光学传感器的制作方法

专利名称：光学传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学传感器和光学传感的方法。
背景技术：
能够以高灵敏度并实时地监测生物相互作用的传感器在生命科学研究和エ业两者中都具有相当大的重要性。存在监测作为分子间相互作用的结果的生物样本的折射率(或其它光学性质)的变化的多个传感器。可以作为通过样本的光的性质(例如強度)的变化来测量样本的光学性质的此类变化。在典型的传感器中，光被耦合进光学波导的导模中。与导模相关联的倏逝波延伸到生物样本中，其可以例如被保持在凝胶中或液体形式中。在一些传感器中，可以通过修改光被耦合进波导中的入射角来调谐倏逝波延伸到生物样本中的深度。如果在生物样本中发 生变化，则生物样本的折射率将改变。与导模相关联的倏逝波经历了折射率的此变化。因此通过监测从光学波导的导模输出的光，可以观察到在生物样本中发生的变化。期望的是检测水内的污染物。对于超纯水而言情况尤其如此，其可以例如被用于化学測定或静脉注射。在这种情况下，水不仅应没有例如细菌的生物制剂，而且还应没有生物制剂产生的内毒素。检测水中的细菌的ー些方法检测活细菌的作用并因此这些方法对内毒素不敏感。这些方法还对死细菌或坏了的细菌不敏感。其它方法检测指示细菌的最近存在的酶的作用。然而，为了这起作用，酶不能已经变性。也就是说，酶必须仍起作用以便能够检测其作用。以上两种方法通常都要求使用附加试剂。可以使用现有技术方法来检测内毒素。然而，用来检测内毒素的方法通常要求受控条件和附加试剂的使用。一个此类方法涉及马蹄蟹(美洲鲎)的变形细胞血细胞的使用。血细胞在被置干与细菌内毒素接触时形成凝块，即使在非常低的内毒素浓度下。检测细菌和内毒素的以上方法是低效的且在ー些情况下可能是无效的。此外，其无助于针对污染物的水的连续监测。期望克服或缓解以上缺点中的至少ー个。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了ー种光学传感器，该光学传感器包括具有传感层的波导，传感层被分子压印，使得传感层接收并保留将被传感的目标实体，该光学传感器还包括检测设备，检测设备被设置为检测当传感层接收并保留目标实体时发生的波导的光学性质的变化。传感层可以包括具有适合于接收目标实体的形状的接收位点。传感层可以包括具有与目标实体的官能团互补的官能团的接收位点。传感层可以是多孔的。其中检测到变化的光学性质可以是折射率。
目标实体可以是有机磷酸酯化合物或生物分子，例如核糖核酸酶，其可以是非活性的。波导可以是漏模波导。波导可以包括具有比传感层的折射率高的折射率的材料层。材料层可以是金属层。传感层可以是聚合物层。聚合物可以是碳基或硅基聚合物。传感器可以形成作为水净化系统的部分的污染检测器的部分。根据本发明的第二方面，提供了ー种使用光学传感器的光学传感方法，该光学传感器包括具有传感层的波导，传感层被分子压印，使得其接收并保留目标实体，所述方法包括将传感器的一部分定位于流体流动路径中，该流体流动从而接触传感层的至少ー个表面，将光耦合进波导的导模中，使得传感层接收光中的至少ー些，并监测从波导输出的光的性质，该性质在分子压印层接收并保留目标实体的情况下改变。传感层相对于流动流体而言可以是多孔的，从而允许流体流入传感层。传感层可以包括具有适合于接收目标实体的形状的接收位点。传感层可以包括具有与目标实体的官能团互补的官能团的接收位点。被监测的输出光的性质可以是光的强度和/或从波导输出的光的角度。将被传感的实体可以是核糖核酸酶，其可以是非活性的。流体可以是水。被传感的实体可以是污染物或污染物的产物。根据以下描述，本发明的各种方面的其它优选和有利特征将是显而易见的。


现在将仅以实施例的方式參考附图来描述本发明的特定实施方式，在所述附图中图I是依照本发明的实施方式的光学传感器的横截面示意图；
图2和3是图I所示的光学传感器的波导的横截面示意图；图4a、4b和4c是依照本发明的用来产生分子压印聚合物的过程的图；图5是由图4a至4c所示的过程所产生的分子聚合物腔体接收目标实体的过程的图；图6是示出波导的反射率与光在波导上的入射角之间的关系的第--般方案的
图表；图7是示出波导的反射率与光在波导上的入射角之间的关系的第二一般方案的图表；图8是示出波导的反射率与光在波导上的入射角之间的关系的第三一般方案的图表；图9是示出峰值像素与基线像素的位置之间的差的图表，该差为对于两个单独波导而言波导被暴露的目标实体的浓度的函数，两个单独波导中的ー个包括依照本发明的实施方式的分子压印聚合物传感层且另ー个包括非分子压印聚合物传感层。图10是示出作为目标实体暴露的浓度的函数的使用包括根据本发明的分子压印聚合物传感层的波导与使用具有非分子压印聚合物传感层的波导的峰值像素的位置之间的差的图表；
图11是图2和3所不的光学传感器的波导的横截面不意图和折射率的相应图表；图12是光学传感器的替换波导的横截面示意图和折射率的相应图表；图13是示出可以形成根据本发明的光学传感器的一部分的几个波导的第一响应的图表，每个波导具有使用不同的參数已被旋涂的分子压印聚合物层。图14是示出图13的波导的第二响应的图表；图15是示出波导的第一响应的图表，该波导可以在多个条件下形成根据本发明的光学传感器的一部分；以及图16是示出在所述多个条件下的图15的波导的第二响应的图表。
具体实施例方式參考图1，光学传感器10包括位于棱镜14上的波导12。来自光源16的光经由准直透镜18、孔径光阑20、第一起偏振器22、第一会聚透镜24和棱镜14直接射向波导12。起偏振器22用来选择适当的偏振光。光经由棱镜进入波导,棱镜将光稱合进波导。一些光随后漏出波导12并通过棱镜14。光从棱镜14行进,经由第二会聚透镜26、相对于第一起偏振器22交叉的第二起偏振器28并进入检测器30。检测器30是例如光电ニ极管或CXD阵列的光強度检测器。可以使用任何适当的辐射检测器。在一些实施方式中，可以省略第二起偏振器28。图2更详细地示出波导12的一部分。波导12包括在金属层38上提供的传感层34。使波导12位于与导管32的流动连通中，流体31流过导管32 (用箭头A表示流动)。金属层38是在基底36上提供的。可以将可以例如由石英形成的基底结合到棱镜14(參见图I)。棱镜14可以用来将光耦合进并耦合出波导12。在一些实施方式中，金属层38具有20nm的厚度。然而，可以使用金属层38的任何适当的厚度。金属层38的厚度可以例如在O. 5nm 和 200nm 之间。传感层34是聚合物层，其可以例如是碳基或硅基的。与类似的碳基的聚合物相比，硅基的聚合物的优点是其能够在存在空气的情况下产生。使用碳基的聚合物，这是不可能的，因为其在空气中与氧反应。特别地，如果碳基的聚合物是由自由基聚合过程形成的，则氧将与自由基反应。硅基的聚合物可以包括例如线性硅氧烷或晶格状溶胶-凝胶。为了有助于理解传感层34工作的方式，首先考虑制造传感层的方式是有益的。