检测生物微粒的生物传感器设备和方法

专利名称：检测生物微粒的生物传感器设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种生物传感器设备。此外，本发明涉及一种检测生物微粒的方法。
背景技术：
生物传感器指的是可以用于检测分析物的设备，该设备将生物组件与物理化学或 物理检测器组件相结合。例如，生物传感器可以基于以下现象例如，当抗体的抗体结合片段或者DNA单链 序列作为捕获分子与目标分子的相应序列或结构相适合时，固定在生物传感器表面上的捕 获分子可以选择性地与流体样本中的目标分子杂交。当这样的杂交或传感器事件发生在传 感器表面时，这可以改变被检测为传感器事件的表面的电或光学特性。US 2003/0174923公开了基于在传感器微球内绕轨道运行的光子的谐振位移来检 测和/或测量物质。由于微球的谐振具有大品质因数，所以传感器是灵敏的。传感器包括 与至少一个光纤相耦合的微球。微球的表面包括与物质互补的受体。可以为所述至少一个 光纤提供至少一个表面无受体的附加微球。在这样的附加微球内观察到的谐振位移可以归 因于与物质的存在无关的因素。可以基于附加微球的谐振位移来补偿在具有受体的微球内 观察到的谐振位移，以消除这些其他因素的影响。Vollmer et al. (2003), "Multiplexed DNA Quantification bySpectroscopic Shift of Two Micorsphere Cavities", Biophysical Journal, Volume 85,1974 页-1979 页公开了一种针对高灵敏度无标记DNA量化的谱技术。在微米尺寸二氧化硅球中发出的光 学谐振(回音壁模式)可以用于检测和测量核酸。以寡核苷酸来化学修改二氧化硅球表面。 到目标DNA的杂交导致了光学谐振波长的红移。此外，每个微球可以由其唯一的谐振波长 来标识。通过使用两个微球来论证DNA检测。来自两个微球的复用信号允许以高信噪比54 来辨别11-mer寡核苷酸中的单核苷酸失配。这种全光子回音壁模式生物传感器可以集成 在半导体芯片上，这使得易于制造针对便携式鲁棒芯片实验室设备的分析组件。基于回音壁模式的传统生物传感器芯片可能需要测量花费大量时间。

发明内容
本发明的目的是提供一种具有充分性能的生物传感器。为了实现上述目的，提供了一种根据独立权利要求所述的检测生物微粒的生物传 感器设备和方法。根据本发明的示例实施例，提供了一种用于检测生物微粒的生物传感器设备， 该生物传感器设备包括适于传输电磁辐射的电磁辐射传输部件(如，波导)以及布置在 电磁辐射传输部件处的多个传感器有源结构(如，微球)，其中，多个传感器有源结构中 的每一个对特定(specific)生物微粒敏感(例如，通过在微球表面的生物感测官能化 (functionalization))并且适于在相应生物微粒存在的情况下(例如，由于固定在微球上的捕获分子与互补生物分子之间的杂交事件而引起的)修改电磁辐射传输部件的电磁辐 射传输特性(例如，以触发电磁辐射的频移(例如红移))，其中，电磁辐射传输部件适合 于对多个传感器有源结构中不同传感器有源结构处的不同生物微粒的同时(即，在时间上 并行)检测(例如，通过同时测量多个单独的电磁辐射波束而没有通过电磁辐射传输部件 (例如，通过并行布置的多个光纤)的串扰)。根据本发明的另一示例实施例，提供了一种检测生物微粒的方法，所述方法包括沿着电磁辐射传输部件传输电磁辐射，所述电磁辐射传输部件附着有多个传感器有源结 构，其中所述多个传感器有源结构中的每一个对特定生物微粒敏感；在所述多个传感器有 源结构中相应的一个传感器有源结构处存在相应生物微粒的情况下，通过评估电磁辐射传 输部件的修改后的电磁辐射传输特性，来同时检测所述多个传感器有源结构中不同传感器 有源结构处的不同生物微粒。术语“生物传感器”可以具体是可以用于检测包括诸如DNA、RNA、蛋白质、酶、细胞、 细菌、病毒等生物分子在内的分析物的任何设备。生物传感器可以将生物组件(例如，能够 检测分子的传感器有源表面处的捕获分子)与物理化学或物理检测器组件(例如，具有由 传感器事件来修改的传输特性的波导)相结合。术语“生物微粒”具体是在诸如生物、生物学或生物化学过程中起到重要作用的任 何微粒，如基因、DNA、RNA、蛋白质、酶、细胞、细菌、病毒等。