专利名称：光检测芯片和设置有光检测芯片的光检测装置的制作方法
技术领域：
本公开涉及一种光检测芯片。更具体地，本公开涉及一种光检测芯片和设置有光 检测芯片的光检测装置，其用于基因表达(gene expression)的分析、传染病的检查、基因 分析(例如，SNP分析)、蛋白质分析以及细胞分析。
背景技术：
在包括医疗服务、新药开发、临床实验室试验、食品产业、农业、工程学、法医学以 及犯罪鉴定的各种领域中，正在进行基因分析、蛋白质分析以及细胞分析的全面研究和开 发。其中引人注目的是一种“芯片实验室(lab-on-chip)”的新技术，该技术允许在形成于芯 片中的微观尺度的通道或阱中发生各种反应(用于核酸、蛋白质以及细胞的检测和分析)。 现在该技术引起注意是由于其具有用简单方法测量生物分子的潜在能力。片上实验室(lab-on-chip)技术的问题在于，必须在形成于芯片中的微观尺度的 通路或阱中用极少量的样本来执行混合、反应、分离、提纯以及检测。为了有效地检测和分 析，需要设计良好的用于芯片设计及其实现的方式和装置。例如，日本专利公开第2008-151770号(专利文献1)中提出了一种具有形成于其 中的微通道的芯片。该芯片被设计为，使得混有热熔解性粘合剂混合的试剂被保持在在微 通道中的预定位置处。在导入样本溶液之后，加热芯片，使得热熔解性粘合剂在其被支撑的 位置处开始熔化。这使得能够有效地溶解和混合，并允许在相同的位置处进行后续的反应 和分析。结果是，可以减少微通道中反应点的数量，这使得尺寸减小并降低了成本。日本专利公开第2007-139744号(专利文献2)中提出了一种能够用非常少量(大 约是现有技术试验中使用的量的百分之一)的样本进行分析的荧光偏振试验。该试验包 括(1)准备荧光探针分子和生物分子的步骤，(2)将它们注入片上实验室的微通道中从而 形成它们的复合物的步骤，(3)将偏振光的光束导向至该复合物并测量由复合物导致的荧 光偏振的步骤，以及(4)量化荧光偏振(fluorescent polarization)并确定荧光偏振度的 步骤。日本专利公开第2008-17779号(专利文献3)中提出了一种由设置在单个基板上 的以下单元组成的片上实验室用于制备核酸的单元，其设置有第一电极；用于将样本流 体导入核酸制备单元的单元；通过通道与核酸制备单元连接的反应单元，该反应单元设置 有第二电极；用于将药液导入反应单元的单元；用于从反应单元排出流体的单元；连接至 第一和第二电极的控制电路；以及连接至第二电极的检测电路。该片上实验室能够在单个 基板上复制、合成、反应并检测核酸。日本专利公开第2007-187582号(专利文献4)中提出了一种设置有检测器(例如，工作电极、参考电极以及对电极)和薄膜晶体管的生物芯片。该芯片被用作生物传感装 置，其具有轻、薄、短、小、便宜且具有高性能的特点。其还能够可拆卸地安装在具有喷墨头 的生物传感器上。
发明内容
分析样本的一般方式是，在用光照射时，检测从导入到片上实验室的样本发出的 光(尤其是荧光)。在片上实验室技术的领域中，有效地检测来自极少量样本的光仍是一个 重要因素，尽管为了更精确的分析如上所述已经做了许多改善和改进。然而，存在难以有效地检测来自极少量样本的光的许多情况，因为来自样本的光 (例如荧光)在所有方向上(360° )发散。此外，激励光和来自包含在样本中的任何物质 的自发荧光使这种情况加重，从而难以单独地有效检测期望的荧光。事实上，普通的光检测 器能够检测从样本发出的荧光的约5%。期望提供一种能够有效地检测从非常少量的样本所发出的光的新技术。本发明 实施方式使得通过修改用于光检测的芯片的结构，能够有效地检测来自非常少量的样本的光。在一个实施方式中，光检测芯片包括至少一个检测区域，配置为容纳能够发出荧 光的样本；以及光反射部，配置为在朝着光检测器的方向上反射从样本发出的荧光的至少 一部分。在另一实施方式中，光检测装置包括光源，配置为发出激励光；至少一个检测区 域，配置为容纳能够发出荧光的样本；光反射部，配置为在朝着光检测器的方向上反射从样 本发出的荧光的至少一部分；以及光检测部，配置为接收光反射部反射的荧光的至少一部 分。不特别限制这些实施方式的光检测芯片的光反射部的形状。光反射部可具有，例 如，凹面形状、凸面形状或平面形状。根据一个实施方式的光检测芯片可以另外具有光透射控制部，其阻挡导向至样本 的光且透射从样本发出的荧光。由于这些实施方式的结构，光检测芯片能够反射从样本发出的荧光的一部分，该 部分荧光在与检测荧光的方向相反的方向上散射。因此，能够有效地检测从非常少量的样 本发出的光，并且其有助于提高分析精度。这里描述了另外的特征和优点，并且，从以下的详细描述和附图中将变得显而易 见。
