温度传感器和使用其的生物传感器的制作方法

专利名称：温度传感器和使用其的生物传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种温度传感器和使用其的分析装置。具体而言，本发明能够在温度 检测表面的水平上快速而精确地测量温度和/或其分布。本发明还涉及一种生物传感器， 例如FTIR生物传感器装置，其包括具有积分温度监测和/或控制模块的光学检测区域。
背景技术：
在很宽范围的技术中，在施加期间发生作用的装置表面的水平进行精确温度确定 是一个重要的概念。例如，在感测表面处或附近进行感测可能非常依赖于温度的生物传感 器领域中，尤其是这种情况。可以利用特定目标生物化合物与感测表面上探针的复杂结合 来确定包含一种或多种其他分子的样品流体中这些目标生物化合物的存在和浓度，目标生 物化合物例如是，但不限于DNA、RNA或蛋白质。由于这种结合与温度相关，对特定目标分子 存在和/或浓度的所得检测结果也与温度相关。俘获探针(例如抗体)和目标生物化合物(例如抗原、代谢物)之间的结合是通 过形成多个非共价键而发生的热力学过程。因此，结合效率，即结合事件的数目，取决于温 度。因此，为了执行定量测量，应当很好地控制或至少测量化验期间的温度，以便随后对结 果进行校正。此外，结合动力学(结合的速度)与温度相关，即，温度将影响到总的测量时 间。此外，在高温下，蛋白质可能会变性，阻止正确地执行测量。现有技术中需要直接在载体表面的水平测量温度及其分布的精确而可靠的方法 和装置。现有技术中还需要制造这种温度传感器和包括其的分析装置的方法，其中该方法 易于执行而且不会显著增大装置成本。

发明内容
本发明的目的在于提供一种良好的温度检测装置和包括其的分析装置，并提供用 于在处理期间监测和/或控制检测区域温度的方法。本发明实施例的优点是能够在表面水 平监测和/或控制温度。本发明实施例还涉及一种分析样品流体的方法，推测该样品流体 包含一种或多种诸如目标生物化合物的分析物分子。上述目的是通过根据本发明的方法和装置实现的。本发明涉及一种用于获取温度相关信息的温度传感器，所述温度传感器包括具有 温度检测表面的载体，所述温度检测表面适于在其上接收一种或多种温度指示剂，其中所 述一种或多种温度指示剂通过在预定温度改变光学性质而工作，并且所述温度传感器适于 利用倏逝波激励从所述一种或多种温度指示剂诱发光学响应。温度检测表面可以包括一种 或多种温度指示剂。根据本发明的实施例优点在于，可以将温度感测与检测颗粒的高灵敏 度检测技术组合。根据本发明的实施例优点在于，可以通过容易而且相当有成本效率的方 式将温度传感器集成到生物感测系统中。根据本发明的实施例优点在于，温度系统提供了 关于表面处温度的温度信息。根据本发明的实施例优点在于，可以将温度传感器专用于在 特定温度范围之内进行感测或感测特定温度转变。
所述温度传感器可以适于利用受抑全内反射从所述一种或多种温度指示剂获取 光学响应。载体可以适于从载体外部接收入射电磁辐射束，从而在温度检测表面经受倏逝波激励。温度传感器可以包括用于以适于在温度检测表面得到倏逝波激励的角度接收电磁辐 射束的光学结构和/或用于适当地耦合出受抑全内反射的电磁辐射束的光学结构。所述光 学结构可以包括适于在所述入射电磁辐射耦合进的位置处与所述入射电磁辐射束垂直或 在所述电磁辐射耦合出的位置处与所述反射电磁辐射束垂直的表面。根据本发明的实施例 优点在于，在从周围介质过渡到载体中期间或反之期间，入射电磁辐射束和/或反射电磁 辐射束的方向不会变化或仅有最小限度变化。此外，根据本发明实施例的优点在于，在对射 束耦合进和耦合出期间的不需要反射将被最小化。可以将光学结构集成到载体中。根据本 发明的实施例优点在于，可以限制要提供的分立部件数目。或者，可以在与载体分立的光 学元件中提供光学结构，这样可以在包括载体且是一次性的盒和更昂贵的光学部件(有利 地，光学部件是可重复使用的)之间具有间隔。所述光学结构可以包括适于将入射电磁辐射束Ll聚焦在所述温度检测表面上的 一个或多个光学元件。根据本发明的实施例优点在于可以避免光损失。一种或多种温度指示剂可以作为一个或多个层和/或点而存在。所述一种或多种 温度指示剂的至少一种可以是易受温度影响的聚合物、共聚物或水凝胶。根据本发明的实 施例优点在于这些材料容易合成并施加到表面上。可以针对各种临界温度获得它们。温度传感器可以包括用于向载体中发射入射电磁辐射的辐射源，使得入射电磁辐 射在温度检测表面经受倏逝波激励和/或受抑全内反射。根据本发明的实施例优点在于不 需要外部光源而且需要较少的对准。温度传感器可以包括用于检测从温度检测表面反射的电磁辐射的检测器件。温度 传感器可以包括用于检测温度指示剂的光学响应的检测器件。根据本发明的实施例优点在 于不需要外部检测器件。本发明还涉及一种用于感测样品流体中一种或多种分析物的存在和/或浓度的 生物感测装置，生物感测装置包括用于获取温度相关信息的上述温度传感器以及用于检测 一种或多种分析物的分析物检测器件。温度传感器和分析物检测器件可以适于使用相同的入射电磁辐射束。根据本发明 的一些实施例优点在于可以使用同一辐射源。根据本发明的一些实施例优点在于可以使用 同一检测器件来检测温度相关信息和用于分析物检测。生物感测装置还可以包括考虑到一种或多种分析物用于确定一种或多种分析物 的存在和/或浓度的处理器件。该装置还可以包括热控制器件，用于根据温度相关信息控制分析物检测器件的温 度。热控制器件可以包括加热器和/或冷却器。本发明还涉及一种温度指示剂，温度指示剂包括温度敏感结构，温度敏感结构具 有至少一个与温度相关的维度，从而在将温度指示剂接收到表面时能够从温度指示剂和表 面之间的距离导出温度相关信息。根据本发明的实施例优点在于，可以为在温度检测表面 上印刷温度指示剂获得了多用途、快速和容易的备选方案。温度指示剂可以适于特异性结 合到表面。表面可以是载体的特定表面或可以是目标分子的表面。
本发明涉及一种用于获取温度相关信息的方法，包括如下步骤获得具有温度检 测表面的温度传感器，所述温度检测表面包括一种或多种温度指示剂，每种温度指示剂通 过在预定温度改变光学性质而工作，以及通过如下步骤从所述一种或多种温度指示剂获取 温度相关信息将入射电磁辐射引导到所述温度传感器中，使其在所述温度检测表面处经 受倏逝波激励或受抑全内反射，以及确定所述温度指示剂的光学响应。本发明还涉及一种用于分析样品流体中一种或多种分析物的方法，该方法包括如 下步骤获得包括具有温度检测表面和颗粒检测表面的载体的温度传感器，所述温度检测 表面包括一种或多种温度指示剂，每种温度指示剂通过在预定温度改变光学性质而工作， 将所述载体的检测表面与样品流体接触，通过如下步骤从所述一种或多种温度指示剂获得温度相关信息将入射电磁辐射 弓丨导到所述温度传感器中，从而在所述温度检测表面处诱发倏逝波激励或经受受抑全内反 射，并且确定所述温度指示剂的光学响应，以及在所述样品流体中检测所述一种或多种分析物。可以通过如下步骤执行所述样品流体中所述一种或多种分析物的检测向所述温 度传感器中弓丨导入射电磁辐射，使其在所述颗粒检测表面经受全内反射或受抑全内反射， 以及检测从所述颗粒检测表面反射的电磁辐射强度。根据本发明的实施例优点在于，例如， 可以利用同一照明束同时进行温度相关信息的获取和一种或多种分析物的检测。所述方法还可以包括通过将针对在所述样品流体中对所述一种或多种分析物的 所述检测的检测结果与所获得的温度相关信息进行组合来确定所述样品流体中所述一种 或多种分析物的存在和/或浓度。根据本发明的实施例优点在于，可以更精确地确定样品 流体中分析物的存在和/或浓度。在所述样品流体中进行一种或多种分析物的所述检测之前，所述方法还可以包括 考虑到所述获得的温度相关信息使所述颗粒检测表面到达预定温度。根据本发明的实施例 优点在于，可以更精确地确定样品流体中感受兴趣分析物的存在和/或浓度。根据本发明的实施例优点在于，在已知并能够调节测量期间的温度时，能够改善 生化化验的性能。或者，可以将测得的温度向前馈送，校正可变温度下的化验结果。本发明的实施例可以利用如下发现可以以精确和/或快速的方式监测和/或控 制诸如发生倏逝波激励的光学检测区域的检测区域的温度。可以利用在检测区域的表面上 将一种或多种温度指示剂沉积为一个或多个层和/或点，或使这种温度指示剂接近表面并 使用这些温度指示剂以获得温度信息，来获得这种效果。沉积的指示剂可以通过根据温度 改变其光学性质来工作。包括这种温度检测表面的装置的优点在于能够监测检测区域自身的温度。在后附的独立和从属权利要求中陈述了本发明的具体和优选方面。可以酌情将从 属权利要求的特征与独立权利要求的特征以及与其他从属权利要求的特征组合，而不是仅 仅如权利要求中明确陈述的那样。本发明的教导能够设计出用于感测样品中感兴趣颗粒的改善方法和设备。结合附图，从以下详细描述将明了本发明的以上和其他特性、特征和优点，附图以 举例方式示出了本发明的原理。仅仅出于举例的目的给出了该描述，不限制本发明的范围。以下引用的参考图示涉及附图。


