工或模制而从衬底中形成。这些衍射元件与微流体通道13和多孔膜(12)上的感测位置(10)对准。

图1示出三个微流体通道13，其属于衬底11中的相同阵列。这些通道13通过侧、顶和底壁限定，这些壁优选是反射的，并形成为将从感测位置的探针发出的光引导至探测器5，或是引导至反射镜，该反射镜随后将此光向探测器5反射。

如图2所示，将要分析的分析物通过输入管道24引入生物传感器并通过管道25离开。本发明的范围包括各种流的配置，例如，每个感测位置10及其相关微流体通道13可以具有单独的输入管道24和/或输出管道25。或者，可以通过来自单个输入导管24的总管(manifold)对感测位置10的组进行供给。任何分析物流的适合配置都包括在本发明的范围内，并且要通过结合实验分析的分析物的流在侧面方向进入并离开通道13，然而如图2所示，通过感测位置的流垂直于此方向。其他流模式也是可以的，并且在临近的微流体通道13之间可以有互连。本发明包括控制器，用于设置通常从管道24和/或25中的哪个进行供给。为实现此目的，将微流体阀设置在管道24和/或25内。微流体阀及其其制造和激活的方法对于本领域技术人员来说是公知的，并在这里进行详细描述。

如图1中部的通道13所示，光源的光穿过形成或设置在衬底11的顶壁14上的汇聚透镜15。在本实施例中，通道13包括感测位置10的流体输入侧的上部17和感测位置10的流体离开侧的下部19。如中间通道13所示，光源的光穿过多孔膜12的感测位置10。可选地，光源和在感测位置10从探针射出的光随后在衬底11的后壁16中形成或设置的曲面反射底层21上反射。反射层可以是任何适当的层，例如在诸如铝的金属层上蒸镀或溅射。光被反射回到多孔膜12。

参照图1左侧的通道13可以更好理解，将生物传感器的下部19和上部17的壁的形状设置为使得它们可以作为对于在多孔衬底11中感测位置10从标记23发射的辐射的准直设备。在图1所示的实施例中，上部17的壁基本上形成旋转抛物面。下部19的壁也形成这样的抛物面。只要保留将光导向探测器5的功能，壁的形状可以改变，例如，可以将壁设置为锥形、半圆形、半椭圆形或是半卵形截面(在每种情况下，在它们到达感测位置10时变窄)。该壁可以是水平半圆柱的形式，在朝向诸如透镜的衍射光学元件的顶部开口，该半圆柱形的截面可以是抛物面、半椭圆形、半圆形、锥形或半卵形(也在到达感测位置10时变窄)。在后面的设计中，感测位置10的探针的光可以汇聚到探测器5的一条线而不只是一点上。这可以通过使用圆柱或是桶形透镜来补偿，该透镜的圆柱轴垂直于半圆柱微通道的轴，即横轴。

感测位置10的探针发射的光在近似于探测器的方向传播，被通道13的上部17的侧壁向探测器5反射，并进一步被透镜15准直。在与探测器5相对的方向上发射的辐射被通道19的侧壁反射，并随后被流体通道13底部的反射层21向探测器5反射。感测位置上探针发射的、远离探测器5的光通过通道13下部19的形状向反射表面21准直(或者如果需要，朝向另一个探测器)。一旦光被反射到凹的反射底层21上，该光就进一步被下部19的侧壁反射，并随后在上部17的侧壁上反射，直到光通过包括汇聚透镜15的衬底顶壁14，并最后到达探测器5。光汇聚到探测器上，并且因此提高了生物传感器的灵敏度。

为了帮助发射光在微流体通道的侧壁上反射，可将该侧壁做成反射性的。例如，衬底可以包括两层。最靠近感测位置10的层可以由诸如金属的反射材料制成，例如铝或是不锈钢。随后，可以方便地在该金属层上加工该微流体通道。该外层优选由透明材料制成，其中可以设置或是形成透镜15。此外层的材料可以是透明(clear)塑料、玻璃、石英等。或者，微流体通道可制造为具有壁14、16和透镜15，或者，该微流体通道可与多孔膜12一体制造。在各种情况下，通道13的壁可以涂上反射涂层，例如蒸镀或是溅射金属涂层。