图1是示出了根据第一实施方式的光检测芯片的示意性截面图；图2是示出了根据第二实施方式的光检测芯片的示意性截面图；图3是示出了根据第三实施方式的光检测芯片的示意性截面图；图4是示出了根据第四实施方式的光检测芯片的示意性截面图；图5是示出了根据第五实施方式的光检测芯片的示意性截面图；图6是示出了根据第六实施方式的光检测芯片的示意性截面5
图7是示出了根据第七实施方式的光检测芯片的示意性截面图；图8是示出了根据第八实施方式的光检测芯片的示意性截面图；图9是示出了根据第一实施方式的光检测装置的示意性概图；图10是示出了根据第二实施方式的光检测装置的示意性概图；以及图11是示出了根据第三实施方式的光检测装置的示意性概图。
具体实施例方式下面将参照附图描述这些实施方式。下面的描述分为如下部分。1.光检测芯片1(1)检测区域11(2)光反射部12(3)光透射控制部132.光检测装置10(1)光照射部101(2)光检测部102(3)聚光透镜 103a 和 103b(4)滤光片 104a 和 104b(5)光圈 105a，105b，栅障(barrier)1.光检测芯片1图1是示出了根据第一实施方式的光检测芯片1的示意性截面图。光检测芯片1 至少具有(1)检测区域11和(2)光反射部12。根据需要，其根据需要可选地具有(3)光透 射控制部13。由不特别限制的任意材料形成根据一个实施方式的光检测芯片1。适当的材料 是，通常用于能够进行光检测的生物测定芯片的材料。期望的材料包括适于进行光检测的 玻璃和透明塑料(例如，聚碳酸酯、聚烯烃、环烯、丙烯酸以及硅树脂(例如聚二甲基硅氧烷 (PDMS)))。光检测芯片1具有如下详细描述的几个部分。(1)检测区域11检测区域11是这样的一个地方，即，在该地方存在待分析样本，该样本被激励光E 照射，并且从样本发出的荧光F被检测。不特别限制检测区域11的结构，只要其允许检测 用激励光E照射的样本所发出的荧光F。如图1所示的第一实施方式中，可将其设置在阱 (well)W中。如图2所示的第二实施方式中，还可将检测区域11设置在通道C中。顺便提 及，将图2所示的第二实施方式设计为，使得在通道通道C中存在多个检测区域11。然而， 可进行变形，使得在一个通道C中存在一个检测区域11。另一种可能性是，如图3所示的第三实施方式中，将多个检测区域11 (未示出)设 置在共同形成于基板T中的通道C和阱W中。在将检测区域11设置在通道C中的情况下，不特别限制通道C的宽度、深度以及 截面。例如，宽度小于Imm的微通道可以用于根据一个实施方式的光检测芯片1。检测区域11不仅可用作荧光检测的场所，还可用作核酸的放大、杂化以及核酸、蛋白质和细胞之间的反应的场所。在如图2所示的第二实施方式中将检测区域11设置在 通道C中的情况下，可以以这样的方式进行处理，即，使得样本穿过通道C，同时经历各种反 应，并且对到达预定位置的样本进行荧光检测。此外，在如图3所示的第三实施方式中在基 板T中共同形成通道C和阱W的情况下，可以以这样的方式进行处理，S卩，使得样本穿过通 道C，同时经历各种反应，并且对到达预定阱W的样本进行荧光检测。可选地，可以以这样的 方式进行处理，即，使得样本在每个阱W中经历反应，并且，对穿过通道C的样本进行荧光检 测。顺便提及，可以没有特别限制地用任何已知的方式实现将样本导入每个检测区域 11。例如，在图3所示的第三实施方式中，在基板T上形成阱W和与它们连接的通道C，使得 通过通道C将样本导入每个检测区域11 (未示出)。(2)光反射部12光反射部12旨在反射从样本发出的荧光F。将光反射部设置在荧光被反射回检测 区域11的位置(在荧光检测方向D上)处。由于样本在所有方向上(360° )发出荧光F，所以，在与用于荧光检测的方向D相 反的方向上发出的荧光被散射而没有被检测。