将参考以下附图描述本发明、其实施例和优点。图1示意性地示出了根据本发明实施例的温度传感器的一般布置；
图2示意性示出了根据本发明实施例用于检测样品流体中一种或多种分析物的
装置；图3示意性示出了图2的放大部分，示意性示出了根据本发明实施例用于低于临 界温度的温度检测区域(A)和用于高于临界温度的温度检测区域(B)；图4示意性地示出了根据本发明实施例用于测量温度的方法；图5根据本发明实施例，一方面示出了光传感器对于温度传感器的第一范例的随 时间变化的响应，另一方面示出了在其LCST以下(底部左侧)和以下(底部右侧)的第一 范例的独立水凝胶盘的外观；图6根据本发明实施例示出了光传感器对于温度测量的第二范例的随时间变化 的响应；图7到11示意性示出了根据本发明实施例用于检测样品流体中一种或多种分析 物的装置不同范例；图12示出了 LCST以上温度指示剂的盘绕状态(左侧)和LCST以上温度指示剂 的展开状态(右侧)以及在利用倏逝波激励时它们相应的发光响应，如根据本发明实施例 所能够使用的；图13示出了如图12所示的盘绕和展开状态，其中温度指示剂未结合到检测表面。
具体实施例方式将相对于具体实施例并参考

本发明，但是本发明不限于此，其仅由权利 要求限定。不应将权利要求中的任何附图标记推断为限制范围。所描述的附图只是示意性 的，而非限制性的。在附图中，可以夸大某些元件的尺寸，出于举例说明的目的，这些元件并 非按比例绘制。当在本说明书和权利要求书中采用“包括”一词时，其不排除其他元件或步 骤。在因涉及单数名词而采用了诸如“一”、“一个”、“该”的不定冠词和定冠词的情况下，其 仍然包括该名词的复数形式，除非另行明确说明。此外，出现在说明书和权利要求中的第一、第二、第三等词语只是用于区分类似的 元件，而未必用于规定次序或时间顺序。应当理解，在适当的情况下，所采用的所述词语是 可以互换的，而且文中描述的本发明的实施例可以按照文中描述或图示的以外的其他顺序 操作。如这里使用的，除非另有说明，术语“分析物”指被固定为目标或分析点的小分子， 例如滥用的药物或生物分子化合物。它包括生物分子化合物，例如，但不限于核酸和相关 化合物(例如DNA、RNA、寡核苷酸或其类似物、PCR产品、基因组DNA、细菌人工染色体、质粒 等)、蛋白质和相关化合物(例如多肽、缩氨酸、单克隆或多克隆抗体、可溶或结合受体、转 录因子等)、抗原、配体、半抗原、碳水化合物和相关化合物(例如多糖、寡糖等)、细胞碎片， 例如细胞膜碎片、细胞器、完整细胞、细菌、病毒、原生动物等。
如这里使用的，除非另有说明，术语“探针”指当被置于目标生物化合物中或与之 反应时能够与“目标生物化合物”特异性结合的生物制剂，用于检测目标生物化合物的存在 和/或浓度。探针包括生物分子化合物，例如，但不限于核酸和相关化合物(例如DNA、RNA、 寡核苷酸或其类似物、PCR产品、基因组DNA、细菌人工染色体、质粒等)、蛋白质和相关化合 物(例如多肽、单克隆抗体、受体、转录因子等)、抗原、配体、半抗原、碳水化合物和相关化 合物(例如多糖、寡糖等)、细胞器、完整细胞等。探针还可以包括目标化合物结合的特定材 料，例如特定的生物聚合物。如这里使用的，除非另有说明，术语“水凝胶”指能够在水和其他水相介质中膨胀 并在膨胀状态中保持大量水的聚合物网络。在膨胀状态中，水凝胶包括被水分子溶剂化的 聚合物链的三维网络，而该链彼此化学或物理链接，从而防止聚合物网络溶解在水相环境 中。在第一方面中，本发明涉及一种温度传感器，即能够提供温度相关信息的系统。在本发明的实施例中，温度传感器包括具有温度检测表面的载体。温度检测表面包括一个或 多个温度指示剂，其通过在预定温度下改变光学性质而工作。温度传感器还适于利用倏逝 波激励提供来自一个或多个温度指示剂的光学响应。检测可以基于受抑全内反射或发光检 测。例如，参考图1描述根据本方面的实施例的温度传感器的标准和任选部件，本发明不限 于此。图1示出了根据本发明实施例的温度传感器10的布置。载体11具有充当温度检 测区域13的温度检测表面12。载体的一个主要功能是包括温度检测表面，尽管如此载体 11还可以如进一步将讨论的包括用于检测颗粒的检测表面。温度检测表面12是温度传感 器10将从其获得温度相关信息的载体表面。载体11优选对于给定频谱范围的电磁辐射， 尤其是由可用于本系统的发射入射电磁辐射的器件(例如光源)发射的电磁辐射具有高透 明度，将在说明书的别处定义这种器件。例如，可以由玻璃或像聚苯乙烯的一些透明塑料制 造载体。尽管在原则上载体11可以具有一些专用结构，有着多个不同材料的部件，但有利 的是，由单一材料，例如透明塑料同源地制造载体。于是，可以通过例如注射塑模容易地制 造载体11。本发明的温度传感器10还包括一个或多个温度指示剂14，温度指示剂通过在预 定温度下改变光学性质而工作并存在于温度检测表面12上。例如，在本发明的实施例中， 检测表面12可以在其表面上沉积有至少一种指示剂作为一个或多个层和/或点，该指示剂 通过光学性质的改变指示温度。指示温度变化的光学性质变化可以有利地通过例如使入射 电磁波束的全内反射受抑而得到光学响应或者发光响应。其例如为，在温度指示剂通过变 得不透明/混浊或通过向着温度指示表面吸引散射部分(moiety)而工作时的情况。在另 一实施例中，表示温度变化的光学性质变化通过影响入射电磁波束的反射临界角而有利地 工作。其例如为，在温度指示剂通过改变其折射率而工作时的情况。载体11的温度检测表 面12或温度检测区域可以是波纹状或粗糙的。在一些实施例中这是有利的，因为这允许入 射电磁辐射在一定范围的角度内命中载体-温度指示剂界面，因此生成取决于温度指示剂 折射率的电磁辐射反射图案。可以将对这种图案变化的观察用作温度指示剂改变其折射率 的指示，这又给出关于温度指示表面和/或区域温度的信息。有利地，光学性质的这种变化 工作于包括在大约0°C和大约95°C之间、有利地在大约0°C和75°C之间、更有利地在0°C和40°C之间的温度或温度范围之内。而且，光学性质的这种变化，例如下限临界溶解温度转 变，有利地发生，并可以在不超过5°C、优选不超过大约3°C、更优选不超过大约1°C、最优选 不超过0. 5°C之内可被检测到。折射率的变化可以是连续的，由此检测极限取决于所用检测 器的灵敏度。检测器可以适于区分在温度变化小于5°C时光学性质的变化，有利地区分在温 度变化小于0. 1°C时的光学性质。这种特征是有利的，因为其允许准确地评估温度检测表面 12的温度。典型地，在到达和/或超过给定温度时，观察到光学性质的变化。因此，测量这 种性质允许确定温度检测表面12的温度高于还是低于这一温度范围。温度指示剂14可以是一旦通过临界温度Tc就呈现不同光学性质的任何种类材料。这种材料的一个范例可以是水凝胶。可以将呈现出下限临界溶解温度(LCST)的易受 温度影响的(亲水性)聚合物、共聚物或水凝胶用作温度指示剂。这些聚合物、共聚物或水 凝胶在LCST以上从透明转变为散射状态。易受温度影响的聚合物的非限制性范例包括基 于一种或多种N-置换丙烯酰胺(例如N-烷基丙烯酰胺)的聚合物、共聚物或水凝胶，例 如，聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPPAAM) (LCST = 32°C )、聚(N，N' - 二乙基-丙烯酰胺) (LCST = 25到35°C )、羧基异丙基丙烯酰胺、羟基甲基丙基甲基丙烯酰胺和聚(_N_丙烯酰 基-N'-烷基哌嗪)(LCST = 37°C )。