在处于流体状态的同时(即在其固定之前)将聚合物层旋涂到金属层38上。在旋涂期间，流体聚合物混合物中的表面张カ有助于确保传感层34的表面40基本上是平的。这有助于使在使用期间从波导12返回的信号中的噪声或损耗最小化(该噪声或损耗可以是由由于传感层中的表面缺陷而引起的散射所引起的)。可以使用旋涂方法的替换方法将聚合物层施加于金属层38。此类替换方法包括浸涂、喷涂和丝网印刷。图4a至4c示意性地示出在传感层34形成期间在传感层34中发生的分子压印过程。在图4a所示的第一阶段中，将与被传感的实体类似或相同结构的实体与单体混合物和溶剂混合，使得混合物处于流体状态。该单体混合物包括至少ー个类型的官能単体，并且还可以包括至少ー个类型的交联单体。如下文更详细地讨论的，单体混合物内的官能单体的目的与交联单体的目的不同。与单体混合物混合的实体在这里被称为模板实体42。已经发现单体混合物的组分的适当的质量比是模板实体官能単体交联单体为I : 4 : 20 ;并且单体混合物与溶剂的适当的质量比是3 4。然而，本领域的技术人员将认识到的是可以使用単体混合物和溶剂的组成的任何其它的适当的比率。如上所述，单体混合物包含官能单体44，每ー个官能单体44包括官能团46。单体混合物可以包含不止ー个类型的官能単体。每个类型的官能単体具有不同的官能团46(这些在图4a中用不同的形状来示意性地表示)。官能团46与模板实体42的官能团48互补。虽然在图4a中示出了三个类型的模板实体官能团48，但模板实体可以具有任何数目的官能团类型。在存在模板实体42的情况下，单体官能团46可以通过以下可逆相互作用类型中的任何一个与相应的模板实体官能团48相互作用(a)可逆共价键，(b)被模板分裂激活以用于非共价相互作用的共价键合的可聚合的结合基团，(C)静电相互作用，(d)疏水或范德华相互作用(例如氢键合)，Ce)与金属中心的配位，Cf)共键合，其涉及共价和非共价键合，以及(g)半共价键合，当形成的初始键是共价的且后续键合是非共价的。单体44的官能团46与模板实体42的相应官能团48相互作用，促使多个单体44将其自身设置在每个模板实体42周围(如图4a中所示)。単体44可以具有例如氨基和/或羧酸官能团。可以将可能的官能単体按类型分类，包括丙烯酸树脂、こ醇、饱和炔烃、胺、芳基、羧酸、酷或醚；或者按照包括酸性(即甲基丙烯酸)、中性(即苯こ烯)或碱性(即4-こ烯基吡啶)的性质分类。下面是ー些常见官能単体的列表，其可以适合于在制造分子压印聚合物基质时使用丙烯酸酯(丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MMA)、三氟甲基丙烯酸(TFMAA)、亚甲基-2-丁ニ酸(MSA)、甲基丙烯酸N，V -ニ甲氨基こ酯(DMA))、丙烯酰胺(丙烯酰胺(AAm)、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸(2-acrylamido-2-methyl-l-propane sulphonique acid) (AMPSA)、N_ (2_ 氨基こ基)-甲基丙烯酸胺(2AEMA)、甲基丙烯酸ニこ氨基こ酯(DAEMA))、苯こ烯(4-こ烯基安息香酸(4VBA)、2- (4-乙烯基苯基)-1，3-丙ニ醇(4ES)、(4-こ烯基苯基)甲基胺N，N' ニこ酸((4-vinylphenyl)methyl amine N, N’ diacetique acid) (VPMADA )、N, N' - ニこ基-(4_ こ烯基苯基)脉(D4VPA)、4-(1，4，7-三氮杂环壬烷-甲基)苯こ烯(4TCMS)、4_こ烯基苯硼酸(4-vinylphenylborique acid) (VPBA))、吡啶和咪唑(4_こ烯基吡啶(4VP)、2_こ烯基吡啶(2VP)、I-こ烯基咪唑(1VI)、4-こ烯基咪唑(4VI))。如前所述，単体混合物还可以包含至少ー个类型的交联单体。该交联単体有助于防止聚合物基质形成时的其中的任何畸变并从而有助于保持在压印过程期间形成的任何结构的形状。可以在产生适当的分子压印聚合物基质时使用的常见的交联聚合物包括ニ甲基丙烯酸こニ醇酯(ethylene glycol diemethacrylate) (EDMA)、p-ニこ烯基苯(DVB)、N, N '-こ撑双(丙-2_ 烯酸胺(N, N’ -ethylenebis (prop-2-eneamide)) (ΕΡΕΑ)、四こ氧基硅烷(TE0S)、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TRM)、Ν，Ν'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、P, P ' -ニ异氰酸酯基ニ苯基甲烧(diisocyanatodiphenylmethane)) (DIDM)、ニ丙烯酰哌嗪(bisacryloyl piperazine) (BAP)和N, N-亚甲基ニ丙烯酰胺(亚甲基ニ丙烯酰胺)(methylenebisacrylamideノ。 也可以称为致孔剂(porogen)的溶剂可以溶解単体混合物的所有组分。溶剂的作用之一是在制造的聚合物内产生小孔。同样地，溶剂能够影响合成的聚合物的结构。例如，作为丙烯酸酯(acryalate)网络中的溶剂的こ腈导致比氯仿更大孔的结构。适当的溶剂可以包括甲苯、ニ氯甲烷、氯仿、こ腈、醋酸、甲醇、こ醇、ニ甲基甲酰胺和水。这些可以被单独地或相互组合地使用。在本发明的某些实施方式中，可以期望在单体混合物中包括附加添加剤。例如，可以包括增塑剂以降低合成的聚合物的玻璃态转变温度并因此降低内部粘度，从而增加其块体柔性。在图4b所示的下ー阶段中，单体混合物44被聚合并就地与模板实体42交联。这形成包含多个腔体52的固态聚合物基质50，腔体具有能够接收模板实体42并因此传感实体的尺寸和形状。可以使用的聚合过程的实例是自由基聚合。然而，如本领域的技术人员将认识到的，可以使用任何适当的聚合过程。在自由基聚合的情况下，通过引发剂化合物的添加来发起聚合，其在特定条件下产生自由基。要求的条件可以例如是作为引发剂的照射的结果的热变化或光化学变化。在引发剂涉及由于照射而引起的光化学反应的情况下，将其称为光引发剂。在一些情况下，条件的变化导致引发剂的单分子键断裂而产生自由基。在其它情况下，引发剂涉及生物分子反应，其中，引发剂的激发态与第二分子(共引发剂)相互作用而产生自由基。热自由基引发剂的实例是α, α ' _偶氮ニ异丁臆(ΑΙΒΝ),并且光引发剂的实例是2，2-ニ甲氧基-2-苯基苯こ酮(DMPA)。自由基引发剂的范围是广泛的，并且可以使用任何适当的引发剂。引发剂的选择可以取决于许多因素，包括引发剂在特定溶剂中的溶解度或其分解过程。如果分解过程对与进行单体44和模板实体42的混合的温度类似的温度敏感，则该分解过程可以具有特定的相关性。