由于该原因，光检测现有技术中的芯片难以 有效地检测来自非常少量的样本的光。相反，根据一个实施方式的光检测芯片在与荧光检 测方向D相反的位置处具有反射部12。因此，这使得在与荧光检测方向D相反的方向上发 出的荧光反射回荧光检测方向D。结果，与现有技术的芯片相比，其检测更多的荧光F，因 此，其能够有效地检测从非常少量的样本发出的荧光F，从而提高分析精度。如上所述，根据一个实施方式的光检测芯片1具有光反射部12，不特别限制其结 构，只要其能够反射从样本发出的荧光F。例如，在图1和图2所示的第一和第二实施方式 中，设置一个以上光反射部12用于一个以上检测区域11，而在图4所示的第四实施方式中， 设置一个光反射部12用于一个检测区域11。如上所述，根据一个实施方式的光检测芯片1具有光反射部12，不特别制其形状， 只要其能够反射从样本发出的荧光F。光反射部12可以是图1和图2所示的第一和第二实 施方式中使用的球面凹面镜，或者是图4所示的第四实施方式中使用的非球面凹面镜，或 者是图5所示的第五实施方式中使用的平面镜。根据一个实施方式的光检测芯片1可以具有透射导向至样本的激励光E但是反射 从样本发出的荧光F的光反射部12。如图6所示的第六实施方式那样，该光反射部12允许 反转光照射和光检测的方向。穿过检测区域11在反转方向上的光照射和光检测使得可以 自由地设置用于照射的光照射部101和用于检测荧光的光检测部102 (未示出)。(3)光透射控制部13光透射控制部13阻挡导向至样本的光(激励光E)，但是透射从样本发出的荧光 F。对于根据一个实施方式的光检测芯片1来说，光透射控制部13并不是必须的；然而，其 将提高S/N比。可将光透射控制部13设置在检测区域11和光反射部12之间，如图7所示的第七 实施方式那样，其中，用于照射的光和用于检测的光在相同的方向上。同样，优选地，应将其 设置在从检测区域11向其导向荧光的位置处，如图8所示的第八实施方式那样，其中，用于 照射的光和用于检测的光在穿过检测区域11的相反的方向上。
因此，如上所述地设置的光透射控制部13防止激励光E在荧光检测方向上散射。 结果是，由于激励光E和改进的S/N比，噪音减小。2.光检测装置10图9是示出了根据第一实施方式的光检测装置10的示意性概图。光检测装置10 至少由以下各项组成(1)光照射部101、检测区域11，以及(2)光检测部102、光反射部。 根据需要，可选地，其可以具有⑶聚光透镜103，(4)滤光片104，(5)光圈105，以及障栅。 下面将更详细地描述这些部件。顺便提及，检测区域11和光反射部12以与上述用于光检 测芯片1相同的方式起作用。因此，在下文中省略其描述。(1)光照射部101光照射部101旨在用激励光E照射样本。根据一个实施方式的光检测装置10具有光照射部101，其可以设置在任何地方而 没有特别限制，只要其能够向样本照射光。例如，在图9所示的第一实施方式中，设置一个 以上光照射部101用于各检测区域11。该布置允许用波长不同的激励光E照射各检测区域 11，使得可同时实现各种检测。另一种可能的布置(未示出)是这样的，用一个光照射部101扫描多个检测区域 11，或用激励光E照射多个检测区域。在根据一个实施方式的光检测装置10中，光照射部101可以使用任何已知的光照 射方法而没有特别限制。例如，单独或组合地使用任何LED(发光二极管)、半导体激光以及 EL照明来实现光照射。如果为各光检测区域11设置多个光照射部101，那么存在两种光照射方式。第一 种是同时照射和同时检测。该方式节省数据获取的时间。第二种是顺序照射和顺序检测。 该方式减小来自并置的(juxtapose)光照射部101的噪音。(2)光检测部102光检测部102旨在检测从样本发出的荧光F。根据一个实施方式的光检测装置10具有光检测部102，可以以任意方式设置光检 测部而没有任何特别的限制，只要其能够检测来自样本的荧光F。例如，如图9所示的第一 实施方式那样，可以为各检测区域11设置多个光检测部102。该布置允许同时检测位于每 个检测区域11中的样本所发出的荧光F。另一种可能的布置(未示出)是这样的，使得用一个光检测部102扫描多个检测 区域11，或用激励光E顺序照射多个检测区域11。