TW200303984A - High performance fluorescent optical sensor - Google Patents

Description

200303984 Ο) 玫^、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 發明說明 技術領1 本發明一般係關於感測器裝置，其用於從一包含待分析 物的指示劑偵測電磁發射，其中發射之特徵隨分析物濃度 而變化。特定言之，本發明係關於此類感測器裝置之設計 和性能的改善。 先前拮输f 美國專利案號5,517,313中揭露了 一種螢光感測裝置，其 包括一含有螢光指示劑分子之矩陣的分層陣列（下文中朝 「螢光矩陣」）、一高通濾波器（high_pass fiUer)和一光積 測器（photodetector)，其内容以提及方式併入本文。在此 裝置中，光源最好為一發光二極體（「LED」），其至少部 分位於指示劑材料中，使光源之入射光能導致指示劑分子 發螢光。高通濾波器讓發射光到達光偵測器，同 出散射的入射光。一分析物可以滲透該螢光矩陣，根 分！物數量比例來改變指示劑物質的螢光特性然 < 1測态偵測並測量螢光發射，於是即可測

環境中存在的分析物之數量或濃度。 U 上述5,517,313專利案t揭露之該類m ::’係將該裝置經皮下或經靜脈或其它方式二Γ 使得可隨時對分析物進行即時測量。例如，人體’ 醉狀態下病人血液中的氧 -、於測量麻 糖濃度。 的“度，或糖尿病人血液中的葡萄 200303984 ⑼ 發明說明續頁 自5，5 17,3 13專利案說明之裝置發明以來，本發明者已研 製出許多改進設計，其明顯增強了 5,517,313專利案說明之 該類光學感測器裝置的性能、可靠度和使用壽命。 特定言之，尤其因為在活體内（in_viv〇)或在現地（in_situ) 的應用中，對該類感測器裝置之尺寸和重量的限制，所以 為了獲得更可靠準確的測量信號，盡可能提高指示劑矩陣 的效率就很重要，同時還要盡可能降低功率損耗和產熱量 。此外，感測器裝置設計應可以進行具有成本效益的大量 生產，且銷售價格要合理。另外，也期望盡可能延長裝置 的使用哥命’特別是在該裝置必須植入人體用於生物分析 物（bioanalyte)之現地偵測的應用中。 發明內容 依據本發明的一項觀點，其提供了 一種用於確定一分析 物之存在或濃度的光學感測器裝置，其包括一基板、基板 上構成的一遮光板層，且基板包含至少兩腔室，一光源安 裝於基板表面上並在其中一腔室中，用於首先發射依據激 勵（energization)而預選波長之光，一光偵測器安裝於基板 表面上與光源相鄰並在另一腔室中，且由遮光板與光源隔 離’用於彳貞測其上的入射光，並產生一響應的電氣信號， 一波導管形成於光源及光偵測器之上，其中含有光源之腔 室係用透明的環氧材料填充，且該材料與波導管的折射率 相同’使得光源可視為「位於波導管中」，波導管的平均 厚度對應於該遮光板所決定的光源之遠場發射點，及一可 透過分析物之指示劑矩陣置於波導管之外表面，該螢光矩 (i) 200303984 發明說明績頁 陣3有螢光指示劑分子，其螢光性因該螢光矩陣中存在之 “斤物而削弱或增強’選擇預選的榮光指示劑分子，使光 =之波長激發指示劑分子之榮光性，纟中㈣測器響 應该螢光指示劑分子發射於光偵測器上之入射螢光而產生 一電氣信號。 圖1A和1B顯示依據本發明之光學感測器裝置的一項且 體實施例。該裝置包括一光源，如㈣1〇1，和安裝於二 基板Γ上之—光偵測11，如發光m該光源和光 Y貞測裔係由一波導營1 〇 ς ^ . _ 反等e 103封裴，其外表面具有含分析物指 π梦]刀子的螢光指不劑矩陣1 〇5。該矩陣i〇5可以各種方 式置於波導管103之外表面1，如沈積、塗佈、黏著等。 光源⑻和光偵測器102由一内部擋板104讀此分隔，其為 基板100之擋板層部分104的一部分。 擋板層丨04可形成於基板100之底層11〇上，以定義多個 腔室，光源和光偵測器之位置係安裝於基板上。在該腔室 上形成波導管層1G3之前，用—透明的環氧材料⑽填充光 源腔室，該材料最好與波導管1〇3的折射率相同。填充材 料106可以（但並非必須）與波導管1〇3的材料相同。、 光偵測器腔室係用摻雜紅色的環氧材料1〇7填充，其用 作一濾波器以阻止光源101的直射光或反射光照射光偵測 器 102 〇 如圖2A和2B所示，依據本發明之光學感測器裝置的配 置，實質上係實現光源101僅對波導管1〇3的整個外表面直 200303984 (2) 發明說明績頁 接照明，該波導管之外表面具有螢光指示劑矩陣1〇5，並 且只能直接收集光偵測器102表面上指示劑矩陣1 〇5的響應 發射。内部擋板104阻止光源1 〇 1對光偵測器1 〇2的散射照 明。圖6顯示LED光源的光發射幾何輪廓。 ' 採用先前的感測器構造所產生的一個問題為，用作光源 · 的標準LED之發射光並非單一波長，而係包括明顯數量的 長波長光發射，其可降低所獲得的測量信號之品質。例如 ’ 一標準的藍色LED發射460 nm波長的光，但因各種因素 籲 ’包括製造過程中的因素，有明顯數量（如約總發射量的 〇·1°/〇或更多）的光發射散佈進入了光譜的紅色區域（如6〇〇 nm 以上）。摻雜紅色的環氧材料1〇7係用作一濾波器，以阻礙 監色波長光入射至光偵測器1 〇3上，但不能濾出LED光源 的所謂「紅尾（red-tail)」發射。 在使用菲繞琳聯苯釕（ruthenium biphenyl phenanthroline) 作為指示劑矩陣的氧感測器裝置的情形中，該等指示劑的 峰值發射為613 nm。因而，LED的「紅尾」發射會影響指示 _ 劑的#號。該「紅尾」發射引起信號基線上升，因而抑制 了對指示劑之螢光發射有價值的可讀處理。如圖3 A所示。 如圖所示，（理想的）藍色波長光發射3〇1伴有外來多餘 ^ 的紅色波長光發射302，先前的波導管構造可將紅色波長.： 光反射至光彳貞測器1 〇 2的彳貞測表面。依據本發明之直接照 月構造’ LED光源的大多數多餘的紅色波長發射302並未 在波導管表面反射回光偵測器，而是直接通過了波導管， 使得大體上只有藍色波長的螢光發射303響應藍色波長光 (3) 200303984 發明說明績頁 波3〇1的激發，照射到光偵測器1〇2的光偵測表面上。依據 貝驗/則i ’基線雜訊比先前構造的幾何形狀產生之基線雜 的專、、及下降了 40倍以上（如從23 mV降至〇_5 mV以下）。 依據本發明，光學感測器裝置的最簡單、最有效配置係 波導管具有一平坦表面，如圖丄八至⑶和2A至2B所示。其 亦了為一考曲表面，如圖4所示。此外，也可能具有其它 的表面幾何形態，如鋸齒形、人字形（gable)或相反的表面