低于临界温度Tc (这里为LCST)，在存在水相流体时 这种水凝胶是亲水性的并均勻膨胀。因此它们是光学透明的。结果，入射电磁辐射束的强 度得到反射，无强度损失。在温度升高到Tc以上时，温度指示剂14变为疏水性的，与流体 相分离，并开始散射倏逝波。这导致入射电磁辐射束的反射减少。可以通过测量从水凝胶 元件的位置反射的电磁辐射束强度来确定温度指示表面12的温度低于还是高于Tc。通过 调节材料的性质，可以改变转变温度。通过印刷具有不同转变温度的多个点，可以测量宽范 围的温度。备选地或除此之外，温度指示剂还可以在超过或低于临界温度时具有特定发光 行为，从而给出表面处温度的指示。可以通过在载体11顶部(在温度指示区域，即光学读出窗口之内)印刷温度指示 齐U，例如单体活性水凝胶混合物的小滴来生成温度指示剂14。接下来，例如，可以通过施加 紫外辐射使这些小滴聚合。例如，可以通过将一种或多种N-置换丙烯酰胺单体与有效量的 一种或多种交联剂混合来制造易受温度影响的水凝胶。交联剂的适当范例包括，但不限于 N，N-甲基-双丙烯酰胺、聚(乙二醇)二丙烯酸酯、四甘醇二(甲基)丙烯酸酯、三甘醇二 (甲基)丙烯酸酯、二甘醇二(甲基)丙烯酸酯、三丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三 (甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、乙氧基化双酚-A-二(甲基)丙烯酸酯 和己二醇二(甲基)丙烯酸酯。单体交联剂的摩尔比可以适当介于1 25和1 1000 之间的范围内。此外，可以添加引发剂(光引发剂或热引发剂)，以引发聚合(例如相对于 单体的重量百分比为1到10%)。可以将一种或多种单体与水相溶剂混合(典型地，H2O或 H2O/甲醇混合物的重量百分比在50和95%之间)，然后通过例如喷墨印刷向载体上沉积混 合物，接下来进行聚合。在将H2O或H2O/甲醇用作溶剂时，有利地，在低于水凝胶的LCST的温度下进行聚 合，以防止聚合期间的相分离。或者，除了 H2O或H2O/甲醇之外，也可以使用总体混合物不 表现出LCST行为的溶剂，例如像甲苯、(环)己烷、苯甲醚等有机溶剂。在聚合之后，可以 冲洗掉溶剂。受温度影响的聚合物范例是聚(N-异丙基丙稀酰胺)，其在32°C下在水中经历急剧的盘绕-小球转变，从该温度以下的亲水性状态变为该温度以上的疏水性状态。发生相转变的温度(下限临界溶解温度或LCST)很大程度上取决于组分单体单元的氢结合能力。 因此，可以通过改变亲水性或疏水性共单体含量按需要“调节”给定聚合物的LCST。亲水性 单体的范例包括羟乙基(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸、丙烯酰胺、聚乙二醇(甲基)丙 烯酸酯或其混合物，而疏水性单体的范例包括(异)丁基(甲基)丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲 酯、异冰片基(甲基)丙烯酸酯或其混合物。作为范例，包含2到9 %的PEGA(聚乙二醇丙烯酸酯，Mw 375)的 聚-(NIPAAM-共-PEGA)水凝胶的LCST从大约32°C到大约46°C变化。可以利用例如9. 9% 的单体混合物、89%的水、0. 的二甘醇二丙烯酸酯作为交联剂，和的IRG 2959来容 易地合成这种水凝胶。在对易受温度影响的聚合物进行交联时，可以获得易受温度影响的 水凝胶。例如，如果温度低于其转变状态，PNIPAAm的交联网络将因此在水相环境中膨胀， 在这一温度以上，网络将收缩。这种响应改变了凝胶的光学性质(图3)高于LCST，水从聚 合体链分离，在凝胶内部形成小的水滴。聚合物中分散小水滴的这种随机结构(两相均具 有不同折射率)对入射电磁辐射进行散射。在温度指示剂14为水凝胶的实施例中，注意到 如果易受温度影响的水凝胶包含大量水其仅能够散射电磁辐射会是有用的。在执行实际测 试之前储藏温度传感器期间(例如，作为微流体生物传感器盒的一部分)，水凝胶元件可以 处于它们的干燥状态，即它们不含任何水相流体。在特定实施例中，利用粘合增进剂将温度检测剂化学结合到温度检测表面。对于 玻璃表面而言，这种增进剂例如可以是硅烷，像HDMS (六配二甲基硅氧烷)或3-(三甲氧基 硅烷基)甲基丙烯酸丙酯。在另一个范例中，温度检测剂通过改变其折射率而工作，温度指示剂和载体之间 的界面已被做粗糙或已成波纹形。在这一实施例中，可以通过测量反射图案的变化来检测 温度转变。在又一范例中，可以将温度敏感聚合物刷结合到温度检测表面。在坍缩状态(高 于聚合物的LCST)中，折射率(和散射指数)高于伸长(展开)状态下。为了提高信号对比 度，可以将刷的末端结合到珠子(例如胶乳珠，例如，但不限于荧光珠)或任何其他可检测 实体。备选地或除此之外，可以利用外部或内部磁力向表面拉处于未结合状态的液体中分 散的磁珠，并且根据刷的构象，珠将停留在倏逝场之外或被拉入倏逝场之内。高于LCST，刷 将珠拉入倏逝波中，造成散射，伴随着减小了反射束的强度。倏逝波的强度衰减距离(1/e) 大约为lOOnm。有利地，盘绕和展开状态的转变范围约为这个值或大于这个值。图12示出 了 LCST以上的温度指示剂的盘绕状态(左侧)和LCST以下的温度指示剂的展开状态(右 侧)以及在利用倏逝波激励时它们相应的发光响应。在另一个范例中，载体的表面可以适于具有接收探针，用于接收能够结合到温度 检测表面的温度指示剂。温度指示剂包括温度敏感结构，温度敏感结构具有至少一个与温 度相关的维度，从而在将温度指示剂结合到表面时能够从温度指示剂和表面之间的距离导 出温度相关信息。这种温度指示剂的范例是珠子，例如用温度敏感聚合物刷涂布的磁珠。或 者，也可以将涂有温度指示剂的这种珠子，像温度敏感聚合物刷用于不适于接收探针的载 体表面。在化验期间，例如，用磁体将珠子拉向传感器表面。选择聚合物刷的长度，使得在 坍缩状态下向倏逝波中拉入珠子，而在温度低于LSCT时，珠子保持在外部。图13针对未结合珠示出了 LCST以上温度指示剂的盘绕状态(左侧)和LCST以下温度指示剂的展开状态 (右侧)以及在利用倏逝波激励时它们相应的发光响应。而在本方面中，将温度传感器描述为包括一种或多种试剂，本发明的实施例还涉 及具有载体的温度传感器，载体具有温度检测表面，温度检测表面适于与这种温度指示剂， 即不是载体一部分的温度指示剂结合。在一个方面中，本发明因此还涉及能够结合到载体 自己的表面的温度指示剂。在其他实施例中，本发明还涉及涂有如上所述的温度指示剂的 颗粒，可以靠近传感器的检测表面定位颗粒。这种颗粒例如可以是珠子。 根据本发明，温度传感器10适于利用倏逝波激励提供来自一种或多种温度指示 剂14的光学响应。例如可以设计它，使得从载体11外部指向的入射电磁辐射束能够进入 载体11并在温度检测表面12处经历倏逝波激励。可以通过检测入射电磁辐射束的总内部 受抑反射或例如温度指示剂的发光响应来执行温度相关信息的检测。在一个实施例中，这 种调配包括集成到载体11中的至少一个光学结构，用于从载体11外部接收入射电磁辐射 束，使其进入载体11并在温度检测表面12处经历受抑全内反射。此外或备选地，可以提供 光学结构，由此被反射的电磁辐射束通过光学结构离开载体。这些光学结构可以具有与入 射电磁辐射束和/或该辐射束进入或离开载体的区域中被反射电磁辐射束基本垂直的载 体表面，即，入射角处于大约士5到大约90的范围内。在这种情况下，在从周围介质过渡到 载体中或反之期间，入射电磁辐射束和/或反射电磁辐射束的方向将不会变化或仅有最小 变化。后者对于获得光学部件内和/或其外的良好耦合是有利的。然后反射将得到最小 化。此外或备选地，对应区域也可以具有抗反射涂层。为了防止反射回电磁辐射源(例如激 光器)，使入射束(至多)偏离垂直几度可能是有利的。