来自光源3、在第一次通过多孔膜12的感测位置10期间没有被吸收的光，被反射表面21反射并重引导为再次朝向膜12的感测位置10，以进一步增加其中的光强。

在本发明的实施例中，多孔膜12夹在微流体通道13的部分17和19的上和下壁之间。可以在流体通道13的壁间压缩多孔膜，如图1示意性所示。以这种方式，还可以收集角度极斜的辐射，同时将到相邻感测位置(点)的辐射泄漏最小化。通过使用注入感测位置之外的多孔膜区域中的不透明或反射材料26，可以进一步改进此效果。材料26可以载有适当的染料，诸如碳黑或是金属粒子，以分别使材料变得不透明或反射。这种材料可以是吸光或反射的胶或接合剂，将其注入例如多孔膜中与微流体通道的壁接触的、但在感测位置之外的区域，并随后被设置并保持位置。参照微流体通道描述的光学结构可以在衬底上模制或复制，以改进朝向光学元件的光学界面。

或者，本发明的生物传感器流通型设备可以使用透射或透射和反射(即，探测器在衬底两侧)的设置。图3示意性示出透射的流通型生物传感器。省略了图1的反射层21，或是将其替换为陷波器27(例如二向色镜)，其透射来自光源3的光，但是反射来自标记的光。此外，在流体通道13和探测器5之间，可以放置选择性反射镜29(例如二向色镜)以反射来自源3的光，但透射来自标记23的光。不需要如本发明第一实施例中的二向色镜9，简单的反射镜31就足够了。

优选地，感测位置10上收集或保留，或附着的探针上的标记可以在存在目标分子的时候，感生显色反应或是导致光强改变和/或可以导致生物发光或化学发光或光致发光或荧光，其中该目标分子例如是荧光基团(fluorphores)。所有这种的分子都是指定的“光可变分子”。在使用化学发光或是电化学发光标记的情况下，或是使用任何其他标记的情况下，它们不受单独的光源泵浦而发光，例如它们可以被环境光泵浦，除了不需要光源3、准直器7，该设置与参照图1到3描述的设置类似。还不需使用反射镜9或31，除非需要过滤掉具有与光可变分子发射的光不同波长的杂散光。

用作光学结构的微流体通道13的设计优选被优化为具有较高的光汇聚效率，并且同时具有较小的投射区域。在图4中表示投射区域(从膜12上方观察)。流体的膜12的孔径应较高，以获得紧凑的探测器单元，并可以获得较大数量的点。

本发明的生物传感器可以从用于微流体设备和微型全系统的常规材料构建。在另一实施例中，使用可聚合溶液制备该光学结构。首先在这种溶液中浸蘸多孔膜12，由此在多孔膜的两侧都形成该材料的层。随后通过所需设计的掩模(例如孔)经照射将混合物聚合。该可聚合混合物应该这样选择，以使得在未照射区域较少产生或是没有产生聚合。随后通过自分层过程形成孔，并且未聚合的液体可以被很容易地洗掉。可以将该掩模设计为：使得例如成形的微通道的光学结构形成为与上述的类似(例如图1或图3)。

该自分层混合物优选包括反应性(即可聚合)和非反应性的物质。通过聚合，反应性物质将扩散到照射区域。非反应性物质将在相对的方向运动。

聚合选择的优点在于增加(并且可调节)了膜的机械强度；灵活性(掩膜设计和材料选择)。另一个优点是表面的变化：可以将可聚合的混合物设计为使得将附加的官能团结合到该聚合的壁中。这些官能团可以用于膜内捕获探针的共价键合。另一个优点在于控制聚合的壁的润湿性。