术语“传感器有源区域”可以具体是例如二氧化硅微球之类的外围结构的传感器 的外露区域，可以使其与流体样本交互，使得检测事件可以发生在传感器有源区域中。换言 之，传感器有源区域可以是传感器设备的实际敏感区域，在该区域中进行敏感区域处理，从 而构成感测的基础。术语“流体样本”可以具体是物质阶段的任何子集。这样的流体可以包括液体、气 体、等离子体以及在某种程度上的固体及其混合物。流体样本的示例是包含流体、血液、皮 下组织中的间质液、肌肉或脑组织、尿或其他体液。例如，流体样本可以是生物物质。这样 的物质可以包括蛋白质、多肽、核酸、DNA链等。术语“电磁辐射”可以具体是任何适当波长的光子束。这可以包括光谱(例如， 400nm和SOOnm之间的范围)，然而也可以包括其他波长的电磁辐射，例如UV、红外线、微波、 或甚至X射线。根据本发明的示例实施例，这样的电磁辐射可以用作探头，这是因为这种电 磁辐射是通过诸如光纤之类的结构来导向的，并且可以与附着到光纤外表面的传感器组件 交互。术语“回音壁模式”可以具体是可以局限于折射率大于其周围折射率的圆柱体或 球体，在光的特定谐振波长处发生的现象。在这些波长处，光在体表面发生全内反射，并且 针对纳秒级时间量程在体内被捕获。根据示例实施例，圆柱体或球体可以耦合至(例如，粘 附到)光纤的外露表面。术语“电磁辐射传输部件”可以具体表示能够沿着预定路径传输电磁辐射的任何 组件，例如纯光学或光电组件。例如，电磁辐射传输部件可以通过提供折射率大于1的结构 来限定光学路径。对于特定的波长和电磁辐射传输组件的特定几何结构及其折射率，可以 在电磁辐射传输部件与周围空气或真空之间的边界处发起全折射。这可以确保沿着将选择 性地与多个传感器有源结构之一交互的生物传感器设备的预定路径来安全地引导电磁辐射束。例如，电磁辐射传输部件可以是平面立方体，通过该平面立方体可以彼此独立地引导 多个电磁辐射束，即，没有串扰。备选地，电磁辐射传输部件可以包括多个例如并排对齐的 光纤，每个光纤适于引导通过该光纤的光束。
术语“同时检测多个传感器有源结构中不同传感器有源结构处的不同生物微粒” 可以具体是，电磁辐射传输部件的自组件的布置(具体地，位置)可以被具体布置为使得可 以实现在若干传感器有源结构中每一个独立的传感器有源结构处的独立检测。例如，可以 使充当探头以检测一个传感器有源结构的光束与多个传感器有源结构中恰好一个传感器 有源结构交互，以便允许同时使用另一电磁辐射束检测另一个传感器有源结构。根据本发明的示例实施例，可以提供生物感测组件，所述生物感测组件具有以传 感器有源材料来官能化的多个(例如，至少十个，具体地至少一百个，更具体地至少一千 个)传感器有源结构(如，由二氧化硅制成的球形微结构)。传感器有源结构可以(例如通 过粘附、焊接、机械固定)附着在(例如，由光纤阵列构成的)电磁辐射传输部件的不同且 可区分位置处，采用这种设计，使得可以同时检测不同传感器有源结构处的生物分子的不 同部分。例如，可以使不同的生物探头固定在每个传感器有源结构的表面(例如，与要检测 的生物微粒互补的捕获分子)。这使得很大程度的并行并从而快速的检测架构能够显著加 速的检测机制。此外，由于不同传感器有源结构的空间分离，可以简化官能化过程，因为可 以简单地例如同时使不同的传感器有源结构浸入不同的官能化溶液中。因此，可以提供一 种生物传感器阵列，该生物传感器阵列包括与传感器结构相接触的多个光纤，每个光纤对 特定的生物微粒敏感，并且与相应的传感器结构互补。接下来，将说明生物传感器设备的其他示例实施例。然而，这些实施例也应用于方法。电磁辐射传输部件可以包括多个空间上分离的电磁辐射传输单元，所述多个传感 器有源节结构中的每一个被布置在所述多个空间上分离的电磁辐射传输单元中指定的一 个电磁辐射传输单元处。通过将电磁辐射引导结构空间上彼此分离，可以安全地防止不同 探测束之间不期望的串扰，从而允许高精度且并行的检测方案。空间上分离还可以包括将 独立电磁辐射传输单元的电磁辐射传输特性去耦合。换言之，可以防止通过一个电磁辐射 传输单元的电磁辐射传播通过另一电磁辐射传输单元进行传播。这可以允许清楚地区分传 播路径，从而允许明确指定检测信号和检测事件。空间上分离的多个电磁辐射传输单元可以是多个不同的(电磁)波导。波导可以 表示为引导诸如光之类的电磁波的结构。波导可以被构造为在范围较大的一部分电磁波谱 上承载波，然而在光学或微波频率范围内可以是尤其有用的。根据频率，可以根据导电或电 介质材料来构造这些波导。