该布置允许检测位于每个检测区域11 中的样本所发出的荧光F。优选地，应该这样构造根据一个实施方式的光检测装置10，即，使得光检测部102 设置在与光照射部101相对的位置，检测区域11介于它们之间。该构造允许自由地设置光 照射部101和光检测部102。根据一个实施方式的光检测装置10可以使用任何已知的光检测方法而没有特别 的限制。这些方法可以使用区域成像元件(例如，PD(光电二极管)、CCD(电荷耦合器件) 以及CMOS(互补金属氧化物半导体))或由以阵列设置的多个光检测器组成的多通道光检 测器。(3)聚光透镜 103a 和 103b
图9所示的第一实施方式使用多个用于激励光的聚光透镜103a，每个聚光透镜 103a设置在光照射部101和光检测区域11之间，以汇聚来自光照射部101的光。根据一个 实施方式的光检测装置10基本上不需要用于激励光的聚光透镜103a。然而，如该实施方式 那样，通过设置聚光透镜103a，将光准确地导向至设置在检测区域11中的样本。此外，该实施方式还使用多个聚光透镜103b，每个聚光透镜103b设置在光检测区 域11和光检测部102之间，以将来自位于检测区域11中的样本的荧光F汇聚到光检测部 102上。根据一个实施方式的光检测装置10基本上不需要聚光透镜103b。然而，如该实施 方式那样，通过设置聚光透镜103b，其加强了诸如荧光F的信号，从而提高了 S/N比。(4)滤光片 104a 和 104b图10是示出了根据第二实施方式的光检测装置10的示意性概图。该实施方式使 用用于激励光的滤光片104a，每个滤光片设置在光照射部101和检测区域11之间。根据一 个实施方式的光检测装置10基本上不需要激励光滤光片104a。然而，如该实施方式那样， 通过设置滤光片104a，其允许用具有期望波长的激励光选择性地照射每个检测区域11。此外，该实施方式还使用用于光接收的滤光片104b，该滤光片设置在每个检测区 域11和每个光检测部102之间。根据一个实施方式的光检测装置10基本上不需要用于光 接收的滤光片104b。然而，如该实施方式那样，通过设置滤光片104b，可在从位于每个检测 区域11中的样本所发出的荧光F中选择性地接收期望的波长。(5)光圈 105a、105b、障栅图11是示出了根据第三实施方式的光检测装置10的示意性概图。该实施方式在 每个光照射部101和每个检测区域11之间使用光圈105a。根据一个实施方式的光检测装 置10基本上不需要光圈105a。然而，如该实施方式那样，其防止来自每个光照射装置101 的光照射除了相应的检测区域以外的其它检测区域11 (即，相邻的检测区域)。这提高了
S/N 比。此外，该实施方式在每个检测区域11和每个光检测部102之间还使用光圈 105b。根据一个实施方式的光检测装置10基本上不需要光圈105b。然而，如该实施方式 那样，其减少除了相应的检测区域以外的其它检测区域11(即，相邻的检测区域)的串扰 (crosstalk)。这提高了 S/N 比。除了光圈105a和105b以外，根据一个实施方式的光检测装置10在透镜之间还可 以使用障栅(未示出)，以产生与上述同样的效果。根据一个实施方式的光检测芯片1和具有光检测芯片1的光检测装置10不仅能 够检查包含在位于检测区域11中的样本中的物质的物理属性，而且能够通过电泳(检测区 域11位于通道C中)来定量分析包含在样本中的物质。可以通过将液体样本形成为液流池(flow cell)(由样本和挟持样本的鞘液组 成)并通过光检测部102获取从在液流池中流动的物质发出的荧光的强度或图像来实现这 样的分析。可用与实际使用的或处于研发阶段的流式细胞仪中相同的方式来构造液流池。 检测来自流过微通道C的样本的光，使得可以根据由此获得的信息对通道下游的样本中的 微小粒子(诸如细胞和核酸)进行分类。本实施方式使得可以有效地检测来自非常少量的样本的光，并预期提高分析精度。