例如，如果引发剂的分解过程具有过低的激活能，则在单体已与模板实体相互作用之前可能发生过早的自由基产生和因此的聚合。过早聚合是不期望的，因为其可能意味着腔体52未被适当地形成，因此未用模板实体42对聚合物进行压印。这可能导致腔体52不能接收将被传感的实体。可以选择引发剂使得其具有弱键，其在破裂时产生自由基(应将术语‘弱键’解释为意指比模板实体42与単体44之间的键(或其它相互作用)弱的键)。在这已完成的情况下，通过产生自由基用来发起聚合的能量将不会使単体44与模板实体42之间的任何键(或其它相互作用)破裂。如本领域的技术人员将认识到的，存在可以使用的许多自由基类型。一旦由引发剂产生自由基，则聚合过程以常规方式进行。自由基将ー些単体转换成自由基(通过从其中去除电子)，其能够与其它单体键合而产生更长链的自由基。这些然后可以以串接型方式进一歩依次与其它单体或链自由基等反应。串接型反应可以以许多方式終止，其中最常见的是两个自由基相互的反应。自由基聚合的化学作用在本领域内是众所周知的，因此在这里不包括进ー步的细节。
以上描述涉及产生分子压印聚合物的有机単体的使用。如前所述，还可以使用无机单体来产生聚合物，例如硅醇盐单体。此类适当单体包括正硅酸こ酯(TE0S)、3-氨基丙基三こ氧基硅烷(APTES)、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酷(MEM0/TMSM)、甲基三甲氧基硅烷(MTMOS)、苯基三甲氧基硅烷(PTMOS)、四甲氧基硅烷(TMOS)、甲基三こ氧基硅烷(MTE0S)、(3-环氧丙氧基丙基)三甲氧基硅烷(GPTMS)、こ烯基三こ氧基硅烷(VTE0S)、苯基三甲氧基硅烷(TMPS)、こ基三甲氧基硅烷(ETMOS)和丁基三甲氧基硅烷(BTMOS)。由这些单体产生的聚合物被称为溶胶-凝胶。已经发现通过控制在単体混合物中使用的溶剂(通常为水)的PH和体积，可以影响合成的溶胶-凝胶的多孔性。例如，使用包含处于高PH的高容量的水的単体混合物将产生更多孔的材料。可以使用的单体混合物的实例(和每个单体的量之间的比)包括TEOS H20 こ醇(1:4: 4) JPTEOS APTES PTMOS (30 I 1.5)。为了产生溶胶-凝胶，使単体混合物经历水解反应和缩合反应。可以使用催化剂作为水解反应的一部分。所使用的催化剂的类型可以影响合成的溶胶-凝胶的结构。例如，使用HF代替HCL作为催化剂促进更快速的胶凝时间和/或合成的溶胶-凝胶中的更大的孔。、
在単体混合物中可以使用任何适当的溶剤。适当的溶剂包括水、正庚烷、四氢呋喃(THF)、甲醇(MeOH)、氢氧化铵(NH4OH),こ氧基こ醇、こ醇、十二烷基苯、こ腈、丙酮和ニ氯甲烷。一旦已经产生溶胶-凝胶，则必须将其干燥。干燥过程可能对最终溶胶-凝胶的结构有影响，因为干燥可能引起收缩。如果收缩是显著的，则其可能影响溶胶-凝胶接收目标实体的能力。可以向单体混合物添加各种添加剂以控制干燥速率，并从而降低在干燥期间发生的显著收缩的可能性。一般地称为干燥控制化学添加剂(DCCAs)的这些添加剂可以例如是甲酰胺、ニ甲基甲酰胺(DMF)、こ腈或草酸。还可以使用表面活性剤。可以在受控压力环境中进行干燥。在图4c中示出了有机和非有机聚合物两者所共有的最终阶段。在此最终阶段中，从聚合物基质50去除模板实体42 (例如通过漂洗)。这可以以各种方式来完成。例如,可以使用溶剂以便使聚合物50膨胀并因此增加腔体52的尺寸，从而允许冲洗掉模板实体42。在干燥时(从聚合物50去除溶剤)，腔体52可以返回至其原始尺寸(即用溶剂引起聚合物膨胀之前的其尺寸)。替换地，可以将模板实体42毁掉并冲洗棹。用以毁掉蛋白质型目标实体42的适当试剂可以是蛋白酶。可以使用不会损坏聚合物的结构的强酸来毁掉目标实体42。已被发现其作用的此类型的ー个试剂是醋酸和甲醇的I : 9混合物，其中允许聚合物基质50浸溃达两个小吋。可以用来从聚合物基质50去除模板实体42的其它方法包括用与聚合物相比更高度地竞争模板实体42的官能团中的至少ー个的流体来冲洗聚合物50 ;使聚合物50暴露于引起模板实体42和聚合物基质50之间的键断裂的试剂；以及使聚合物50暴露于引起模板实体42和聚合物基质50之间的键被破坏的试剂。硅基的聚合物与类似的碳基的聚合物相比趋向于更硬、不那么多孔、不那么有弹性且不那么有柔性，因此，与从碳基的聚合物相比，从硅基的聚合物冲洗掉模板实体42可能更加困难。然而，可以选择用来形成硅基的聚合物的链的长度，使得在聚合物中存在充分的柔性以允许从其冲洗掉模板实体42。在已经从聚合物基质50去除模板实体之后，可以将聚合物基质干燥(例如在真空下室温下)。在模板实体42已被去除之后，留下具有多个腔体52的聚合物50，所述多个腔体52包含与将被传感的实体的官能团的形状和设置互补的官能团46的设置。每个腔体52及其相应的官能团46在下文中被称为接收位点54。可以在低到足以使得一旦在官能単体44与模板实体42之间发生了相互作用则几乎没有热能可用于逆向相互作用的温度下进行分子压印过程，特别是単体混合和聚合。这些相互作用的逆转是不期望的，因为其将导致不那么能够选择性地接收目标实体56的接收位点54的形成。因此，例如可以使用UV光而不是使用温度的増加来发起聚合。以下是用于制造分子压印聚合物传感层的技术的特定的实施例在每个以下实施例中，在形成聚合物传感层之前清洁金属层38。清洁是多级过程，其中，在包含不同溶液的浴器中顺序地洗涤基底36和金属层38，每个时段30分钟。所使用的溶液的顺序是水溶液中2%体积的中性清洁剂(例如SODOS丨しR;)、去离子水、异丙醇、 去离子水、こ醇、超声波浴中的去离子水、氢氧化钠、去离子水、IM盐酸和最后的去离子水。然后在氮气气氛中对基底36进行干燥。实施例I根据上述方法清洁冲模基底(stamp substrate)(未示出)。然后在包含模板实体42的溶液中培育冲模基底。在本实施例中，模板实体是RNase A。RNase溶液是包含O. 05mg/ml的RNase A的磷酸盐缓冲盐水溶液。冲模基底在室温下暴露于RNase溶液达两个小吋。然后在氮气气氛中对有涂层的冲模基底进行干燥。在一些实施方式中，随后可以用保护性糖层来进一步涂覆RNase有涂层的冲模基底。用于此目的的适当的糖是ニ糖，例如可以在RNase上旋涂IM ニ糖溶液。保护性糖层有助于保持RNase的形状，由此改善任何合成的分子压印聚合物的结构。产生单体混合物，其中，将交联单体EGDMA、TEGDMA PEG400DMA和/或PEG600DMA与官能单体4VP、MMA和/或SM混合。然后向混合物中添加光引发剂DMPA，使得其按重量计为单体混合物的约O. 5%。将四微升的単体溶液吸到被适当清洁的表面上，例如根据上述方法被清洁的载玻片的表面。然后使有涂层的冲模基底与単体混合物接触，首先以小的角度(小于15° )以防止夹带气泡，并且然后使其变平。