空间上分离的多个电磁辐射传输单元可以包括多个光纤，多个传感器有源结构中 的每一个被布置在多个光纤中指定的一个光纤处。光纤可以是玻璃或塑料光纤(可以由二 氧化硅玻璃制成)，被设计用于沿着其长度引导光。光纤可以表示为金属线的光学模拟，因 为这些光纤允许光信号以低损耗沿着这些光纤传播。具体地，这样的光纤可以包括芯和外 限，并且可以基于全内反射。具体地，当多个光纤并行布置时，使得可以沿着预定方向进行检测，并且可以共享 电磁辐射源(如，激光器)和/或电磁辐射检测器(如，光电二极管、二极管阵列或CCD“电荷耦合器件”)。此外，光纤的并行布置可以易于制造并且可以允许紧凑设计。 多个传感器有源结构中的每一个可以包括微体，具体是微球，更具体是二氧化硅 微球。从而尺寸在例如在微米或更小到毫米或更大的量级上的体可以简单地附着到例如圆 柱形波导(如，光纤)的外表面。更具体地，球体可以短暂地耦合至光纤。根据本发明的示 例实施例，可以执行光纤-球体耦合和球体制造，如Vollmer et al. (2003) ,"Multiplexed DNA Quantification by Spectroscopic Shift of TwoMicrosphere Cavities，，， Biophysical Journal, Volume 85，p. 1975，右栏中描述的，其全部公开以参考的方式并入 在本申请的公开中。采用电磁辐射，如沿着波导传输的光，可以促进电磁辐射与官能化的微 体之间的交互，使得电磁辐射束的传输特性可以灵敏地依赖于传感器有源结构与流体样本 组件之间的可能交互，从而允许定性地或定量地确定样本的成分。例如，在固定于微体外表 面上的捕获分子与要分析的分析物微粒之间的杂交事件可以产生电磁辐射传输方案的特 征图。微体可以具有球形结构，可以具有椭球结构，可以具有圆柱形结构、可以具有立方体 结构，等等。然而，根据本发明示例实施例，可以将微体设计并定形为使得可以在微体处或 在微体中激发回音壁模式(WGM)，所述回音壁模式(WGM)可以用作检测方案的基础。生物传感器设备可以包括适于产生要耦合至电磁辐射传输部件的电磁辐射的一 个或更多个电磁辐射源。这样的电磁辐射源可以是激光器，具体是半导体激光器(如，激光 器二极管)。可以针对所有或部分光纤来公共地提供这样的激光器二极管，其中诸如反射 器、透镜、孔、分光镜、光耦合器、漫射器等一个或更多个光学元件可以用于将光引向光纤。 备选地，可以针对单独的光纤提供单独的激光器二极管。此外，发光二极管可以被实现为电 磁辐射源。生物传感器设备还可以包括适于检测在沿着电磁辐射传输部件传播之后的电磁 辐射的一个或更多个电磁辐射检测器。这样的电磁辐射检测器可以包括一个或更多个光电 二极管，或者可以包括二维或一维的检测器阵列，如CCD(电荷耦合器件)。可以针对一个或 更多个光纤公共地提供电磁辐射检测器，或者可以针对每一个独立的光纤独立提供电磁辐 射检测器。生物传感器设备可以被适配为DNA(脱氧核糖核酸)排序生物传感器设备。术语 “DNA排序”可以是确定DNA片段中碱基对顺序的过程。换言之，其可以是确定DNA的区域 中核苷酸序列的实验过程。DNA排序可以包括确定DNA寡核苷酸中核苷酸基、腺嘌呤、鸟嘌 呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶的顺序的生物方法。生物传感器设备可以适于通过多个传感器有源结构与生物微粒之间的杂交事件 来排序生物微粒。通过将捕获分子固定在微体的外表面(所述捕获分子被官能化然后可以 用作传感器有源结构)，以及通过顺序地使包括生物微粒的流体样本可能地与微体的官能 化表面官能接触，在捕获分子的序列与要检测的微粒互补的情况下，所谓的杂交事件以非 常选择性的方式发生。换言之，当(例如，基于回音壁模式)检测到所传输的电磁辐射传输 方案的特定修改时，可以推断在互补的捕获分子和生物微粒之间发生杂交事件。通过预见 不同传感器有源结构处的不同捕获分子，可以分析要检测的微粒序列或者可以实施任何流 体分离或流体分析技术。具体地，生物传感器设备可以适于复用地检测多个传感器有源结构中不同传感器 有源结构处的不同生物微粒。例如，可以提供一个或更多个复用器，这一个或更多个复用器可以连接至各个光纤以使得复用检测和评估成为可能。生物传感器设备可以适于基于回音壁模式检测来同时检测不同的生物微粒。