于是，本发明实施例的温度传感器 10适于利用倏逝波激励提供光学响应，在本范例中，使用的是受抑全内反射，从而提供温度 相关信息。在一个范例中，如图1所示，载体11可以包括集成到载体11中的第一光学结构 16。可以调节它，使其具有在入射电磁辐射Ll进入载体11的位置处垂直于入射电磁辐射 束Ll的光学表面。载体11还可以包括集成到载体11或作为分立部件的第二光学结构17。 可以调节该第二光学结构17，使其具有在反射电磁辐射L2进入载体11的位置处垂直于反 射电磁辐射束L2的光学表面。入射电磁辐射束Ll以大于全内反射(TIR)临界角Θ。的角 度到达检测表面12，因此经历全内反射或受抑全内反射，获得“反射电磁辐射束”L2。反射 电磁辐射束L2通过另一个表面(光学结构17)离开载体11，并可以被电磁辐射检测器31 检测到。电磁辐射检测器31能够检测反射电磁辐射束L2的电磁辐射量(例如，由整个频 谱或频谱某一部分中这一电磁辐射束的电磁辐射强度来表达)。由耦合到检测器31的评 估和记录模块32在观察期内评估并任选地监测测量结果。温度传感器利用的是受抑全内 反射的原理。根据斯涅耳折射定律，相对于两种介质A和B间的界面法线的角度9,和ΘΒ 满足方程nAsin θ A = nBsin θ BnA和nB分别是介质A和B的折射率。高折射率介质A (例如nA = 1. 5的玻璃)中 的电磁辐射射线在诸如空气(nB = 1)或水(nB ^ 1. 3)的低折射率介质B的界面处例如将 以角度θ ,远离法线折射。入射电磁辐射的一部分将在界面处被反射，角度与入射角9,相 同。在逐渐增大入射角ΘΑ时，折射角ΘΒ将一直增大到90°。对应的入射角被称为临界 角Θ。，由sine。= nB/nA给出。在更大的入射角处，所有电磁辐射都将在介质A(玻璃)内部反射，由此得名“全内反射”。不过，在非常接近介质A(玻璃)和介质B (空气或水)的界面处，在介质B中形成倏逝波，倏逝波在远离表面的方向上指数衰减。可以将作为距表面距 离为ζ的函数的场幅度表达为exp(-k√na2 sin2(ΘΑ) - ηΒ2 · z)其中，κ =2π/λ, θ Α为全反射束的入射角，ηΑ和ηΒ为相应关联介质的折射率。 对于波长λ的典型值而言，例如λ = 650nm, nA = 1. 53，nB = 1. 33，在大约228nm的距离 ζ之后，场幅度降到exp(-l) 0.37的其原值。在倏逝波与另一介质，像图1的布置中的 温度指示剂14相互作用时，入射电磁辐射的一部分将被耦合到样品流体中(这被称为“受 抑全内反射”)，反射强度将减小(对于洁净界面且没有相互作用的情况而言，反射强度将为 100%)。根据干扰的量，即温度指示剂14的光学状态，反射强度将相应地降低。这种强度 下降与温度指示剂14的光学状态相关，因此与温度检测表面的温度相关。于是，术语“受抑 全内反射”是指在反射过程期间丢失(吸收、散射等)一些入射电磁辐射的情况。从检测表 面反射的电磁辐射应当既是由检测器捕捉的电磁辐射(例如光)的唯一参考，又暗示这一 射束的所有电磁辐射来自入射电磁辐射束的上述全内反射或受抑全内反射。然而，从检测 表面反射的电磁辐射不必包括所有全内反射的电磁辐射(尽管将优选这种情况)，因为例 如可以将这一电磁辐射的一些用于其他目的或简单地丢失。载体可以尤其包括形式类似于或相同于半球或截棱锥的至少一个表面。如将要参 考附图更详细论述的，这些形式可能像透镜和/或棱镜那样工作，从而提供对入射和反射 电磁辐射束的有利引导。根据本发明实施例的温度传感器可以包括用于检测光学性质变化的检测器件31。 这种检测器件31可以是用于检测从温度检测表面12反射的电磁辐射强度的检测器件。检 测器件31可以包括任何适当的传感器或多个传感器，通过其可以检测给定频谱的电磁辐 射，传感器例如是光电二极管、光电阻器、光电池或光电倍增管、CCD等。检测器件31也可 以在温度传感器外部，可以销售或购买不带检测器件的温度传感器。检测器件31可以适于 测量受抑全内反射束的反射率变化，或者可以适于检测来自温度指示剂的发光响应。可以 使用在温度指示剂发光的波长范围内敏感的任何适当检测器来实现对温度指示剂发光响 应的检测。温度传感器还可以包括电磁辐射源21，电磁辐射源21生成被发射到载体11中 的入射电磁辐射束Ll。用于发射入射电磁辐射的器件例如可以是诸如但不限于激光器或发 光二极管(LED)的电磁辐射源，任选地配备一些光学系统，用于对入射电磁辐射束进行成 形和引导。或者，辐射源可以独立于温度传感器10，即不是其一部分。本发明实施例的温度传感器10可以包括用于发射入射电磁辐射的器件和用于确 定从温度检测表面反射的电磁辐射强度的器件。所述温度传感器10在载体表面的温度检测区域中进行敏感而精确的定量或定性 温度检测。这是因为产生了从载体表面向相邻材料中延伸短距离的倏逝波。如果这一倏逝 波的电磁辐射被载体表面存在的温度指示剂以不同方式散射或吸收，它将在反射电磁辐射 束中缺失。因此，反射电磁辐射束中的电磁辐射量(更确切地说是与入射电磁辐射束相比 时，反射电磁辐射束中缺失的电磁辐射量)是温度指示剂在温度检测表面处所处状态的指 示。或者，发光响应可以是温度指示剂在温度检测表面处所处状态的指示。所述光学检测过程的一个优点包括其精确性，因为倏逝波仅探查温度指示表面上方通常10到300nm厚度 的小体积，并且可以在感兴趣区域准确地定位温度指示剂。此外，可以任选地从远处执行光 学检测，即，在载体和电磁辐射源或电磁辐射检测器之间没有机械接触。作为例示，将进一步论述若干具体实施例，本发明不限于此。在第一具体实施例中，提供了如上所述的温度传感器10，其中向温度检测表面12 上沉积若干温度指示剂，温度指示剂在温度检测表面的感兴趣区域上分布，以便能够对温 度和/或其均勻性进行良好的控制。在载体表面上提供由温度指示剂标志的几个区域允许 在这一表面上评估温度的均一性。检索这一信息允许采取适当措施来校正温度的不勻一性 或在实施分析时考虑到这一点。可以在温度检测表面上将这一种或多种温度指示剂沉积为 层或点。可以在载体上将温度指示剂沉积为层，实现连续分布。这种沉积可以通过现有技术 中已知的任何方法实现，例如，但不限于从溶液进行溶剂浇铸、旋涂、喷射、刮板涂布、涂抹、 浸涂、丝网印刷等，最后继之以固化(例如UV或热固化)。如果向载体上将一种或多种温度 指示剂沉积为点，实现不连续分布，则所用的点沉积方法可以是现有技术中已知的任何斑 点法，例如喷墨印刷、(微米)接触印刷、绘图。或者，可以使用光刻(利用上述方法沉积一 层，对水凝胶元件进行本地聚合(通过掩模进行UV聚合)并随后除去未固化的材料)。 在第二具体实施例中，公开了如上所述的温度传感器10，其中在同一温度检测表 面的不同位置沉积具有不同转变温度的不同温度指示剂。可以在温度检测表面上印刷温度 指示剂的阵列，其中每种温度指示剂在特定转变温度Tc下改变光学性质。在这一实施例 中，可以评估准确温度的更精确概念，而不是仅仅对温度检测表面或该表面的特定区域是 高于还是低于特定临界温度得到结论。可以通过在不同点沉积若干不同指示剂，或通过改 变温度指示剂层的组分，来进行不同温度指示剂的沉积。可以使用前面实施例中描述的方 法执行沉积。在本发明的第三具体实施例中，公开了如上所述的温度传感器10，其中彼此相邻 地印刷转变温度稍有不同的两种温度检测剂。一种温度检测剂的转变温度稍低于期望的温 度，另一种的转变温度稍高于该温度。通过利用检测器件(例如光电检测器、2D摄像机等) 分析两种元件，可以在这两种不同温度检测剂的转变温度给出的两个极值之间精确地控制 温度。还可以在载体的温度检测表面上分布温度指示剂以获得关于该表面上温度分布的信 肩、ο在第二方面中，本发明涉及一种用于获得温度相关信息的方法。在实施例中，本发 明涉及一种用于获得温度相关信息的方法，其包括如下步骤获得具有温度检测表面的载 体，温度检测表面包括一种或多种温度指示剂，温度指示剂通过改变光学性质而工作；以及 从一种或多种温度指示剂获得温度相关信息。可以通过如下方式获得温度相关信息将入 射电磁辐射引导到温度传感器，例如载体中，使得温度指示剂经受检测表面处或附近的倏 逝波激励；并检测温度指示剂的光学响应。