以这种方式，単体混合物与被涂覆到冲模基底上的目标实体合井。然后将载玻片、単体混合物和冲模基底放置在旋涂机器中并使其以达到约8500rpm的速度旋转以产生单体混合物的非常平的表面。在氮气气氛中进行単体混合物到载玻片上的旋涂。然后以75mW/cm2的強度将涂覆在载玻片上的冲模基底和单体混合物暴露在紫外线光源(UVA滤波)下达10分钟的时段，以便促使単体混合物聚合，从而产生分子压印聚合物层。在聚合之后，去除载玻片。然后使用适当的折射率匹配粘合剂将分子压印聚合物层附着于基底36上的金属层38。然后去除冲模基底，使压印表面暴露。替换地，在一些实施方式中，可以用金属膜来涂覆分子压印聚合物层，然后使用适当折射率匹配的粘合剂将基底36附着于此金属膜。在这已完成的情况下，金属膜组成金属层38。作为另ー替换，可以将单体混合物直接吸到基底36上的金属层38上。在这种情况下，使冲模基底与金属层38上的単体混合物接触并将单体混合物旋涂到基底的金属层上，并且随后如前所述地使其聚合。一旦聚合完成，则可以去除冲模基底，在基底36上的金属层38上将分子压印聚合物层留在原位。为了去除RNase模板实体，使用O. 8%氢氧化钠和2%十二烷基硫酸钠的洗脱水溶液。在80°C下用50ml的洗脱液洗涤聚合物达30分钟。一旦这已完成，则通过在去离子水中洗涤三次达5分钟来使聚合物稳定。这完成分子压印聚合物层的制造。如果不是要马上使用传感层，则可以将其储存在磷酸盐缓冲盐水溶液中。实施例2在替换实施例中，将RNase A分子压印聚合物层形成为无机聚合物。在两步过程中制造聚硅氧烷层(可以将其称为支架)并旋涂到基底36上的金属层38上。首先，将预水解溶液混合，其包括I. 32ml的TEOS (交联单体)、O. 235ml的去离子水(溶剤)、O. 33ml的O. IMHCl(催化剂)和0.4ml的无水こ醇(共溶剤)。允许预水解溶液停留在室温下达24小吋。随后，将预水解混合物与包含O. 33ml的C-氨基丙基三こ氧基硅烷(APS)(官能单体)和Iml的O. IM和十二烧基硫酸钠(sodium docecylsulfate) (SDS)(用来产生大孔性的发泡剂)的溶液混合。对合成的混合物进行涡流混合，从而将硅烷组分两者混合并对溶胶进行发泡。在已将混合物与目标实体合并并涂覆到载玻片或金属层上(例如上文在实施例I中所述)之后，发生凝胶化。然后在室温下对聚合物进行老化达24小时并随后在40°C下干燥达48小吋。然后用磷酸盐缓冲盐水(PBS)、pH 7. 4彻底清洗所有样本以去除碎屑。如果传感层不是要立即使用，则可以将其储存在暗处(这已被发现增加传感层的操作寿命)。实施例3在另ー替换实施例中，分子压印聚合物层是被用咖啡因进行分子压印的有机聚合物。产生单体混合物，其包含O. 03g的咖啡因(模板实体)、O. 54g的甲基丙烯酸(MMA)(官能单体)、5. 64g的こ烯こニ醇ニ甲基丙烯酸酯(EDMA)(交联单体)、O. Ig的DMPA (光引发剂)和Iml至20ml的氯仿(致孔剂)。然后允许单体混合物停留达至少48小吋。在此之后，在超声波浴中对混合物进行脱气达30分钟并随后用氮气冲洗达5分钟。由于单体混合物与模板混合物直接混合，所以不需要使用冲模基底(虽然这种方法也将起作用)。替代地，然后以3600rpm将两百微升的単体混合物旋涂到基底36上的金属层38上达I分钟的时段。在正在对单体混合物进行旋涂的同时，使用360nm下的UV照明来发起聚合过程。一旦已经形成聚合物层，则使用体积比4 I的甲醇和醋酸混合物来去除模板实体，用该混合物冲洗聚合物达24小吋。要从聚合物层冲洗掉模板实体所花费的时间取决于聚合物层的厚度。该层越薄，冲洗掉模板实体所花费的时间越少。例如，在本实施例中产生的聚合物层要求冲洗达10分钟的时段。去除模板实体的另一方法是通过用単独溶剂顺序冲洗，単独溶剂例如醋酸、こ腈、磷酸、甲醇、こ醇和四氢呋喃。聚合物的表面可以按要求具有用缓冲溶液或蒸馏水进行的最后冲洗。在本实施例中，分子压印聚合物与咖啡因内的的官能键合主要源自于MMA的羧基的氢原子与咖啡因的羰基的氧原子形成氢键。然而，其它静电力和疏水相互作用也可以有所贡献。实施例4在另ー实施例中，分子压印聚合物层是无机咖啡因压印聚合物。这是通过产生单体混合物而制成的，该单体混合物包括7. 2g水(溶剤)，具有添加的盐酸以确立pHl. 2、20. 8g TEOS (单体)和14. 4gこ醇(共溶剤)。将单体混合物与咖啡因混合并搅拌达24小时以允许反应发生。由于单体混合物与模板混合物直接混合，所以不需要使用冲模基底(虽然这种方法也将起作用)。替代地，将包括咖啡因模板实体的単体混合物的一部分旋涂到基底36上的金属层38上。然后在60°C下在密封烘箱中将聚合物干燥达24小吋。在干燥之后，允许聚合物在室温下停留至少12小时，使得其稳定。已经发现如果单体混合物是酸性的(pH 1-6)，则合成的聚合物的性能被增强。咖啡因到合成的聚合物的接受度已被发现随着増加的溶剂极性而降低。这被认为是因为极性添加剂能够与模板实体和単体混合物内的官能単体之间相互作用的氢键相干扰。一旦已经形成聚合物，则通过在こ醇中洗涤聚合物来对模板实体进行洗脱。替换地，可以在600°C下通过焙烧来去除模板实体。可以通过用乳酸对其进行洗涤来改善压印聚
合物的孔隙度(可以认为这可以使ニ氧化硅网络松开)。实施例5在另ー实施例中，分子压印聚合物层是对氧磷压印溶胶-凝胶。如下产生单体混合物:将相当于13. 5_1的3ml的TEOS (单体)、相当于I. 2_1的200 μ L的PTMOS (单体)与3ml的こ醇(共溶剤)混合直至清澈。然后添加100μ I的高浓度盐酸以便使混合物呈酸性。然后添加相当于O. 9mmol的200 μ I的APTES (单体)以及Iml的水(共溶剤)。在超声波浴中对混合物进行脱气达30分钟并随后用氮气冲洗达5分钟。然后，将2ml的単体混合物与相当于O. 02mmol的200 μ I的对氧磷的こ醇溶液混合。允许混合物停留达24小时。接下来，在4000rpm下将30 μ I的反应单体混合物旋涂到基底36上的金属层38上达20秒。这已被发现产生厚度534+/-6nm的聚合物膜。然后允许有涂层的基底在室温下干燥达24小吋。使用具有こ醇的索式抽提器从压印溶胶-凝胶提取对氧磷。实施例6可以按如下使用単体混合物来产生类似的对氧磷压印溶胶-凝胶将相当干20. 3mmol的三毫升TMOS(单体)与3ml的2-こ氧基こ醇(共溶剤)、相当于2. 2mmol的370 μ I的PTMOS (单体)和相当于O. 6mmol的420 μ I的TM0S-CTAC (单体)混合直至清澈。然后添加一毫升的O. IM盐酸和Iml的水(共溶剤)。然后在室温下搅拌该混合物达2小时并在超声波浴中进行脱气达30分钟，并且随后用氮气进行冲洗达5分钟。随后，将2ml的単体混合物与200 μ I的O. IM的对氧磷的こ醇溶液混合。随后，在4000rpm下在基底36上的金属层38上旋涂30 μ I的反应单体混合物达20秒。