如以 上已经说明的，公开了回音壁模式的现象，如在US2003/0174923 Al或US 2002/0097401 Al 中公开的，这两者均以引用的方式并入在本专利申请的公开中。生物传感器设备可以包括一个或更多个捕获分子，被布置在所述多个传感器有 源结构中每个传感器有源结构的表面，适于与生物微粒交互。因此，捕获分子可以针对不同 的传感器有源结构而不同，使得可以执行流体样本的大量并行分析，从而在特定光纤(在 所述特定光纤处存在具有与部分生物微粒的互补序列的捕获分子)处，可以以光电子的方 式来检测到传感器事件。根据本发明的示例实施例，提供了一种通过杂交来进行DNA排序的方法。具体地， 提供了一种使用可以用传统CMOS工艺制造的技术来执行无标记DNA排序的方法。通过杂交来排序(SBH)可以表示为确定在DNA链上出现核苷酸的顺序的一类方 法。该过程可以典型地用于寻找与已知DNA序列相关的小变化。当杂化区域短缺时或在存 在指定的失配检测蛋白质的情况下，一个DNA链与其互补链和DNA双螺旋(aka杂交)的结 合即使对单基失配也是敏感的。可以以多种方式来开发这一点，例如利用在感兴趣的基因 组中存在的数千或数十亿合成寡核甘酸加上许多已知变异或甚至所有可能的单基变异，经 由DNA芯片来开发这一点。然而，这种传统的SBH技术具有若干缺陷，如在杂交芯片中的样 本准备是高成本且缓慢的，需要高技术工人来进行样本准备，检测等级需要DNA的PCR(聚 合酶链反应)放大，对读出的标记成本高且有误差。从这些认识的方面来看，本发明的发明人认识到这里所公开的另一技术更可靠， 可以提高灵敏度使得仅需要最小或不需要PCR放大，可以避免使用标记来进行检测以得到 成本降低，可以容易地与CMOS技术集成，可以避免由于标记检测而导致的错误读出，并且 可以得到样本准备过程的高度简化。为了得到这些和其他优点，本发明的实施例可以利用回音壁模式(WGM)检测方 法。回音壁模式(WGM)可以表示为微空腔谐振的具体模式。在特定频率下的光沿着圆形几 何结构的电介质传播时，可以出现回音壁模式(WGM)。在空腔边界处的重复的全内反射之 后，电场可以自己闭合，产生谐振。具体地，根据本发明的实施例，使得可以使用WGM技术来 进行DNA排序。这可以允许DNA排序，更具体是通过杂交来进行排序。根据示例实施例，可以提供 针对DNA排序的复用能力。为此，可以提供或不提供与相同光纤串联的微体，但是该微体被 布置在彼此光学去耦合的不同(例如并排对齐布置的)光纤处。因此，可以提供与光纤网 络并行布置的多种具体编码球体，以便提供允许DNA排序的(复用)方法。因此，根据本发明的示例实施例，可以不执行顺序检测或不仅仅执行顺序检测，而 是由于本发明各个示例实施例的几何布置，可以至少部分地并行执行涂覆和辨别。通过提供具有不同分支的光纤(每个分支附着有一个或更多个涂覆有不同寡核 苷酸的微体)，可以同时涂覆不同球体，这是因为这些球体耦合至不同的光纤并且在不同的 流体管道中。每个管道可以具有不同的入口，在所述入口处可以引入不同的涂层。因此，可 以预先确定哪个DNA链去往哪个球体。此外，这样的几何结构可以允许同时测量所有球体。
可以以CMOS技术来制造生物传感器。CMOS技术允许制造尺寸非常小的结构，从而通过实现CMOS技术来提高器件的(空间)精度。也可以使用BiCMOS工艺，其中BiCMOS实际上是一种具有添加双极晶体管的一些附加处理步骤的CMOS工艺。对于具有其他嵌入选 项(如，嵌入式烧瓶、嵌入式DRAM等)的CMOS工艺也同样成立。具体地，这可以是相关的， 因为选项的存在通常提供了使用伴随有选项“以零成本”的附加材料的机会。例如，可以出 于任何目的来使用伴随有嵌入式DRAM工艺的适当高k材料(具有高介电常数的绝缘材料， 例如氧化铝)。生物传感器设备可以单片集成在半导体基板中，具体地包括由IV族半导体(如， 硅或锗)和III-V族半导体(如，砷化镓)构成的组中的一个。生物传感器芯片或微流体设备可以是传感器设备、传感器读出设备、芯片实验室 设备、电泳设备、样本传送设备、样本混合设备、样本洗涤设备、样本提纯设备、样本放大设 备、样本提取设备或杂交分析设备或其一部分。具体地，可以以任何类型的生命科学设备来 实现生物传感器或微流体设备。对于任何方法步骤，可以实现从半导体技术中已知的任何传统过程。形成层或 组件可以包括沉积技术，例如，CVD(化学汽相沉积)、PECVD(等离子增强化学汽相沉积)、 ALD(原子层沉积)或溅射。去除层或组件可以包括诸如湿蚀刻、等离子蚀刻等蚀刻技术以 及诸如光刻、UV光刻、电子束光刻等图案化技术。本发明的实施例不限于特定材料，因此可以使用许多不同的材料。对于导电结构， 可以使用镀金属结构、硅化物结构或多晶硅结构。对于半导体区域或组件，可以使用晶体 硅。对于绝缘部分，可以使用氧化硅或氮化硅。生物传感器可以形成在纯晶体硅晶片上或SOI晶片(硅绝缘体)上。可以实现诸如CMOS、BIPOLAR、BICMOS等任何工艺技术。通过以下描述的示例实施例，本发明的上述方面和其他方面将变得显而易见，参 考这些示例实施例说明了本发明的上述方面和其他方面。