这种光学响应例如可以是对例如由于受抑全内 反射而从温度检测表面反射的电磁辐射强度的检测，或者例如可以是在使用倏逝波激励这 些温度指示剂之后从温度指示剂检测到的发光响应。在执行实际测试之前存储温度传感器(例如，作为微流体生物传感器盒的一部 分)期间，水凝胶元件可以处于它们的干燥状态，即它们不含任何水相流体。换言之，该方 法可以包括以干燥方式存储温度传感器。在温度传感器与流体接触时，如在温度传感器是生物传感器盒的部分或在盒内填充样品流体的情况，温度可能已经高于一种或多种水凝胶 元件的T。(LCST)。在这种情况下，膨胀会受到限制。因此，即使温度高于T。，一种或多种水 凝胶元件也不会开始散射倏逝电磁辐射。因此，在本发明的实施例中，该方法还包括在测量 之前在低于T。的温度下对温度指示剂进行水合。在图4所示的备选实施例中，在进行测量之前未对载体11的温度检测表面12上 存在的温度指示剂14进行水合。在这一实施例中，如果在水相介质中进行化验(参见图 4(A)),通过将装置加热到T。以上，在测试之后评估化验期间的温度(参见图4(B))。如果在 化验期间温度低于T。，水凝胶在化验期间吸水，造成后来对倏逝波的散射。在其高于T。时， 不发生水合，斑点保持透明。图4示出了这种过程对于具有不同T。的点阵列是如何工作的。在实施例中，将折射率n用作测量温度的参数。T。低于温度T的水凝胶仅膨胀有 限程度，n保持接近 1. 5。T。高于温度T的水凝胶将会膨胀，n接近 1. 3。n的 变化会影响入射束反射的临界角，可以利用光电检测器检测到这种情况。在这一实施例中， 温度传感器处的塑料传感器表面可以是波纹状的或粗糙的。通过这种方式，进入的电磁辐 射将以一定范围的角度命中塑料水凝胶表面。根据水凝胶的折射率，向外的耦合将会变化。在另一实施例中，温度指示剂响应于倏逝波激励发射辐射，并进行对这种发射辐 射的检测。可以通过任何适当方式，例如使用光学检测器来进行对发射辐射的检测这一操 作，考虑到温度指示剂的发射图案，与检测受抑全内反射相比，对检测器位置的要求没有那 么严格。除了其温度感测功能之外，载体还可以具有几种其他功能。在实施例中，载体的有 利附加功能是为检测一种或多种分析物服务。在这一实施例中，优选在分析物检测表面的 水平上操作。更多的方法步骤可以基于在第一方面中描述的温度传感器的不同特征和部件的 功能。在第三方面中，本发明涉及一种传感器装置，例如分析传感器，例如用于检测样品 流体中一种或多种分析物的装置(例如生物传感器装置)。在人和兽医学领域中可以将这 种装置用作分析和诊断工具等。具体而言，本发明涉及一种分析样品流体的方法，推测这 种样品流体包含复杂生物混合物(例如血液、尿、唾液)中的一种或多种分析物分子，例如 小分子、代谢物、细胞、蛋白质和核酸，可以将这种方法用于现场测试和分子诊断性测试，例 如，用于测量传染病病原体和抗性基因的存在，用于测试食物和进行环境诊断。生物传感器 装置包括根据如上所述任何温度传感器的温度传感器。通常，除非另行指出，在载体既包括 温度检测表面又包括分析物检测表面的实施例中，温度检测表面和分析物检测表面可以有 利的是载体的同一表面，并将被称为“检测表面”。本发明的实施例涉及集成到微流体盒的 光学检测区域中的基于易受温度影响的聚合物的温度指示器。可以由与检测分析物中的生 物分子相同的器件读取温度指示器。在另一实施例中，可以在检测表面的不同区域，即在一 个或多个温度检测区域和在一个或多个分析物检测区域进行温度检测和分析物检测。在把温度指示剂沉积为一个或多个点时，以及在分析物检测剂(例如探针或分析 物类似物)存在于检测表面上时，优选地，点位于与分析物检测剂(例如探针或分析物类似 物)位置不同的位置。这是有利的，因为这样避免了温度指示剂污染分析物检测剂(例如 探针或分析物类似物)。通过喷墨印刷方法来施加一种或多种点也是有利的，因为这允许使
14用单种方法在检测表面既沉积温度指示剂又沉积分析物检测剂(例如探针或分析物类似 物)。不过本发明不限于喷墨印刷。如果在载体上将温度指示剂沉积为层，则可以在施加 分析物检测剂(例如探针或分析物类似物)之前沉积这一层温度指示剂。可以在施加分析 物检测剂(例如探针或分析物类似物)之前或之后沉积该层温度指示剂。可以有利地在施 加分析物检测剂，例如探针之前进行温度指示剂的施加，因为这种探针可能相当脆弱，在施 加探针之后尽可能地减少处理步骤数量可能是有利的。如果向载体上将一种或多种温度指 示剂沉积为点，实现不连续分布，则所用的点沉积方法可以是现有技术中已知的任何点沉 积法，优选是与用于点沉积分析物检测剂的方法相同的方法。可以在施加分析物检测剂之 前或之后沉积温度指示点。用于根据本发明实施例的生物传感器中的温度指示剂可以通过 在介于大约0°C和95°C之间的范围之内的温度下改变光学性质来工作。对于蛋白质检测而 言，有用的范围可以从35°C到40°C。对于DNA检测而言，有用的范围可以从42°C到65°C， 另一有用范围(尤其在冲洗步骤期间)可以从60°C到95°C。对最适当温度指示剂的选择 可以取决于诸如要分析的样品流体，尤其是其中所含分析物的参数。
根据本发明的一个实施例，用于确定一种或多种分析物(例如目标生物化合物) 的存在的器件和用于从一种或多种温度指示剂检索温度相关信息的器件可以使用同一载 体，并任选地使用相同的光学部件、相同的辐照器件和相同的检测器件。除探针和温度指示 剂之外，用于确定一种或多种分析物的存在的器件和用于检索温度相关信息的器件可以是 同一器件，或可以包括公共的器件。一些公共器件可以是诸如FTIR光学检测器件的光学器 件或其他种类的光学检测器件。这是有利的，因为它提供了既经济又实用的装置构造。所 述传感器装置可以对检测表面处检测区域中的分析物进行灵敏而精确的定量或定性检测， 同时还提供关于检测区域的温度相关信息。这是因为入射电磁辐射束产生了从载体表面向 相邻材料中延伸短距离的倏逝波。如果这一倏逝波的电磁辐射被检测表面存在的分析物或 标志颗粒散射或吸收，它将在反射电磁辐射束中缺失。或者，检测表面存在的分析物或标志 颗粒可以产生发光响应。类似地，如果这一倏逝波的电磁辐射被检测表面存在的温度指示 剂散射或吸收，它将在反射电磁波束中缺失。或者，检测表面存在的温度指示剂可以产生发 光响应。因此，反射电磁辐射束中的电磁辐射量(更确切地说是与入射电磁辐射束相比时， 反射电磁辐射束中缺失的电磁辐射量)或发光响应中的电磁辐射量是检测表面处分析物/ 标志的存在和量的指示和/或检测表面处温度的指示。所述光学检测过程的一个优点包括 其精确性，因为倏逝波仅探查与检测表面相邻通常10到300nm厚度的小体积，从而避免了 来自这一体积后方的体材料干扰。在测量反射电磁辐射时实现了高灵敏度，因为检测到减 少该量的所有效应，例如全内反射的电磁辐射。图2通过例示示出了工作中的装置，用于利 用全内反射根据本发明实施例检测样品流体中的一种或多种分析物。示范性装置可以是包 括载体11的磁性生物传感器，载体11包括检测表面12、检测区域13、光学结构16和17、用 于发射入射电磁辐射L1的任选器件21、用于检测电磁辐射31的强度的任选器件31、任选 光学元件222和两个任选磁体19和20。该图中进一步示出了样品流体22中标记颗粒18。 图3中放大了置于支架之间的检测表面部分。在图3A中示出了检测区域温度低于T。的情 况。入射电磁波束L1被示为命中检测表面并被反射成L2。L2部分被显示为由于倏逝波与 结合的磁性标记15相互作用而具有减小的强度。低于其临界温度的温度指示剂14，其对 倏逝波保持透明，倏逝波在L2的对应部分中不会损失强度。在图3B中，温度已经升高到T。以上，温度指示剂14变得散射并改变折射率。因此，反射电磁辐射L2的对应部分也损失强 度。或者，为了进行检测，不测量反射电磁辐射L2，而是还测量标记和/或温度指示剂的另 一发光响应(如果有的话)。参考图2和3，现在将描述分析推测包含一种或多种分析物的样品流体的方法的 示范性实施例。对于小分子检测而言，可以使用所谓的竞争夹层化验(本发明不限于这种 竞争夹层化验。竞争化验仅用于例示原理。诸如凝集或夹层化验的其他化验是同样适合 的)。在要分析的流体22 (例如唾液、血液)中散布有针对要检测的分析物而特别功能化 的自由磁珠标记18。