已经发现这产生具有534+/-6nm的厚度的聚合物膜。然后在室温下对有涂层的基底进行干燥达24小吋。再次地，用具有こ醇的索式抽提来从压印溶胶-凝胶提取对氧磷。已经发现TEOS基的溶胶-凝胶在酸性水解条件下比TMOS基的溶胶-凝胶更缓慢地水解。实施例7用于产生对氧磷压印溶胶-凝胶的另ー替换方法是使用由以下物质组成的単体混合物I O. I O. I 4 O. 003 4 的摩尔比的 TMOS PhTMOS APTES こ醇盐酸水。一旦已经添加了对氧磷的こ醇溶液，则能够在4000rpm下将反应単体混合物旋涂到基底36上的金属层38上达20-60秒。一旦溶胶-凝胶已被干燥，则能够在こ醇中提取模板对氧磷分子。替换地，可以通过在包含I. OM的氢氧化钾的50%体积的甲醇水溶液中洗涤达24小时来将其提取。实施例8在另ー实施例中，分子压印聚合物层是胆固醇压印有机聚合物。该方法与上文针对其它有机聚合物所解释的基本上相同。单体聚合物包括0. 387g的胆固醇(模板)、
O.682ml的甲基丙烯酸MMA (官能单体)、4. 72ml的EGDMA (交联单体)、O. 05g AIBN (热引发剂)或DMPA (UV引发剂)；以及7.5ml的氯仿(溶剤)。可以使用替换溶剂，例如こ醇、甲苯、庚烷或己烷。可以例如在达到60°C下进行胆固醇溶剂混合(这可以有助于保证胆固醇被完全溶解)。可以使用的替换官能単体包括4-こ烯基吡淀、苯こ烯和环式糊精。可以使用的替换交联单体包括こ基こ烯基苯、ニこ烯基苯、三羟甲基丙烷和三甲基丙烯酸酯。在聚合之后，去除氯仿并在室温下在真空烘箱中对聚合物进行干燥达12小吋。实施例9可以用以下単体混合物来制造胆固醇压印溶胶-凝胶在140°C下混合41. 7g的TEOS (相当于200mmol)和40. 8g的こ酸酐(相当于400mmol)达12小时，然后添加7. 73g的胆固醇(相当于20mmol)。将这些组分混合达2天的时间段并然后允许其在达60°C下固
定干燥。 实施例10替换地，可以用以下単体混合物来制造胆固醇压印溶胶-凝胶10. 4gTE0S (相当于50mmol)、50ml的THF、9ml的蒸馏水和作为催化剂的O. Olml的氨水溶液(25%按重量计)，然后是相当于5mmol的I. 93g的胆固醇。可以通过用I : I体积比的醋酸和四氢呋喃的混合物或4 I体积比的氯仿和醋酸的混合物洗涤聚合物来从无机胆固醇压印聚合物去除模板实体。可以用于模版去除的替换物质包括こ腈、四氢呋喃、甲醇、醋酸、丙酮和こ醇。再次參考图2，可以使用硅烷来有助于压印聚合物层34到金属层38的粘附。例如，可以使用3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯(MPS)来有助于金属到聚合物(或玻璃到聚合物)的粘附。例如こ烯基三甲氧基硅烷(VTS)的其它硅烷对合成的聚合物的抗腐蚀性质有帮助。应用硅烷的方法包括向适当的溶剂添加小部分，例如向按体积计95%乙醇和5%水混合物的混合物。然后可以将此混合物添加到单体混合物。另ー方法涉及额外生产步骤，其中，在金属层30的顶部上単独地提供硅烷层。然后在硅烷层的顶部上涂覆分子压印聚合物。一旦已经形成了分子压印聚合物，则可以将其用作传感层。图5示出分子压印聚合物50的腔体52用以接收并保留目标实体的方式。组合的腔体52和相应官能团46在本文中被称为接收位点54。目标实体56 (即将被传感的实体)配备在接收位点54内，并且另外具有官能团57，官能团57在官能团57的类型和相对定位方面与接收位点54的那些互ネト。不具有要求的形状和接收位点的组合的其它实体将不被接收和保留在腔体中(实体将通过腔体或将不进入腔体)。每个接收位点54都是相同的情况是不必要的。在用以形成接收位点54的过程中(參见图4a)，単体44将其本身随机地设置在模板实体42周围，仅仅由単体44的官能团与模板实体42上的相应官能团之间的相互作用来支配。同样地,腔体52的精确尺寸和形状以及形成特定接收位点54的相应官能团46的位置、取向和类型可以改变。为了接收位点54起作用从而以可保留的方式接收目标实体，期望的是腔体52大到足以接收目标实体56，并且接收位点54的官能团46的相对位置和类型与目标实体56的官能团57相对应。因此，可以在形成分子压印聚合物(和因此的接收位点54)时使用不同于目标实体56的模板实体42。然而，当这已完成吋，从而产生的接收位点应具有能够接收目标实体56的尺寸并具有能够与目标实体上的相应官能团57相互作用的相对定位和类型的官能团46。在ー个特定实施方式中，目标实体56是核糖核酸酶(也称为RNase)。然而，目标实体可以是任何所选生物分子。例如，目标实体可以是任何酶，包括碱性磷酸酶(ALP)。RNase和ALP两者是具有每摩尔超过500g的分子量的相对大的生物分子。然而，目标实体56可以是较小的分子(例如具有每摩尔小于500g的分子量)。类似分子的实例包括有机磷酸酯(例如对氧磷)和生物碱(例如咖啡因)。根据分子压印聚合物层的孔隙度，相对小的目标实体56可以足够小，使得其能够扩散到基质50内的接收位点54中。而相对大的目标实体可以过大而使得其不能扩散到基质50中。在目标实体56过大而使得其不能扩散到基质50中的情况下，目标实体56仍可以被基质50的表面上的分子压印接收位点接收。分子压印聚合物从而可以允许传感目标实体的存在。
分子压印聚合物可以形成光学传感器的一部分，例如上文相对于图I进ー步描述的。光学传感器可以例如形成用来产生非常纯的水(例如将在化学测定应用中使用)的浄化系统的一部分。可以例如将光学传感器配置为监测水中的污染物的存在，例如生物制剂(包括细菌)或其产生的内毒素。为了检测多种细菌，即使这些细菌不再是存活的，可以检测作为细菌的组成部分的实体。ー个此类实施例是RNase。RNase是被细菌用来催化核糖核酸或RNA到更小组分的水解。细菌在活着的同时隐藏RNase并在其分解时释放RNase。同样地，RNase的存在是关于活的细菌或已经死亡的细菌的存在的指示符。可以将光学传感器配置为检测水中的RNase的存在。再次參考图2，光学传感器的波导12包括在金属层38上提供的分子压印聚合物层34。波导12被定位干与流体31流过(箭头A所表示的流)的导管32进行流体连通。金属层38是在基底36上提供的。在导管32内的水31中存在RNase 56(该导管可以形成水净化系统的一部分)。随着水31和悬浮RNase 56流过导管,水和RNase可以流入分子压印聚合物层34 (经由层的多孔表面40)。分子压印聚合物层34包括多个接收位点54。随着RNase56穿过分子压印聚合物层34，RNase通过接收位点54。RNase的取向可以改变，并且RNase可以通过具有不同取向的许多接收位点54。RNase 56可以遇到具有被设置为使得与官能团相互作用并被保留在接收位点54内的取向和官能团46的接收位点。图3对应于图2，但示出已经接收并保留RNase 56的多个接收位点54。虽然图3中未示出，但RNase 56还可以被接收位点54接收和保留，其在分子压印聚合物层34的表面处。如果分子压印聚合物层没有多孔到足以允许RNase经由表面40进入层，则RNaes可能仅被在层34的表面40上的接收位点54接收和保留。通过分子压印聚合物层34进行的目标实体56的保留修改分子压印聚合物层的光学性质。这影响传播光用以穿过波导12的方式，从而允许修改将被测量的光的參数。例如，分子压印聚合物层34的折射率可以改变，其又可以修改检测器30所看到的光的強度(參见图I)。在一个实施例中，RNase56被接收位点54保留。这促使先前存在于接收位点54内的水移位。由于RNase 56的折射率不同于水的折射率，所以分子压印聚合物层34的折射率改变。这允许光学地检测分子压印聚合物层34中的RNase 56的存在。