以下将参考示例实施例来详细描述本发明，然而本发明不限于这些示例实施例。图1至图4示出了根据本发明示例实施例的生物传感器设备。图5示出了根据本发明示例实施例的作为WGM检测的基础的、耦合至光纤的微球 的放大图。图6示出了根据本发明示例实施例的执行WGM检测的方法。图7示出了根据本发明示例实施例的检测谱。图8示意性地示出了根据本发明示例实施例的DNA排序的方法。图9示出了传统的检测方案。
具体实施例方式附图中的描述是示意性的。在不同的附图中，为相似或相同的单元提供相同的参 考标记。在下文中，参考图1，将说明根据本发明示例实施例的用于检测生物微粒的生物传 感器设备100。
生物传感器设备100包括电磁辐射传输部件102，即，波导装置，适于传输诸如光 之类的电磁辐射。多个传感器有源结构104与实质上圆柱形的电磁辐射传输部件102的外 表面短暂相接触。多个传感器有源结构102中的每一个对特定生物微粒敏感(例如，仅对 具有特定基本序列的寡核苷酸敏感)并且适于在存在相应生物微粒的情况下修改电磁辐 射传输部件102的电磁辐射传输特性(例如，到达其端部的光的波长)。电磁辐射传输部 件102适合于对多个传感器有源结构104中不同传感器有源结构处的不同生物微粒的同时 (艮P，在相同时刻)检测。
电磁辐射传输部件102包括空间上分离的多个电磁辐射传输单元106至110，即， 彼此并行布置的不同光纤106至110，其中多个传感器有源结构104中的每一个被布置在多 个空间上分离的电磁辐射传输单元106至110中指定的一个电磁辐射传输单元。每个传感 器有源结构104包括半径为200 μ m的二氧化硅材料的球形微体112，该球形微体112被捕 获分子118层所围绕或覆盖，这些捕获分子118能够执行与要检测的微粒(未示出)的杂 交事件。提供了电磁辐射源114，如，一个或更多个激光二极管104，该电磁辐射源114适于 产生电磁辐射，所述电磁辐射将被耦合到电磁辐射传输部件102中以沿着传播方向150传 播。更具体地，在图1的实施例中，将光束耦合在具有分发节点132(在该分发节点132处可 以布置适当的光学部件)的光纤130中，在所述分发节点132处光束被拆分到各个光纤106 至110中。因此，光从电磁辐射源104通过电磁辐射传输部件102传播，可以与机械连接至 各个光纤106至110外表面的微球104交互，并且然后可以被导向至专用的电磁辐射检测 器116 (如，光电二极管)，每个电磁辐射检测器116适于检测沿着电磁辐射传输部件102传 播之后的电磁辐射。因此在每个光电二极管116处，可以检测到代表到达各个光纤106至 110的端部处的光束的特性的相应电检测信号。关于捕获分子118层与分析物中的互补微 粒之间的交互，可以在特性上修改检测信号，例如，可以出现波长位移(具体地，红移)。此外，生物传感器设备100包括控制单元134 (还可以表示为评估单元)，如，微处 理器或CPU( “中央处理单元”)，所述控制单元134包括允许控制部分或整个设备100的处 理能力。为此，控制单元134可以耦合用于与光源114的单向或双向数据通信，可以耦合用 于与光电检测器116的单向或双向数据通信，并且还可以耦合用于与输入/输出单元或用 户接口 136的单向或双向数据通信。用户接口 136可以包括诸如操纵杆、键区、按钮等输入元件，并且可以包括诸如显 示器之类的输出单元(例如，LCD显示器或阴极射线管)。经由控制单元134与用户接口 136之间的通信，操纵用户接口 136的用户可以为控制单元134提供控制命令，或者可以从 控制单元134接收检测结果。控制单元134可以通过适当的评估算法来评估检测信号，从而允许根据检测信号 来确定或量度分析物中特定微粒。例如，可以确定波长位移和/或幅度修改，从而能够得到 检测信息。生物传感器设备100可以适于基于多个传感器有源结构104与生物微粒之间的杂 交事件的评估来进行DNA排序。利用光纤106至110的并行布置，可以独立激发每个光纤 106至110中的各个回音壁模式，因此可以同时检测不同的生物微粒，每个官能化118对互 补的生物微粒特别敏感。