形狀’以增加表面面積，從而增加用於分析物交互作用的 指示劑數量。 由先前設計，可想到波導管的彎曲拱形有助於使信號光 聚焦於光偵測器上。事實卻與之相反，依據本發明之設計 ’内部反射或聚焦並非主要現象。如圖4所示，拱形之焦點 402與偵測器1〇2無關，且事實上完全在感測器裝置之外。 貫驗觀察和測量已證實，與内部反射光相反，產生的絕 大多數指示劑光只響應光源的直接照明。 圖5A至5D顯示反射並非信號強度的主要影響因素的情 形下，多個不同波導管厚度的最佳方案。如圖所示，製造 了各種厚度的波導管，此處厚度與一距離成比例關係，即 從LED光源至LED光源之遠場發射點X與波導管表面之交 點之間的距離。對於每一厚度，均以固定的LED電流和放 大器增益測量信號強度。如圖所示，波導管厚度為X/3， 產生約5 mV的信號，厚度為2X/3，產生約20 mV的信號， 厚度為X，產生約50 mV的信號，及厚度為4X/3，產生約 40 mV的信號。從這些結果中可看出，當波導管厚度等於 -10- 200303984 (4) 發明說明績頁 X時’可獲得峰值信號強度，換言之，此處led光源之遠 場發射點與波導管角落重合。 為了獲得增大的表面面積，此處波導管之表面並未製成 -· 平坦’厚度X等於從波導管之下表面測量的表面圖案的平 乂 均南度。 *, 依據本發明之光學感測器裝置也可配置成雙偵測器或多 债測器，光偵測器安裝於LED的兩側，不同的指示劑矩陣 置於各別光债測器之上，使得led的同一激發波長可激發鲁 每一指示劑矩陣的不同螢光波長。或者，可使用多個led ’其中每一 LED發射不同的激發波長，引起不同的螢光波 長響應。 本fx月即及明如上，對熟悉技術人士而言，顯然可對同 樣的方式進行各種變化，而不會背離本發明之精神與範圍 例如’儘管為便於顯示，已參考螢光感測器裝置對本發 明進行了說明，但本發明之原理可應用於採用除螢光之外 的其它偵測現象的光學感測器裝置。所有這類修改均包含 在下列申請專利範圍内。 · 獨式簡婁說明 結合附圖並參考以上對較佳具體實施例的詳細說明，可 更王面地理解本發明，附圖僅為了便於說明，因而不應視 為對本發明之限制，其中： .- 圖1A為依據本發明一項具體實施例之一光學感測器裝置 的俯視圖； 圖1B為圖ία中光學感測器裝置的側視圖； -11 - (5) 200303984 圖2A為圖1A至1B之光學感測器裝置的側系 發和指示劑的響應可見區； 圖2B為圖2A的·一端視圖； 圖3 A和3B為側視圖，分別顯示光學减測器 光雜訊的問題和本發明的解決方案； 圖4為一侧視圖，顯示對於依據本發明之一 實施例的光學感測器使用一彎曲波導管表面； 圖5 A至5 D為側視圖，顯示對於依據本發明 置，波導管厚度之最佳化方案，以及 圖6之圖表顯示適於與依據本發明之光學感 起使用之L E D光源的光發射量變曲線。 圖式代表符號說明 100 基板 101 發光二極體 101 光源 102 發光二極體 102 光偵測器 103 波導管 104 播板層部分 104a 内部擋板 105 螢光指示劑矩陣 106 透明環氧材料 107摻雜紅色的環氧材料 110 底層 發明說明縝頁 L圖，顯示激 之光源發射 替代性具體 之感測器裝 測器裝置一 -12- 200303984 301 302 303 402 (6) I發明說明續頁 藍色波長光發射 紅色波長發射 紅色波長螢光發射 焦點 -13-