当流体中有分析物分子时，分析物分子能够结合到磁珠上。随后利用 磁体19向检测表面12吸引磁珠。检测表面12可能已经涂有与流体22中要检测的分析物 分子相同的分子。在流体22中存在分析物分子并与磁珠18反应时，在利用“冲洗磁体”20 吸引时，珠子不结合到传感器表面而是被拉离表面。在没有分析物时，磁珠18结合到传感 器表面(固定的磁珠15)，造成入射激光束L1的倏逝波散射，并伴随着反射束L2强度减小。 利用光电检测器或CCD摄像机31记录反射束L2。或者，如果颗粒对倏逝波激励提供光学响 应，可以利用光电检测器或CCD摄像机31记录这种光学响应，然后根据发射图案，可以将其 定位在全内反射角之外。在本发明的具体实施例中，用于检测样品流体中一种或多种分析物的装置包括用 于生成能影响标记颗粒的磁场和/或电场的场发生器。例如，可以通过永磁体、导线、一对 电极或线圈实现场发生器。生成的场例如可以通过诱发磁化或偏振和/或通过在标记颗粒 上施力来影响标记颗粒。这种微电子传感器装置允许通过场对分析物进行多种操控，例如， 可以将其用于加快在检测表面的分析物收集和/或从检测表面去除不希望要的(未结合 的，或者在严格测试中为弱结合的)成分。在另一具体实施例中，根据本发明用于检测一种或多种分析物的装置包括样品 室，样品室与检测表面相邻并能在其中提供推测包括一种或多种分析物的样品。样品室通 常为空腔或填有一些物质的腔，该物质例如是可以吸收样品物质的凝胶。它可以是开口的 腔、闭合的腔、或通过流体连接通道连接至其他腔的腔。可以将用于检测一种或多种分析物的装置用于定性检测分析物，针对特定分析物 产生例如简单的二值响应(“存在”或“不存在”)。不过优选地，传感器装置包括评价模块， 其用于从检测到的反射电磁辐射或光学响应，例如发光响应定量确定检测区域中分析物的 量。这可以基于例如如下事实由分析物吸收或散射的倏逝电磁辐射波中的电磁辐射量或 发光响应的量与检测区域中这些分析物的浓度成比例。根据相关结合过程的运动学，检测 区域中分析物的量又可以指示相邻样品流体中这些成分的浓度。这种运动是与温度有关 的，这里，通过分析从温度指示剂下方反射的电磁辐射提供的信号来同时评估温度是尤其 有利的。在前述实施例的进一步发展中，用于检测样品流体中一种或多种分析物的装置包 括记录模块，用于在观察期内监测全内反射电磁辐射的所确定的量或在倏逝波激励时的光 学响应，例如发光响应的所确定的量。于是能够监测分析物在检测表面集中或从检测表面 离开的运动学。这可以揭示关于分析物和/或温度的有价值信息。评价模块和/或记录模 块通常耦合到电磁辐射检测器，并可以由一些数据处理硬件，例如微计算机，连同相关软件 一起来实现。这种评价模块和/或记录模块在根据本发明其他实施例的温度传感器中是同等宝贵的。在下文中，将考虑用于检测样品流体中一种或多种分析物的装置的几个实施例， 其中检测表面包括多个检测区域，在检测区域，不同的入射电磁辐射束可能被全内反射。 那么一个载体就允许处理几个检测区域，从而例如处理对不同分析物的搜索，在不同条件 (例如不同温度)下观察同样的分析物和/或出于统计目的对几种测量进行采样。“不同的 入射电磁辐射束”可以任选地是由电磁辐射源均勻生成的一个宽电磁辐射束的成分。这样 多个检测区域在根据本发明其他实施例的温度传感器中是同等宝贵的。用于上述实施例中的不同入射电磁辐射束可以相对于时间是不同的。例如，在用 于检测样品流体中一种或多种分析物的装置包括用于顺次将电磁辐射源耦合到不同检测 区域的扫描模块的情况。备选地或此外，它可以包括用于将电磁辐射检测器光学耦合到检 测表面上不同检测区域的扫描模块。扫描模块例如可以包括像透镜或镜片的光学部件，用 于以适当方式引导入射或反射电磁辐射束。扫描模块还可以包括用于相对于电磁辐射源和 /或电磁辐射检测器移动载体的器件。这种扫描模块在根据本发明其他实施例的温度传感 器中是同等宝贵的。在具有多个检测区域的用于检测样品流体中一种或多种分析物的装置的另一实 施例中，存在多个电磁辐射源和/或多个电磁辐射检测器，它们指向检测表面的不同检测 区域。在这种情况下，能够同时处理多个检测区域，从而相应地加快了相关测量过程。当然 可以将这个实施例与前一个组合，即，例如可以有用于扫描检测区域的不同阵列上多个电 磁辐射源的入射电磁辐射束的扫描模块和/或用于将反射电磁辐射束或光学响应，例如发 光响应从检测区域的不同阵列引导到多个电磁辐射检测器的扫描模块。利用扫描模块，可 以将电磁辐射源/检测器的数目保持小于检测区域的数目。加以必要的变更，本实施例适 用于根据本发明其他实施例的温度传感器中。在具有多个检测区域的另一实施例中，微电子传感器装置包括多个关联到不同检 测区域的可单独控制的(磁场或电场)发生器。在这种情况下，可以根据应当在每个检测 区域执行的具体测试的要求单独操控每个检测区域中的标记颗粒。在本发明的实施例中，原则上可以将用于检测样品流体中一种或多种分析物的装 置用于任何种类的标记颗粒。不过，为其提供或使用特别适合装置的其他部件的标记颗粒 是有利的。在本发明的具体实施例中，用于检测样品流体中一种或多种分析物的装置例如 可以包括具有透明材料罩盖的标记颗粒，其中该罩盖通常(完全或部分)覆盖另一种材料 的一个或多个内核，例如铁氧化物细粒。在这种情况下，检测表面处倏逝电磁辐射波的电磁 辐射能够轻易进入其被吸收和/或散射的标记颗粒，从而对于反射电磁辐射束而言损失和 /或产生发光响应。罩盖的透明材料尤其可以是与载体材料具有类似折射率的材料，因为这 样使得电磁辐射从载体到标记颗粒的过渡最优化。罩盖例如可以包括与载体相同的材料。 当在本发明的实施例中使用磁珠时，它们例如可以是填充有(例如铁氧化物)小磁粒的聚 苯乙烯球。这使得珠子是超顺磁性的。聚苯乙烯的折射率与孔板的典型基底材料的折射率 很好地匹配。通过这种方式，增强了电磁辐射的向外光耦合。作为任选特征，根据本发明的检测一种或多种分析物的装置可以(还)包括电磁 辐射检测器，用于(定性或定量地)确定由检测表面处的分析物发射的荧光电磁辐射。可 以由入射电磁辐射束的倏逝波在与检测表面相邻的小体积中激励荧光并然后被检测，从而指示荧光分析物的存在(和量)。如上所述，这也可以是检测反射电磁辐射的备选方案。作为另一个任选特征，用于检测样品流体中一种或多种分析物的装置还包括热控 制器件，用于提高样品流体和/或检测区域的温度。这个特征是有利的，因为不再需要外部 加热器件了。热控制器件可以包括加热器件，这是一个优点。热控制器件可以适于基于所 获得的温度相关信息或根据所获得的温度相关信息控制检测表面的温度。例如，作为另一 任选特征，热控制器件可以包括冷却器件，用于降低样品流体和/或检测区域的温度。这个 特征是有利的，因为不再需要外部冷却器件了。可以为加热和/或冷却器件都提供例如电 阻加热器或珀耳帖元件。 在用于检测样品流体中一种或多种分析物的装置还包括加热器件时，作为另一任 选特征，除用于获取温度相关信息的器件之外，用于检测样品流体中一种或多种分析物的 装置还包括处理器件，用于(例如响应于所获取的温度相关信息)调节加热器件的功率输 出，以便达到和维持预设定温度。在用于检测样品流体中一种或多种分析物的装置还包括 冷却器件时，作为另一任选特征，除用于获取温度相关信息的器件之外，用于检测样品流体 中一种或多种分析物的装置还包括处理器件，用于(例如响应于所获取的温度相关信息) 调节冷却器件的工作，以便达到和维持预设定温度。在第四方面中，本发明涉及一种用于提供被研究样品的盒(例如小室)，其中盒包 括如上所述的温度传感器。盒可以尤其是适于作为能在盒读取器中读取的一次性盒。盒可 以尤其是适于作为用于如第三方面所述微电子传感器装置的盒。盒还包括样品室，可以在 其中提供样品。样品室具有透明检查壁，壁包括如第一方面所述的载体特征。检查壁因此 包括温度指示剂并适于能利用倏逝波激励，例如利用受抑全内反射提供温度指示剂的光学 响应，具有与本发明的第一方面中所述相同的特征和优点。此外，载体表面可以适于耦合感 兴趣的目标颗粒，如第三方面中所述所示。检查壁可以具有板的基本形状，内外表面基本平行，其中内表面包括检测表面，并 且其中光学结构从外表面向外突出。