在实施检测之前，首先以相应的官能化118来官能化每个二氧化硅微球112，图1 所示的不同微球104的官能化118是不同的。通过为附着到相应光纤106至110的每一个 独立的微球112提供不同的官能化材料，可以实现这一点。此后，可以触发电磁辐射源114 以产生沿着电磁辐射传输部件102传播的电磁辐射。当发生在一小部分流体样本与传感器 有源结构104的特定的一个捕获分子118之间的杂交事件时，可以在相应的微球112或光 纤106至110中激发回音壁模式，所述回音壁模式可以被检测为在相应的一个光电二极管 116处检测信号的变化。从而，控制单元134对光电二极管116的检测信号的分析可以允许 得到与生物样本有关的信息，例如，可以进行DNA排序。这样的分析结果可以是经由输入/ 输出单元136的输出。图2示出了根据本发明另一实施例的生物传感器设备200 。生物传感器设备200与生物传感器设备100的不同之处具体在于，提供了具有片 段204、206、208、210、212的CCD检测器202，代替了各个的光电二极管116。因此，一维或 二维检测器202可以连接至光纤106至110的输出端。从而，采用单个组件202，使得光纤 106至110的一维或二维阵列的一维或二维检测成为可能。对于一维架构，光纤106至110的端部可以沿直线布置。对于二维架构，可以在图 2的纸平面内和垂直于纸平面提供光纤阵列。以下将参考图3来说明根据本发明另一示例实施例的生物传感器设备300。图3的实施例与图1的实施例的不同之处具体在于，针对每一个光纤106至109 提供相应的电磁辐射源114，并且光纤的数目是四个而不是五个。分开提供独立的电磁辐射 源114可以允许独立控制针对每一个独立光纤106至110的电磁传输特性。例如，可以为 不同光纤106至109中的每个光纤提供不同波长(和/或不同强度)的电磁辐射，从而允 许使用依赖于波长的单个检测器。以下将参考图4来说明根据本发明另一示例实施例的生物传感器设备400。图4的实施例与图3的实施例的不同之处具体在于，五个而不是四个并行路径是 可能的，更重要在于，以薄平面连续二氧化硅板402来代替光纤106至109，所述薄平面连续 二氧化硅板402布置在电磁辐射源114与光电二极管116之间，使得没有或实质上没有串 扰的五个不同光学路径成为可能。图4示出了板402的顶视图，并且示出了固定连接至板 402的上表面以触发回音壁模式的官能化微球104。为了灵活去耦合图4中的独立光学路径，可选地可以为相邻路径之间的壁404提 供光学反射或吸收材料。以下将说明通过杂交来进行DNA排序(SBH)的方法。接下来，将说明SBH的总体模型。在第一步骤，即，生物化学步骤中，可以提供称作微阵列的芯片以检测给定的未知 (目标)DNA样本处的所有k-mer。该步骤可以称作杂交。k-mer的集合可以称作谱。每个 k-mer可以称作探头。在第二步骤，S卩，组合步骤中，可以提供根据k-mer集合的原始序列的算法重构。 为此，传统上，可以为芯片提供不同的k-mer (例如，k_mer可以指TGT、TGA、TGG、CTT、CTG、 CTA、GAA、GAT、GAC)。当使样本与这样的芯片或阵列相接触时，如果k-mer与作为寡核苷酸 的捕获分子互补，标记的目标DNA序列可以与k-mer杂交。
接下来，可以除去不与探头k-mer杂交的目标DNA。在这种情况下，可以通过将这些探头洗掉来除去这些探头。随后，可以检测到标记的目标DNA仍然存在。例如，具有CTG 序列的捕获探头与具有GAC序列的生物探头互补。从合成的谱中，通过实现本领域技术人 员已知的计算机算法，目标序列重构是可能的。杂交的总体k-mer可以表示为谱。从而，通 过应用计算机算法，可以根据所得到的谱来重构目标序列。然而，这样的传统方法具有许多缺陷，具体在于样本准备和杂交芯片成本高速度 慢，需要高技术工人来实现样本准备，检测等级需要DNA的PCR(聚合酶链反应)放大，对读 出的标记成本高且有误差。基于上述关于SBH的认识，本发明的发明人开发了这里所描述的基于所谓的回音 壁模式检测方法的示例实施例。