此外，上述实施例，即具有覆盖反射片的壁的微流体通道、以及具有光聚合壁的通道可以结合在一起。

图5示出第三实施例，其用于流过型生物传感器。微流体通道没有底部19，并且通道13的光学表面可以集成到衬底11和例如透镜15的衍射元件15中。需要关注以在通道13的底表面上具有最优的流动条件，即这里形成有附着探针的感测位置10。在通道13的侧面和壁上形成的、用于将光反射到传感器的光学输出端的光学结构优选不过多干扰流动模式，否则将减少感测表面10的对流材料传送，这导致测量减速并可引入不准确因素。如对于其他实施例在上面描述的，可以将光学结构设计为在所有方向上反射光(轴对称)，或是用于仅在一个方向具有改进的流动特性(圆柱对称)。例如，该衬底可以是注射模压的塑料部件，其被局部金属化以创建通道13的反射表面。

图6示意性示出根据本发明的用于透射流通的生物传感器设置30。反射配置也包括在本发明的范围内。经过泵34或重力或毛细管供给，将分析物的源33供给本发明的生物传感器36，例如参照图3所描述的传感器。分析物通常包括生物分子或是由该生物传感器探测的化学实体。可选地，辐射源35，例如光源位于生物传感器36附近，以通过光源的光对其照射。环境照明条件也可以用于照射生物传感器36。光学探测器31位于膜的一侧，以记录光输出或颜色变化。光学探测器31可以是光学传感器或是这种传感器的阵列，或可以是诸如CCD相机的相机。光学探测器31可以具有光滤波器37以衰减来自光源35的光，并允许从光可变分子出射的光透射，该分子诸如生物传感器36的感测位置上的化学发光或是荧光探针。输出电子设备32通过线路、光纤或是无线连接、或是任何其他适合的通信连接方式连接在探测器31上，以处理探测器31的输出，并提供所需的显示输出、警报、硬拷贝输出等。

依照本发明，可以使用反射和透射生物传感器。对于配置的灵敏度来说，发射的辐射的有效收集角是很重要的。光学探测器可以浸入分析物液体以避免内反射。

光源的激励强度与源和照明场的类型相关。例如，可以使用0.1-1w的光源，并且可以是任何适当的类型，例如LED、激光器等。优选地，应该选择光源以激励例如荧光基团的光可变分子到饱和强度的约一半。曝光时间应该较短以避免荧光基团的光致褪色。因此，优选使用脉冲光源。

图6的生物传感器配置可以结合到微流体设备中，由此可以通过重力供给、毛细管行为或是通过微流体泵来驱动分析物流动。本发明还涉及一种包括任何上述生物传感器的试剂盒。这种试剂盒可以额外包括探测装置，用于确定在探针和分析物之间是否发生结合。优选地，这种探测装置可以是与具有标记的分析物中生物分子结合的物质。优选地，该标记可以引起显色反应和或可以导致生物发光或化学发光或光致发光或是荧光。

本发明的生物传感器可以在很多应用场合中使用，例如对于临床诊断应用，作为食物质量和环境的传感器。在本发明的生物传感器用于获得核酸序列信息的时候，就通过多孔膜12上感测位置10的阵列来提供目标区域的较大阵列，每个感测位置包括不同碱基对序列的DNA寡核苷酸探针作为结合物质。如果将包含具有(部分)未知序列的DNA或RNA片段的样本与该膜接触，就会发生特定的杂交模式，从该模式就可以推断出DNA/RNA序列。

根据本发明的生物传感器还可以用于筛选多种分析物中诸如血液的生物样本。该阵列可以包括具有专用于诸如细菌病原体的病原体的DNA寡核苷酸探针的区域。如果将血液样本与该设备接触，可以通过光学探测器读出得到的杂交模式，从中可以推导出细菌的存在。根据本发明的生物传感器适于探测病毒。该方法中，探测病毒RNA的点突变。