或者，光学结构也可以从外表面向内突出。此外，原则 上检查壁可以是样品室壁的任何一部分，例如侧壁或顶部。不过优选地，检查壁是载体底部 的一部分(或整个底部)，这具有两个优点第一，位于沉降下方的样品组件将集中在底部 的检测表面。第二，可以将相关仪器的部件设置于底部下方，从而在载体侧面留下空间，可 用于布置额外的载体。所述的盒具有如下优点可以利用被全内反射的入射电磁辐射束以 光学方式研究其样品室内部的样品，从而在检测表面的小体积中提供倏逝场。在这个小体 积中发生的效应，像吸收或散射，将影响到离开载体的反射电磁辐射束。此外或备选地，可 以通过倏逝波激励荧光分析物中的荧光，从而提供针对目标的指示器。由于入射电磁辐射 束和反射电磁辐射束或发光电磁辐射束都被从外向载体或反之定向，因此可以与载体相距 一定距离并分立地布置对应的电磁辐射源和电磁辐射检测器。载体的检测区域可以任选地被能够结合一种或多种分析物的至少一种俘获元件 覆盖。这种俘获元件的典型范例是对应抗原能够特异性结合的抗体。通过提供具有对特定 分析物特异的俘获元件的检测区域，能够在检测区域中有选择地集中这些分析物。此外，可 以通过适当的(例如磁)排斥力(不会破坏期望分析物和俘获元件之间的结合)从检测表 面移除不希望的分析物。可以为检测表面优选地提供几种对不同分析物特异的俘获元件。 在具有多个检测区域的用于检测样品流体中一种或多种分析物的装置中，优选有至少两个具有不同俘获元件的检测区域，使得这些区域对不同分析物是特异的。任选地，可以利用有或无反馈回路的加热装置和/或冷却装置单独控制每个检测区域的温度，反馈回路对从用 于获得温度相关信息的器件获取的这种信息做出响应。载体还可以任选地包括腔，可以至少部分地在其中设置(磁或电)场发生器。于 是能够将场源放置为尽可能接近检测表面，允许以最小的努力(例如电流)在检测区域中 生成高场强，并对其他区域(例如相邻检测区域)产生最小干扰。此外，可以利用这种腔使 载体相对于场发生器、电磁辐射源和电磁辐射检测器位于中心。而在一些实施例中，原则上可以将用于检测样品流体中一种或多种分析物的装置 构造成牢固安装的部件的“单件”单元，优选将载体设计为装置的可更换部件，例如孔板。于 是可以将其用作低成本一次性部分，如果它与生物样品接触和/或如果在一次测量过程期 间用完其涂层(例如，带抗体)，这是尤其有用的。本发明还涉及一种孔板，其包括多个上述种类的盒，即多个具有透明检查壁的样 品室，检查壁在其内侧具有检测表面，在其外侧具有至少一个光学结构，其中光学结构允许 从载体外部进入的入射电磁辐射束进入检查壁，在检测表面处被全内反射，然后作为远离 载体指向的反射电磁辐射束离开检查壁。或者，作为倏逝波激励束的入射电磁辐射束可以 生成远离载体指向的发光响应。孔板可以将多个上述载体组合成阵列，从而允许并行研究 很多样品和/或众多研究化验中的一个样品。由于孔板基于所述载体，因此参考以上描述 了解孔板的优点、特征和改善的更多细节。可以将这种孔板有利地用于实验室环境中，因为 它包括样品室(“孔”)的阵列，从而允许并行进行不同测试。在下文中，通过例示，将描述能够用于上述种类的微电子传感器装置、载体和孔板 的本发明各实施例的一些特征。图7到11示出了可以用于使用倏逝波激励，例如受抑全内 反射的应用的一个盒或孔板的一个孔的不同可能实施例。生产盒或这些(一次性)孔非常 简单而便宜，因为单次注射模制就足够了。在图7中，更详细地描述了对示范性盒或孔的辐照。布置图7所示的电磁辐射源 121以产生平行电磁辐射束Li，在孔的底表面以大于临界角Θ。的角度入射。为了防止这 一入射电磁辐射束Ll在从空气到载体111 (例如玻璃或塑料材料)的第一界面处被过度反 射，孔的底部包括半径为R的半球形状114，其中心与检测表面112重合。入射电磁辐射束 Ll指向这一相同中心。在反射侧，放置诸如光电二极管131的光电检测器以检测反射电磁 辐射束L2的强度。孔102的典型直径D在1到8mm之间。图7还示出了用于在孔102内 部产生磁驱动场的磁体141。图8示出了备选实施例，其中电磁辐射源包括一些像透镜222的光学元件以产生 基本聚焦到半球214中心的入射电磁辐射束Li。在检测侧，可以使用类似的光学元件232 来收集和检测反射电磁辐射束L2的电磁辐射强度。在测量流程的进一步发展中，可以使用多个入射电磁辐射束和反射电磁辐射束来 同时检测在不同位置不同目标分子的存在，并最终检测同一孔中的温度。图9示出了在这 方面中，可以使用在孔底具有多个半球314a、314b的孔将电磁辐射从多个入射电磁辐射束 Lla、Llb耦合到孔底上的相应检测区域3 13a、313b。在这种情况下可以使用多个光电检测 器(未示出)来测量多个反射电磁辐射束L2a、L2b。图10示出了备选实施例，其中，使用棱镜或截顶棱锥结构414耦合入射电磁辐射束Ll和反射电磁辐射束L2的电磁辐射。棱锥的斜边应当基本垂直于这些电磁辐射射线。 这种设计的优点是其制造简单，且不会遮挡来自相邻区域的射束。在这幅图中用虚线示出 了相邻的孔。
如图10所示，可以使用直径覆盖孔底上所有检测区域的单个平行入射电磁辐射 束Li。作为检测器，可以使用与每个个体检测区域对齐的多个光电二极管。或者，可以使用 诸如数码照相机中使用的CCD或CMOS芯片(未示出)来对整个孔底，包括所有检测区域的 反射强度响应成像。使用适当的信号处理，可以如分立检测器那样导出所有信号，但无需事 先对准。图11示出了另一实施例，其中孔底511包括开口腔515，其中心在入射电磁辐射束 Ll和反射电磁辐射束L2的光路之外。这允许将磁性线圈541的磁芯542，例如T形铁氧体 磁芯放置得靠近检测表面512，以改善场强和浓度，实现紧凑和低功率设计。此外，如下所述 可以看出能够实现自对准结构如果光学系统和磁场发生器541是固定的，就发生铁氧体 磁芯542上的孔的自对准。在另一方面中，本发明涉及一种生产温度传感器的方法。该方法包括提供具有检 测表面的载体，其中温度传感器(例如通过其设计)适于接收从载体外部指向的入射电磁 辐射束，入射电磁辐射束能够进入载体并在检测表面处诱发倏逝波激励。还可以调整载体， 使得从载体外部指向的电磁辐射束能够进入载体并经受受抑全内反射。该方法还包括在检 测表面施加一种或多种温度指示剂，由此，温度指示剂的光学性质根据温度改变。在又一方面中，本发明涉及一种分析样品流体的方法，推测该样品流体包含一种 或多种诸如目标生物化合物的分析物分子。由此，该方法包括使用一种或多种温度指示剂 检测光学响应，每种温度指示剂通过随温度改变光学性质而工作，从而从一种或多种温度 指示剂获得温度相关信息，由此利用倏逝波激励来激励温度指示剂。检测可以基于FTIR。 可以在使样品与检测表面接触之前，即调节温度之前执行温度相关信息的获取，或者可以 将其用作控制步骤，以控制所用的温度是否根据预定标准。该方法还包括使样品流体与光 学检测区域接触，并在接触样品流体之后分析传感器衬底以确定一种或多种分析物分子， 例如目标生物化合物的存在和/或浓度。可以使用FTIR有利地实现后者。可以考虑所获 得的温度相关信息用于将使用倏逝波激励和FTIR检测或发光响应检测测得的浓度外插到 另一温度，或识别出在哪个温度下执行的测量。或者，可以使用温度相关信息，基于上述，调 节执行或要执行样品相互作用的传感器衬底的温度。于是，作为其他任选特征，本发明的分 析方法还可以包括光学检测区域的预加热步骤，以便将其温度一直升高到希望的温度，例 如，从大约20到大约95°C的范围之内的温度，优选在分析之前发生这一预加热步骤。这种 特征是有利的，因为其允许在提供探针和目标生物化合物之间更高结合特异性的温度下执 行分析方法。范例1 在载体(例如光学衬底)顶部的光学窗口上施加适于FTIR测量的小滴反应 水凝胶单体混合物。反应混合物包括25wt %的去离子水、25wt %的甲醇、48. 9wt %的 NIPAAm+0. Iwt %的二甘醇二丙烯酸酯+Iwt %的IRG 2959光引发剂。接下来，通过施加大约 90秒的UV辐射(lOOmW/cm2)使水凝胶聚合。然后将载体放在具有CCD摄像机的倏逝波激 励光学读取器装置中，并在水凝胶顶部施加一小滴冷水。