为了光学地检测传感层34中的目标实体(例如RNase)的存在，使用图I所示的设备将光指引到波导12中。光在波导12处被以特定入射角B (參见图2)指引，使得其通过金属层38耦合到分子压印聚合物层34中以激发波导12内的导模(即被耦合到导模中)。可以将提供到导模中的耦合的入射角B称为谐振入射角。导模在分子压印聚合物层34内位于中心。导模是漏摸，因此ー些光耦合到导模之夕卜。光被以出射角C耦合到导模之外，出射角C等于谐振入射角B。如果分子压印聚合物层34的折射率改变，光耦合到导模的谐振入射角B的值(和因此的出射角C的值)将改变。未被耦合到漏导模的入射在波导12上的光可能被从波导12反射。当光被以谐振入射角B耦合到导模中井随后再次被耦合到外面时，其经历相移。金属层38用于将此相移转换成强度变化。这允许使用強度检测器来检测到波导中的谐振耦合的存在。
金属层38具有相当大地高于聚合物层34的折射率的折射率。与聚合物层34相比，金属层38的此更高折射率引起在聚合物层34内行进的光被从聚合物层与金属层之间的边界反射回来。因此，在聚合物层34内行进的光在其被耦合到聚合物层之外之前将在聚合物层内进一歩行迸。増加金属层38与聚合物层34之间的折射率差的尺寸将增加聚合物层与金属层之间的边界的反射率。增加聚合物层与金属层之间的边界的反射率将引起光在其被耦合到聚合物层34之外之前在聚合物层内进ー步行进。这又增加光与聚合物层34之间的相互作用，从而增加波导对聚合物层的光学性质变化的敏感度。金属层38的大部分折射率由折射率的复数分量引起。因此，金属层38吸收被指引到波导12的光(比聚合物层34具有更大的吸收性)。金属层提供有足够小的厚度，使得被指引到波导12处的光的相当一部分能够通过金属层38并耦合到聚合物层34中(并且还通过金属层返回)。虽然图2和3所示的波导具有金属层，但可以使用任何适当的材料层来代替金属层38。所使用的材料应具有比聚合物层34更高的折射率。材料层应足够薄，使得其允许被指引到波导12处的光的相当一部分进入聚合物层34。适当材料的实例包括染料和碳纳米管(除金属之外)。金属趋向于在大的波长范围内具有高折射率，而染料趋向于针对相当窄的波长范围具有高折射率。因此，可以在与比具有染料层的波导更宽的波长范围内的光相结合中使用具有金属层的波导。在替换设置中，在波导中不存在金属层38。在如此的情况下，可以例如通过使位于波导与检测器30之间的第二起偏振器28来检测相移。第二起偏振器28可以相对于第一起偏振器22 (位于光源16与波导12之间)相交叉，使得其仅透射已经历相位变化的光。这允许使用強度检测器来检测到波导中的谐振耦合的存在。可以替换地使用其它手段来检测相移，例如干涉仪，例如迈克尔森干涉仪或马赫-曾德耳干涉仪。如果使用以谐振入射角B入射的光在波导12中激发漏导模，则这将被视为在该角C处检测的光強度的峰值(或者在一些情况下为下沉)。如果在波导12中存在金属层38，则金属层的折射率(除其它的之外)可以确定是看到峰值还是看到下沉。图6至8是示出取决于金属层38的折射率的波导12的反射率的不同方案的图表。使用模拟生成的图表示出作为入射角B (在这里用O来表示)的函数的波导12的反射率(R)。其它变量保持恒定，包括金属和传感层两者的厚度以及传感层的折射率。图6示出具有小于约O. 7的折射率的实数分量的金属层38 (例如金)的入射角与反射率之间的关系。图7示出具有在约O. 7与约I. 4之间的折射率的实数分量的金属层38 (例如铝)的入射角与反射率之间的关系。图8示出具有大于约I. 5的折射率的实数分量的金属层38(例如钛)的入射角与反射率之间的关系。图6至8所示的图表的峰值和凹点指示波导12的谐振入射角B，因为在峰值或凹点与谐振入射角B之间存在固定关系。如从图表可以看到的，在一些情况下，可能更容易检测反射強度的峰值，并且在其它实例中，可能更容易检测反射強度的下沉。在本说明中，描述了反射強度的峰值的检測。然而，可以等效地进行反射強度的下沉的检測。光耦合到漏导模中的谐振入射角B取决于传感层34的光学性质，并特别地取决于传感层的折射率。參考图3，目标实体56 (例如RNase)具有比水31高的折射率。因此，当 RNase使接收位点54中的水移位吋，传感层34的折射率増加。折射率的此增加改变在波导12中可以激发漏导模的谐振入射角B(并相应地改变从导模耦合光的角C)。这意味着可以用在波导中激发漏导模所需的谐振入射角B的变化来指示水31 (或其它流体)中的RNase(或其它目标实体)的存在。可以通过在一定角度范围内在波导12处指引光并测量在一定角度范围内从波导输出的光来看到谐振入射角B的变化。替换地，其可以通过以谐振入射角将光指引到波导12中并监测从波导输出的光(从波导耦合出来的光或从波导的末端透射的光)而看到。在使用这种方法的情况下，传感层34的折射率的变化将減少被耦合到导模中的光的量，因为光用以指向波导的角度将不再是谐振角。这将被视为从波导反射的光的強度的变化(或从波导的末端透射的光的强度的变化)。图9是示出从体现本发明的波导看到反射強度的峰值的角度的移动的图表。根据检测器的像素来測量反射強度的峰值的移动。针对已经以不同的浓度溶解在こ醇中的咖啡因内的样本来測量峰值的移动。图9中的无阴影圆盘是用具有被用咖啡因分子压印的聚合物层的波导(依照以上实施例3所产生的)获得的結果。图9中的阴影圆盘是用具有未被分子压印的聚合物层(在本文中称为非压印聚合物(NIP))的波导获得的結果。具有NIP的波导是依照以上实施例3所产生的，但是在聚合之前在単体混合物中不包括咖啡因。该结果是通过使用图I所示的设备将光指引到每个波导中获得的。光以一定范围内的入射角指向波导。所使用的检测器30是C⑶阵列。通过测量C⑶阵列内的像素的位置移位来測量波导模的谐振入射角的变化，所述CCD阵列测量最大入射光強度(此像素在下文中称为峰值像素)。相对于当在こ醇中不存在咖啡因时看到的峰值像素的位置来測量峰值像素的位置的移位。使用具有NIP聚合物层的波导来测量峰值像素的位置。在測量峰值像素的位置之前，使波导的NIP聚合物层34暴露于不同浓度的溶解在こ醇中的一组咖啡因溶液中达10分钟的时段。所使用的咖啡因的浓度是10_6M、10_5M、10_4M、10_3M和10_2M。由于在NIP聚合物层内不存在用于咖啡因的接收位点54，所以不应看到聚合物层的折射率的变化(且因此没有谐振入射角的变化)。将针对具有被暴露于咖啡因溶液的每个浓度的NIP聚合物层的波导测量的峰值像素的位置与在こ醇中不存在咖啡因时测量的峰值像素位置相比较。