图5示出了基于附着有二氧化硅微球104的圆柱形光纤106的回音壁模式检测方 法。示出了传播的电磁辐射束500，所述电磁辐射束500包括微球104与光纤106之间的特 性交互。回音壁模式(WGM)是一种微空腔谐振的具体模式。当光500在特定频率下在圆形 电介质中传播时发生回音壁模式(WGM)。在弯曲边界处重复的全内反射之后，电磁场可以自 闭合以产生谐振。根据本发明的示例实施例，WGM具体适于DNA排序。图6示出了 WGM如何工作的示意图。激光器114将光耦合至具有芯600和包层602的光纤106。示出了水滴604，在所 述水滴604中提供了与光纤106官能接触的微球104。用户可以经由微球608来监控耦合 过程。首先，二氧化硅微球104耦合至光纤106。然后利用激光器114来照亮光纤106。 然后检测到谐振峰(球104中的模式)作为谱峰。图6还示出了具有横坐标612和纵坐标614的示意图610，沿着横坐标612以nm 为单位绘制波长，沿着纵坐标以任意单位绘制了强度。图6还示出了官能化微球104的放大图，所述官能化微球104包括球形二氧化硅 体112和围绕的蛋白质或寡核苷酸层118。当给半径为“a”的二氧化硅球112涂覆厚度为“t”的生物分子时，涂层将半径改 变成a+t，从而将该球的谐振峰从λ移位至λ+Δ λ。因此，生物分子的存在可以被检测为 谱中谐振峰的变化。图7示出了这种具有绘制波长的横坐标702和绘制强度的纵坐标704的示例性谱 700。第一曲线706涉及没有生物分子附着到微球104的情况。第二曲线708涉及生物分 子附着到微球104的情况，从而可以检测到谐振频率下的(红)位移。 根据本发明的示例实施例，WGM可以用于通过杂交来进行DNA排序，尤其具有以下 优点提高了灵敏度从而最小放大就足够了，避免了使用标记来检测从而得到了成本降低， 将这样的系统容易地与CMOS技术相结合，避免了由于标记检测而导致的错误读出，并且显 著简化了样本准备步骤。 再次参考图1，可以为连接至第一光纤106的微球104涂覆k-mer 1 (即，ACG)，可 以为连接至第二光纤107的微球104涂覆k-mer 2 ( S卩，CGC)，可以为固定到第三光纤108的微球104涂覆k-mer 3 (即，GCA)，可以为连接至第四光纤109的微球104涂覆k-mer 4(即， CAT)，并且可以为附着有相应微球104的第五光纤105涂覆k-mer 5 ( BP, ATC)。作为第一步骤，可以如图1所示来准备设备100。接下来，可以触发目标序列的杂 交。要检测的该目标序列是预先未知的，然而针对该示例假定目标序列是ACGCATC)。然后， 在执行杂交化验之后，询问光纤106至110的每个端部。与目标序列杂交的k-mer 118可 以被检测为每个球104的谐振峰的位移。没有杂交的k-mer将不会导致球的峰的位移。可 以使用计算机算法(如，传统已知的计算机算法)来根据k-mer谱重构作为目标的序列。在图8中将更详细地说明这一点。在图8中，以参考数字800来表示DNA样本序列。经由杂交过程802，得到询问之 后的以参考数字804来表示的示例谱。在重构过程806中，根据从各个光纤106至110获 得的独立序列部分808来重构序列800。换言之，根据示例谱来重构序列800。图9示出了使单个光纤900附着有两个不同微球902和904的传统方法。在示意 性谱910中示出了谱中的相应信号。如谱920所示，在被套922包围的第一微球902处发 生检测事件。第三谱930涉及覆盖物922覆盖第一微球902并且覆盖物924耦合第二微球 904的情况。如从谱920可以看出的，Sl由于生物分子而位移，而S2保持不变(或反之亦 然)。第三图930示出了 Sl和S2位移。Sl和S2的位移可以根据所涂覆的生物分子的类型的不同而不同。因此，可以仅在 简单情况下区分附着到独立球的生物分子的特定类型。最终，应注意，上述实施例示出而非限制本发明，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的前提下，本领域技术人员将能够设计出许多备选实施例。在权利要求中， 置于圆括号中的任何参考标记不应被解释为限制权利要求。词语“包括”和“包含”等并不 排除除了任何权利要求或说明书全文中所列的元件或步骤以外的其他元件或步骤的存在。 元件的单数引用并不排除对这种元件的复数引用，反之亦然。在列举了若干装置的设备权 利要求中，可以由同一项软件或硬件来体现这些装置中的若干装置。在互补相同的从属权 利要求中阐述特定措施并不表示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求