上述技术将有助于改善各种医疗领域(病理学、肿瘤免疫学、移植学、遗传学、再 生医学以及化学疗法)的分析、新药开发、临床检查、食品工业、农业、工程学、法医学以及 犯罪鉴定。应该理解，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对本文描述的目前优选 实施方式进行各种改变和修改。可在不背离本发明主题的精神和范围且不减少其预期优点 的前提下，进行这种改变和修改。因此，旨在由所附权利要求覆盖这种改变和修改。
权利要求
1.一种光检测芯片，包括至少一个检测区域，被配置为容纳能够发出荧光的样本；以及光反射部，被配置为在朝着光检测器的方向上反射从所述样本发出的所述荧光的至少 一部分。
2.根据权利要求1所述的光检测芯片，其中，所述检测区域在通道或阱中。
3.根据权利要求1所述的光检测芯片，进一步包括位于通道中和多个阱中的多个所述 检测区域，所述通道和所述阱共同形成在基板中。
4.根据权利要求1所述的光检测芯片，其中，所述光反射部从球面凹面镜、非球面凹面 镜或平面镜组成的组中选择。
5.根据权利要求1所述的光检测芯片，其中，所述光反射部透射从光源导向至所述样 本的激励光的至少一部分。
6.根据权利要求1所述的光检测芯片，进一步包括光透射控制部，用于阻挡从光源导 向至所述样本的激励光的至少一部分，以防止其在朝着所述光检测器的方向上散射。
7.根据权利要求6所述的光检测芯片，其中，所述光透射控制部设置在所述检测区域 和所述光反射部之间，并且处于从所述检测区域导向荧光位置。
8.根据权利要求1所述的光检测芯片，进一步包括多个检测区域和多个光反射部，其 中，在朝着所述光检测器的方向上，每个光反射部反射从与多个所述检测区域相关的多个 样本发出的荧光的至少一部分。
9.一种光检测装置，包括光源，被配置为发出激励光；至少一个检测区域，被配置为容纳能够发出荧光的样本；光反射部，被配置为在朝着光检测器的方向上反射从样本发出的荧光的至少一部分；以及光检测部，被配置为接收由所述光反射部反射的荧光的至少一部分。
10.根据权利要求9所述的光检测装置，其中，所述检测区域在通道或阱中。
11.根据权利要求9所述的光检测装置，进一步包括位于通道和多个阱中的多个所述 检测区域，所述通道和所述阱共同形成在基板中。
12.根据权利要求9所述的光检测装置，其中，所述光反射部从球面凹面镜、非球面凹 面镜或平面镜组成的组中选择。
13.根据权利要求9所述的光检测装置，其中，所述光反射部透射从光源导向至所述样 本的激励光的至少一部分。
14.根据权利要求9所述的光检测装置，进一步包括光透射控制部，用于阻挡从光源导 向至所述样本的激励光的至少一部分，以防止其在朝着光检测器的方向上散射。
15.根据权利要求14所述的光检测装置，其中，所述光透射控制部设置在所述检测区 域和所述光反射部之间，并且处于从检测区域导向荧光位置。
16.根据权利要求9所述的光检测装置，进一步包括多个检测区域和多个光反射部，其 中，在朝着所述光检测器的方向上，每个光反射部反射从与多个所述检测区域相关的多个 样本发出的荧光的至少一部分。
17.根据权利要求9所述的光检测装置，其中，至少一个滤光片位于所述光源和所述检 测区域之间，并且，被配置为过滤激励光的至少一部分。
18.根据权利要求9所述的光检测装置，其中，所述检测区域设置在所述光反射部和所 述光检测部之间。
19.根据权利要求9所述的光检测装置，其中，所述检测区域设置在所述光反射部和所 述光源之间。
20.根据权利要求9所述的光检测装置，其中，所述光反射部设置在所述光源和所述检 测区域之间。
21.根据权利要求9所述的光检测装置，进一步包括至少一个会聚激励光的至少一部 分的聚光透镜。
22.根据权利要求9所述的光检测装置，进一步包括设置在所述光源与所述检测区域 之间的第一光圈和设置在所述检测区域与所述光检测部之间的第二光圈。
全文摘要
本发明提供了光检测芯片和设置有光检测芯片的光检测装置。其中光检测芯片包括至少一个检测区域，配置为容纳能够发出荧光的样本；以及光反射部，配置为在朝着光检测器的方向上反射从样本发出的荧光的至少一部分。
文档编号G01N21/64GK101995397SQ20101024643
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月4日 优先权日2009年8月12日
发明者山本真伸, 市村功, 甲斐慎一 申请人:索尼公司