使用依照本发明的实施方式的具有咖啡因敏感分子压印聚合物层34的波导来测量峰值像素的位置。再次地，在測量峰值像素的位置之前，使聚合物层34暴露于具有不同的浓度的溶解在こ醇中的一组咖啡因溶液中的ー个达10分钟。再次地，所使用的咖啡因的浓度是10_6M、10_5M、10_4M、10_3M和10_2M。由于使用咖啡因作为模板实体来制作分子压印聚合物层，所以咖啡因是用于聚合物层34的目标实体。在这种情况下，可以相信的是10分钟是足以用于大量的咖啡因分子与接收位点54结合的时间。在其它情况下，可以使用其它暴露时间(例如达到24小吋)。被接收位点54接收的咖啡因分子改变聚合物层34的折射率并因此改变光被耦合到波导12的谐振入射角B。如从图9的无阴影圆盘可以看到的，峰值像素的測量位置随着咖啡因溶液的浓度的増加而增加。图10示出作为咖啡因溶液的浓度的函数的用于具有咖啡因敏感分子压印聚合物层的波导的像素峰值的位置与具有NIP聚合物层的波导的像素峰值的位置之间的差。将点接合的线是使用3參数S形拟合生成的最佳拟合线。图10的图表显示具有分子压印聚合物层的波导在其被以约5X 10_4M的浓度暴露于咖啡因目标实体且达到10分钟的时段以上的情况下显示出峰值像素的可測量移动。可以相信的是还可以通过使聚合物层34暴露于 较小浓度的咖啡因但是长达于10分钟的时间段来实现峰值像素的可測量移动。根据本发明的传感器可以用作浄化系统的一部分。例如，在水的情况下，如果在水中检测到RNase (或其它目标实体)，则知道水被污染了。在这种情况下，将水处理掉，井清洁用来浄化水的浄化系统以便去除污染。应注意的是可以使用传感器作为净化任何所选液体的浄化系统的一部分。由于要传感的实体的存在而引起的聚合物层34的折射率的变化源自于通过具有不同折射率的目标实体进行的液体的从接收位点54的移位，该液体具有特定折射率。在所述实施方式中，液体是水，并且目标实体具有大于水的折射率。同样地，当水通过目标实体而移位时，聚合物层34的折射率増加。然而，如果液体将具有比目标实体更大的折射率，则目标实体将在其被接收在接收位点54中时引起聚合物层34的折射率的减小。可以以与聚合物34的折射率的増加的检测类似的方式来检测聚合物层34的折射率的减小的检测。使用光学传感器来检测水浄化系统内的污染物提供两个益处。首先，不限于检测特定类型的细菌，而是能够替代地检测大范围的细菌(因为光学传感器传感污染物存在和/或分解的产物)。同样地，不仅能够检测大范围的细菌，而且如果其最近已不再是活的，也能够对其进行检測。其次，不同于当前存在的用于RNase的许多测试，RNase不必是活的以使其能够被检測。当前测试依赖于使用RNase在反应内的活力以便显示其存在。然而，本发明的实施方式不要求RNase是活的，因为所需要的仅仅是官能团的形状和相对取向以便将RNase接收在接收位点54中并因此进行检测。同样地，能够如活的RNase —样检测已变性的RNase。这具有优点，即能够在大范围的环境中检测RNase，例如在一定的温度和pH值范围内。还可以在多种溶剂类型中检测RNase。这消除了对例如缓冲剂的附加试剂的需要，并使得能够在水中进行RNase的检测。在检测RNase时对试剂和特殊环境条件的要求的不存在提供传感器10能够形成连续检测体系的一部分的附加益处。在连续检测体系中，传感器10在导管32内通信，流体(例如水)连续地流过导管32。检测器提供实时地指示流体中的目标实体的存在(或其它)的连续输出信号。
目标实体56与分子压印接收位点54之间的相互作用的強度可以是高的。因此，在一些情况下，一旦目标实体56被保持在接收位点54中，可能不可能将其去除。在这种情况下，光学传感器10或至少其波导12部分将是一次性使用设备且一旦已检测到污染，则可以进行替换。在一些情况下，可能可以使用与用来在分子压印过程期间去除模板实体42的类似的过程来去除目标实体56。在这已完成的情况下，可以再使用光学传感器10。用于去除目标实体的过程可以包括防止包含目标实体的流体流过传感器10，并且随后使替换流体流过传感器10。替换流体包含适合于从接收位点54去除结合的目标实体56的试剂。一旦目标实体被去除，则停止替换流体的流动。然后重新开始传感器10的正常操作。图11和12示意性地示出可以用以构造波导12的两个替换方式。在图11中，波导12包括金属层38、分子压印聚合物层34和导管32，流体31可以流过导管32 (在使用中，导管包含水或某个其它流体)。导管32可以采取可以被以液密方式附着于分子压印聚 合物层34的流路池(flow cell)(未示出)的形式。导模59在分子压印聚合物层34上居于中心，其具有比导管31中的流体高的折射率。在图12中，波导12包括金属层38、波导层58、分子压印聚合物层34和导管32。波导层58位于金属层38与分子压印聚合物层34之间，并具有比分子压印聚合物层高的折射率。导模在波导层58上居于中心，并且导模的倏逝成分延伸到分子压印聚合物层中。图11和12所示的替换波导构造以类似方式起作用。其之间的差别是图11所示的波导的灵敏度高于图12所示的波导的灵敏度，因为更多的光传递至分子压印聚合物层34中。換言之，在图11所示的实施方式中，由于分子压印聚合物层34与波导层58是同一个，所以分子压印聚合物层34与入射光之间的相互作用更强，导致对目标实体的更大灵敏度。如先前所讨论的，形成依照本发明的光学传感器的部分的波导的谐振入射角取决于分子压印聚合物层的折射率。其它因素也可以影响谐振入射角。图13和14是示出三个不同波导的响应的图表。特别地，图13和14示出作为用于三个波导的入射角的函数的測量辐射强度的图表。这些图表所示的结果是通过使用图I所示的设备将光指引到每个波导中获得的。光在一定入射角范围内指向每个波导。在这种情况下，所使用的光源是激光且用检测器来以任意单位测量光的強度。每个波导具有分子压印层，其是根据在以上实施例4中详述的方法实现的咖啡因压印溶胶-凝胶层。除了每个是通过以不同的速度和/或在不同的时间段内将分子压印聚合物层旋涂到金属层上形成的之外，每个波导是相同的。在不同条件(例如不同的自旋速度和/或在不同的时间段内)下旋涂分子压印聚合物可以影响形成的分子压印层的厚度和/或所形成的分子压印聚合物层的表面上的任何表面缺陷的程度和/或严重性。其它变量保持恒定，包括金属层的厚度。