根据本发明的生物传感器还适于执行夹心免疫分析。在夹心分析中，将诸如抗体的第二配合基体用于结合被结合的分析物。该第二配合基体优选可通过例如使用特定抗体来辨别。

通道13中形成的光学结构的通常尺寸在平面中为50到1000微米(micrometer)的范围内，在厚度方向上为10到500微米之间。该光学结构可以由模制塑料制成，例如环烯(cyclo-olefinic)聚合物和共聚物。在这种情况下，反射部分覆盖有一层蒸镀的铝。半透反射镜9和/或21、27通常可以是多层材料或胆甾型滤色器。探测器5可以是任何适合的探测器或是光传感器，诸如CCD或CMOS传感器阵列或相机。膜中的每个开口部分可以包含不同种类的捕获探针，以分析目标物质或分析物的整个集合，诸如寡核苷酸或是蛋白质。在结合实验中，它们可用于探测所有可与对应的捕获探针结合的分析物。在与准直片(collimating sheet)组装之前或是优选地在组装之后，这些捕获探针可以通过类似于喷墨打印的定位(spotting)技术而涂在衬底上。将复合膜结构附加到通道系统上，其允许引入执行生物测试所需要的样本液体和其他化学液体。这些液体例如可以顺序流通或是通过泵来回驱动，以优化结合和测量条件。

应该理解，尽管在这里对于本发明的设备说明了优选实施例、具体的结构和配置以及材料，但是在不离开本发明范围和精神的情况下，还可以在形式上和细节上作出各种变型和变化。

Claims (14)

1、一种传感器，与至少一个光学探测器一起使用，所述传感器包括具有光学输出端的衬底(11)、多孔膜(12)、和用于将分析物流体向所述多孔膜(12)的感测位置(10)引导的微流体通道(13)，所述感测位置(10)适于至少限制与待确定的分析物相结合的光可变分子(23)，其中所述微流体通道(13)形成为将从所述感测位置(10)发出的光向所述光学输出端反射，且所述衬底具有与微流体通道对准的衍射光学元件，以将光向所述光学输出端衍射。

2、根据权利要求1的传感器，其中所述衍射光学元件是透镜。

3、根据权利要求1或2的传感器，其中所述传感器具有光学输入端，用于接收来自光源(3)的光。

4、根据权利要求3的传感器，其中所述光学输出端与所述光学输入端相同。

5、根据任一前述权利要求的传感器，其中每个微流体通道的侧壁对于所述光可变分子(23)发射的辐射都是镜面反射的。

6、根据权利要求5的传感器，其中所述微流体通道的侧壁和底壁涂敷有反射性材料。

7、根据任一前述权利要求的传感器，其中，通过将所述多孔膜浸入可聚合溶液中并随后通过所需设计的掩膜经照射而聚合，从而制备所述微流体通道。

8、根据任一前述权利要求的传感器，其中所述微流体通道的侧壁为分段的平滑三维曲线形式，所述三维曲线是从：旋转抛物面、旋转半椭圆面、旋转半卵形面、半球形、具有抛物面截面的半圆柱形、具有半卵形截面的半圆柱形、具有半椭圆形截面的半圆柱形、具有抛物面截面的半圆柱形、具有圆形截面的半圆柱形中选出的。

9、根据任一前述权利要求的传感器，其中所述微流体通道和所述感测位置设置在阵列中。

10、根据任一前述权利要求的传感器，其中每个感测位置(10)都环绕有不透明和/或反射区，以减少所述感测位置(10)间的串扰。

11、根据权利要求1到8中任意一个的传感器，其中所述传感器是透射传感器，并且其中光学陷波器(27)位于所述多孔膜(12)远离所述光学输出端一侧的所述传感器的壁上，所述陷波器(27)允许来自光源的光透射，但是反射从所述光可变分子发射的光。

12、根据任一前述权利要求的传感器，其中所述传感器是流通型生物传感器或流过型传感器。

13、根据权利要求12的传感器，其中所述传感器是流通型传感器，并且所述多孔膜(12)设置在位于所述多孔膜各侧的微流体通道之间。

14、根据权利要求13的传感器，其中反射元件(21)位于所述多孔膜(12)远离所述光学输出端一侧的所述传感器的壁上，用于将光反射回所述感测位置(10)。

Images