Claims (1)

1. 200303984 拾、申請專利範圍 1 · 一種光學感測器裝置，用於確定一分析物之存在或濃度 ，其包括： 一基板； 一光源’用於首先發射依據激勵一預先選擇波長之光 ’其係安裝於該基板之一表面上； 一光债測器’用於偵測其上的入射光並產生一響應的 電氣信號，其係安裝於該基板表面與該光源相鄰，且在 此由一遮光板與該光源隔離； 波導^在5亥光源和該光彳貞測器之上，該波導管之平 均厚度對應於該遮光板所決定的該光源之遠場發射點， 以及 可透過分析物之指示劑矩陣置於該波導管之外側表 面，該指示劑矩陣包含發光指示劑分子，其光發射因該 矩陣中存在分析物而削弱或增強，選擇該指示劑分子， 使該光源發射之該波長激發該指示劑分子中之光發射， 其中 該光偵測器產生一電氣信號，以響應該指示劑分子發射 於其上之入射光。 2·如申請專利範圍第丨項之光學感測器裝置，其中該波導 官之該外侧表面係大體平坦，且該波導管之該厚度係對 應於该光源之該遠場發射點。 3·如申清專利㈣第i項之光學感測器裝置，纟中該波導 管之該外側表面係為一曲線拱形之配置。 200303984 申請專利範圍縝頁 4·如申请專利範圍第3項之光學感測器裝置，其中該曲線 拱形之一焦點係在該感測器裝置之外。 5.如申請專利範圍第1項之光學感測器裝置，其中使該光 源發射之多餘的其它波長光，無需在此處反射而係穿透： 出該波導管以外。 · 6·如申請專利範圍第丨項之光學感測器裝置，其中該感測 · 裝置係用於偵測至少兩個不同的分析物。 7·如申請專利範圍第1項之光學感測器裝置，其中可透過 _ 分析物之該指示劑矩陣實質上只能由該光源之直接照明 而照明。 8·如申請專利範圍第1項之光學感測器裝置，其中該光偵 測器實質上只收集該指示劑矩陣之直接螢光照明。 9·如申請專利範圍第1項之光學感測器裝置，其中該光源 係為一 LED。 1G·如申請專利範圍第1項之光學感測器裝置，其中該光偵 測器係為一發光二極體。 _ u_如申請專利範圍第i項之光學感測器裝置，其中該發光-指示劑分子係為螢光分子。 12·如申請專利範圍第1項之光學感測器裝置，其中該擋板 “ 定義至少兩個腔室，當該光源和該光偵測器安裝於該基 ： 板上時係位於腔室中，且該波導管係形成於該腔室上。 13·%申請專利範圍第12項之光學感測器裝置，進一步包括 —透明填充材料，其係在該光源所在之腔室中且在該光 源之上，其中該透明填充材料之折射率實質上等於該波： 200303984 申諝專利範圍績頁 導管之—把& & 中。 率，使得该光源實際上安裝於該波導管之 14 如申明專利範圍第12項之光學感測器裝置，進一步包括 心色摻雜填充材料，其在該光偵測器所在之腔室中且 在該光偵测器之上，其中該彩色摻雜填充材料係用作一 渡波器’以阻止該光源發射之主要波長光照射到該光偵 測器上。