在本范例中，使用FTIR检测。过一会儿在水凝胶顶部施加热水(T > 500C )。水凝胶变为不透明(参见图5中的水凝胶)， 利用光学读取器测量的信号下降。在达到最小信号之后，信号再次增大，表示凝胶由于温度 降低而变为透明(参见图5中的水凝胶14a)。将这个过程重复6次。在图5中示出了这些 重复步骤期间的传感器电平。基线的偏移增大归因于如下事实在开始试验的时刻水凝胶 未处于平衡，因此，由于摄入水而具有减小的折射率。范例2 (比较例) 为了检查信号的减小是由于水温的影响还是真的归因于凝胶，重复范例1的试 验，但这次不用凝胶，而仅向光学衬底添加热水和冷水。图6中给出了这次试验的结果。从 这幅图显然看出，盒随温度的变化是非常稳定的，而且范例1中的信号变化确实是因为水 凝胶导致的。尽管上文参考具体实施例描述了本发明，但各种修改和扩展都是可能的。例如，除 了分子化验之外，还可以利用根据本发明实施例用于检测样品流体中一种或多种分析物的 装置检测更大的部分，例如细胞、病毒、细胞或病毒的碎片、组织提取液等。可以相对于传感 器表面进行或不进行传感器元件的扫描来进行检测。可以作为端点测量导出测量数据，也 可以通过动态或间歇地记录信号而导出测量数据。可以直接通过感测方法检测到作为标记 的颗粒。也可以在检测之前对颗粒做进一步处理。例如，所述进一步处理可以是添加材料 或者修改标记的(生物)化学或物理特性，从而促进检测。可以将用于检测样品流体中一 种或多种分析物的装置和方法用于几种生化化验类型，例如结合/释放化验、夹层化验、竞 争化验、位移化验、酶催化验等。这尤其适用于DNA检测，因为容易实现大尺度的复用并且 通过在检测表面上进行喷墨印刷能够找出不同的寡核苷酸。用于检测一种或多种分析物 的装置和方法适于传感器复用(即，并行使用不同传感器和传感器表面)、标记复用(即并 行使用不同类型标记)和反应室复用(即并行使用不同的反应室)。可以将用于检测一种 或多种分析物的装置和方法用作针对小样品体积的快速、鲁棒性且易用的关注点生物传感 器。反应室可以是与紧凑型读取器结合使用的一次性用品，包括一个或多个场生成器件以 及一个或多个检测器件。而且，可以将本发明实施例的用于检测一种或多种分析物的装置、 方法和系统用在自动化高处理量测试中。在这种情况下，反应室是(例如)匹配到自动化 仪器内的孔板或试管。
权利要求
一种用于获得温度相关信息的温度传感器(10)，所述温度传感器(10)包括具有温度检测表面(12)的载体(11)，所述温度检测表面(12)适于在其上接收一种或多种温度指示剂(14)，其中，所述一种或多种温度指示剂(14)通过在预定温度改变光学性质而工作，并且所述温度传感器(10)适于利用倏逝波激励诱发来自所述一种或多种温度指示剂的光学响应。
2.根据权利要求1所述的温度传感器(10)，其中，所述温度传感器适于利用受抑全内 反射获得来自所述一种或多种温度指示剂(14)的光学响应。
3.根据权利要求1到2的任一项所述的温度传感器(10)，其中，所述载体(11)适于接 收来自所述载体(11)外部的入射电磁辐射束，使得在所述温度检测表面(12)经受倏逝波 激励，并且其中，所述温度传感器(10)包括用于以适合于在所述温度检测表面得到倏逝波 激励的角度接收所述电磁辐射束的光学结构(16)和/或用于适当地耦合出受抑全内反射 的电磁辐射束的光学结构(17)。
4.根据权利要求3所述的温度传感器(10)，其中，所述光学结构(16，17)包括适于在 所述入射电磁辐射耦合进的位置处与所述入射电磁辐射束垂直或在所述电磁辐射耦合出 的位置处与所述反射电磁辐射束垂直的表面。
5.根据权利要求3到4的任一项所述的温度传感器(10)，其中，所述光学结构(16，17) 集成到所述载体(11)中。
6.根据权利要求3到5的任一项所述的温度传感器(10)，其中，所述光学结构(16，17) 包括适于将入射电磁辐射束L1聚焦在所述温度检测表面(12)上的一个或多个光学元件 (222)。
7.根据前述权利要求的任一项所述的温度传感器(10)，其中，所述一种或多种温度指 示剂(14)中的至少一种是易受温度影响的聚合物、共聚物或水凝胶。
8.一种用于感测样品流体中一种或多种分析物的存在和/或浓度的生物感测装置 (8)，所述生物感测装置(8)包括-根据权利要求1到7的任一项所述的用于获得温度相关信息的温度传感器(10)，以及-用于检测所述一种或多种分析物的分析物检测器件。
9.一种温度指示剂(14)，所述温度指示剂(14)包括温度敏感结构，所述温度敏感结构 具有至少一个与温度相关的维度，从而在所述温度指示剂在所述表面处或附近时能够从所 述温度指示剂和所述表面之间的距离导出温度相关信息。
10.根据权利要求9所述的温度指示剂(15)，其中，所述温度指示剂(15)适于特异性 结合到表面。
11.一种用于获取温度相关信息的方法，包括下列a)获得具有温度检测表面(12)的温度传感器(10)，所述温度检测表面(12)包括一种 或多种温度指示剂(14)，每种温度指示剂通过在预定温度改变光学性质而工作，以及b)通过下列从所述一种或多种温度指示剂获得温度相关信息-将入射电磁辐射引导到所述温度传感器中，使得其在所述温度检测表面(12)处经受 倏逝波激励或受抑全内反射，以及_确定所述温度指示剂(14)的光学响应。
12.一种用于分析样品流体中一种或多种分析物(18)的方法，所述方法包括如下步骤；a)获得包括具有温度检测表面(12)和颗粒检测表面(12)的载体(11)的温度传感器(11)，所述温度检测表面(12)包括一种或多种温度指示剂(14)，每种温度指示剂通过在预 定温度改变光学性质而工作，b)将所述载体(11)的所述检测表面(12)与所述样品流体接触，c)通过下列从所述一种或多种温度指示剂(14)获得温度相关信息-将入射电磁辐射引导到所述温度传感器(10)中，使得其在所述温度检测表面(12)处 经受倏逝波激励或受抑全内反射，以及_确定所述温度指示剂(14)的光学响应，d)检测所述样品流体中的所述一种或多种分析物(18)。
13.根据权利要求12所述的用于分析的方法，其中，通过下列执行所述样品流体中所 述一种或多种分析物(18)的检测向所述温度传感器(10)中引导入射电磁辐射，使得其 在所述颗粒检测表面(12)经受全内反射或受抑全内反射，以及检测从所述颗粒检测表面(12)反射的电磁辐射的强度。
14.根据权利要求12或13的任一项所述的用于分析的方法，其中，所述方法还通过将 针对对所述样品流体中所述一种或多种分析物的所述检测的检测结果与获得的温度相关 信息进行组合来确定所述样品流体中所述一种或多种分析物的存在和/或浓度。
15.根据权利要求12到14的任一项所述的用于分析的方法，其中，在对所述样品流体 中一种或多种分析物(18)的所述检测之前，所述方法还包括考虑到所述获得的温度相关 信息而使所述颗粒检测表面(12)到达预定温度。
全文摘要
本发明的实施例涉及一种温度传感器和一种包括该温度传感器的分析装置。温度传感器包括具有检测表面(12)的载体(11)，检测表面上有温度指示剂(14)，并且任选地，目标成分能够在检测表面上集中并任选地结合到特定俘获元件。向载体中发射入射光束(L1)并在检测表面(12)诱发倏逝波激励。然后由光检测器(31)检测反射光束(L2)或光学，例如发光响应中的光量。在一个范例中，倏逝光在结合表面(12)受到温度指示剂以及任选的目标成分和/或标记颗粒的影响(吸收、散射)，因此将在受抑全内反射光束(L2)中缺失。这可以用于从反射光束(L2，L2a，L2b)中的光量确定检测区域的温度以及任选的结合表面(12)处目标成分量。任选地使用磁场发生器(41)在结合表面(12)产生磁场(B)，由此可以操控，例如吸引或排斥磁标记颗粒(1)。
文档编号G01K11/12GK101868704SQ200880117305
公开日2010年10月20日 申请日期2008年11月17日 优先权日2007年11月21日
发明者A·H·J·伊明克, D·J·布勒尔, R·彭特曼, S·范利洛普 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司