一种用于检测生物微粒的生物传感器设备(100)，所述生物传感器设备(100)包括电磁辐射传输部件(102)，适于传输电磁辐射；多个传感器有源结构(104)，被布置在电磁辐射传输部件(102)处，其中所述多个传感器有源结构(104)中的每一个对特定生物微粒敏感并且适于在存在相应生物微粒的情况下修改电磁辐射传输部件(102)的电磁辐射传输特性；其中，电磁辐射传输部件(102)适合于对所述多个传感器有源结构(104)中不同传感器有源结构(104)处的不同生物微粒的同时检测。
2.根据权利要求1所述的生物传感器设备(100)，其中，电磁辐射传输部件(102)包括 空间上分离的多个电磁辐射传输单元(106至110)，所述多个传感器有源结构(104)中的每 一个被布置在所述空间上分离的多个电磁辐射传输单元(106至110)中指定的一个电磁辐 射传输单元处。
3.根据权利要求2所述的生物传感器设备(100)，其中，所述空间上分离的多个电磁 辐射传输单元(106至110)包括多个光学波导，具体是多个光纤，所述多个传感器有源结构 (104)中的每一个被布置在所述多个光学波导中指定的一个光学波导处。
4.根据权利要求3所述的生物传感器设备(100)，其中，所述多个光学波导是并排对齐的。
5.根据权利要求1所述的生物传感器设备(100)，其中，所述多个传感器有源结构 (104)中的每一个包括微体(112)，具体是微球，更具体是二氧化硅微球。
6.根据权利要求1所述的生物传感器设备(100)，包括电磁辐射源(114)，适于产生 要耦合到电磁辐射传输部件(102)中的电磁辐射。
7.根据权利要求1所述的生物传感器设备(100)，包括电磁辐射检测器(116)，适于 检测在沿着电磁辐射传输部件(102)传播之后的电磁辐射。
8.根据权利要求1所述的生物传感器设备(100)，被适配为DNA排序生物传感器设备。
9.根据权利要求1所述的生物传感器设备(100)，适于通过所述多个传感器有源结构 (104)与生物微粒之间的杂交事件来排序生物微粒。
10.根据权利要求1所述的生物传感器设备(100)，适于复用地检测所述多个传感器有 源结构(104)中不同的传感器有源结构处的不同生物微粒。
11.根据权利要求1所述的生物传感器设备(100)，适于基于回音壁模式检测来同时检 测不同的生物微粒。
12.根据权利要求1所述的生物传感器设备(100)，包括一个或更多个捕获分子 (118)，被布置在所述多个传感器有源结构(104)中每个传感器有源结构的表面，适于与生 物微粒交互。
13.根据权利要求1所述的生物传感器设备(100)，包括评估单元(134)，适于评估所 述检测从而识别生物微粒。
14.根据权利要求1所述的生物传感器设备(100)，是以CMOS技术来制造的。
15.一种检测生物微粒的方法，所述方法包括沿着电磁辐射传输部件(102)传输电磁辐射，所述电磁辐射传输部件(102)附着有多 个传感器有源结构(104)，其中所述多个传感器有源结构(104)中的每一个对特定生物微粒敏感；在所述多个传感器有源结构(104)中相应的一个传感器有源结构处存在相应生物微粒的情况下，通过评估电磁辐射传输部件(102)的修改后的电磁辐射传输特性，来同时检 测所述多个传感器有源结构(104)中不同传感器有源结构处的不同生物微粒。
全文摘要
一种用于检测生物微粒的生物传感器设备(100)，所述生物传感器设备(100)包括电磁辐射传输部件(102)，适于传输电磁辐射；多个传感器有源结构(104)，被布置在电磁辐射传输部件(102)处，其中，所述多个传感器有源结构(104)中的每一个对特定生物微粒敏感并且适于在存在相应生物微粒的情况下修改电磁辐射传输部件(102)的电磁辐射传输特性，电磁辐射传输部件(102)适合于对所述多个传感器有源结构(104)中不同传感器有源结构(104)处的不同生物微粒的同时检测。
文档编号G01N21/55GK101849177SQ200880114856
公开日2010年9月29日 申请日期2008年11月4日 优先权日2007年11月6日
发明者巴勃罗·加西亚特洛 申请人:Nxp股份有限公司