在图13内，线80、81和82示出已通过旋涂分子压印聚合物层分别达8000rpm下30秒、7000rpm下20秒和7000rpm下30秒来制造的三个单独波导的响应。波导的响应被示为外部耦合角的函数。參考图1，外部耦合角是波导12的标准表面与来自光源16的输入光入射在棱镜14上的方向之间的角。在图14内，线83、84和85示出与如在图13中相同的波导的响应，其中，波导是通过旋涂分子压印聚合物层分别达8000rpm下30秒、7000rpm下20秒和7000rpm下30秒来制造的。波导的响应被示为内部耦合角的函数。參考图1，内部耦合角是波导12的标准表面与来自管管16的输入光随着其朝着波导12行进而通过棱镜14的方向之间的角。图13和14显示波导的谐振入射角(其与图表内的每个峰值的位置有夫)受到用来旋涂分子压印聚合物层的条件的影响。特别地，图表显示具有被旋涂达较短时间(20秒)的分子压印聚合物层的波导具有比用于被旋涂达较长时间(30秒)的波导的谐振入射角小约2度的谐振入射角。图13和14的图表还显示从具有被旋涂达较短时间(20秒)的分子压印聚合物层的波导输出的光的测量强度小于从具有被旋涂达较长时间(30秒)的压印分子聚合物层的波导输出的光的测量强度。被旋涂达相对长时间的波导的更大谐振入射角和更大光输出强度可以源自于这样的事实，即增加旋涂时间降低形成的分子压印聚合物层的表面上的任何表面缺陷的程度和/或严重性。通过降低任何表面缺陷的程度和/或严重性，这将导致分子压印聚合物层的表面更平。通过使分子压印聚合物层的表面更平，这可以減少被表面散射的入射在分子 压印聚合物层的表面上的光的量。増加旋涂时间还可以减小形成的分子压印聚合物层的厚度。图15和16是示出四个不同条件下的波导的响应的图表。特别地，该图表示出作为用于四个不同条件下的波导的入射角的函数的測量辐射强度。该结果是通过使用图I所示的设备将光指引到每个波导中获得的。光在一定入射角范围内指向每个波导。在这种情况下，所使用的光源是激光且用检测器来以任意单位测量光的強度。用来获得图15和16所示的结果的波导具有分子压印层，其为根据在以上实施例4中详述的方法实现的咖啡因压印溶胶-凝胶层。用以测量波导的响应的第一条件是当在已经产生波导之后已用水洗涤波导的分子压印聚合物层时。用以测量波导的响应的第二条件是当已经用水和随后的こ醇洗涤分子压印聚合物层时。用以测量波导的响应的第三条件是已经用水、随后是こ醇来洗涤分子压印聚合物层并随后使其暴露于咖啡因溶液达I分钟的时段。用以测量波导的响应的第四条件是已经用水、随后是こ醇来洗涤分子压印聚合物层并随后使其暴露于咖啡因溶液达5分钟的时段。在图15和16内，线86和90示出第一条件下的波导的响应；线87和91示出第二条件下的波导的响应；线88和92示出第三条件下的波导的响应且线89和93示出第四条件下的波导的响应。图15所示的不同条件下的波导的响应被示为外部耦合角的函数。參考图1，外部率禹合角是波导12的标准表面与来自光源16的输入光入射在棱镜14上的方向之间的角。图16所示的不同条件下的波导的响应被示为内部耦合角的函数。參考图1，内部耦合角是波导12的标准表面与来自光源16的输入光通过棱镜14的方向之间的角。与其中已仅用水或分别用水和こ醇来洗涤分子压印层的波导的条件的相比，图15和16显示波导的谐振入射角(其与图表内的每个峰值的位置有夫)对于其中分子压印聚合物层已被暴露于咖啡因的波导的两个条件(第三和第四条件)而言是更大的。特别地，具有已被暴露于咖啡因的分子压印聚合物层的波导的条件(第三和第四条件)具有比其中已仅用水(第一条件)或分别用水和こ醇(第二条件)来洗涤分子压印聚合物层的那些大了约O. 5度的谐振入射角。如先前所讨论的，这是因为咖啡因与分子压印聚合物层的接收位点结合并从而増加分子压印聚合物层的折射率。此外，可以看到波导的谐振入射角对于波导的第四条件(其与线89和93中的每ー个的峰值的位置有夫)而言比其对于波导的第三条件(其与线88和92的每个峰值的位置有关)而言更大。可以认为这是因为第四条件下的波导被暴露于目标实体(咖啡因)溶液比第三条件下的波导更长的时间。因此，与第三条件下的波导相比，存在用于目标实体(咖啡因)与第四条件下的波导的接收位点结合的更大机会。为此，与第三条件下的波导相比，更多的目标实体(咖啡因)可以与第四条件下的波导结合，因此将第四条件下的波导的折射率増加至比第三条件下的波导更大的程度。在以上描述中，已经使用光到漏导模中的谐振耦合来提供传感层的折射率的变化的检测。在替换设置中，可以使用表面等离子体谐振来检测折射率变化。表面等离子体是沿着金属与电介质之间的界面传播的电磁波。由于电磁波在金属和电介质的边界上，其对此边界处的任何变化非常敏感。可以构造其中分子压印聚合物层位于金属层上的波导，并且使用表面等离子体谐振来检测分子压印聚合物层的光学性质的变化。
可以使用其它光学检测机制来检测分子压印聚合物层的折射率(或其它光学性质)的变化。提供漏导模的波导允许与被用于表面等离子体谐振的那些相比使用具有相对低的折射率的材料来形成分子压印聚合物层34或波导层58。这可以使得更容易使用多种材料，包括例如聚合物、溶胶-凝胶或水凝胶。使用漏导模的另ー优点是由于在传感层34与流体31的折射率之间存在相对小的差，所以漏模被激发的谐振角是相对鋭角的。术语‘相对锐角’意图意指比在使用表面等离子体谐振作为检测机制的情况下将实现的更加成鋭角。表面等离子体谐振传感器可能难以使用，因为其利用非常薄的金属层，其厚度不能被容易地选择。与入射光落在表面等离子体谐振传感器上的角相组合的金属层厚度确定与分子压印聚合物层相交互的表面模的倏逝波分量的穿透深度。改变入射光的角通常允许将倏逝波的穿透深度从几微米调至几十纳米。由于不能容易地改变金属层厚度，所以不能容易地选择倏逝波的穿透深度和因此的检测深度的范围。与此相反，当使用漏导模时，控制倏逝光的穿透的主要是波导层的厚度。由干与表面等离子体谐振中的金属层相比，分子压印聚合物层34是相对厚的，所以能够更容易地控制其厚度和因此的在波导层之上的倏逝波穿透深度。通常，漏波导的波导层的厚度比在表面等离子体谐振构造中使用的金属层厚了约十倍。倏逝波的穿透的控制的元件在使用例如图12所示的构造时是有用的，因为其允许控制光到分子压印聚合物层中的穿透度。当測量分子压印聚合物层的折射率变化时，厚波导层的使用是特别有利的(在这种情况下，波导层和分子压印聚合物层是同一个)。这是由于这样的事实，即，通常，波导层的厚度越大，波导层能够载送的模的阶越高。在波导层内能够载送的模的阶越高，保持在波导层内的入射在波导上的光的比例越大且因此传感器对波导层的折射率变化的灵敏度越大。在表面等离子体谐振的情况下，指向传感器的光是横向磁(TM)偏振光。已知漏模波导的缺点是在一些情况下要求检测光学装置来检测从波导返回的光的強度的下沉并遵循该下沉的角移动。光的不存在固有地比光強度的峰值更加难以检測。因此在漏波导模被激发时使用金属层38来提供光強度的峰值可能是有利的。
可以将波导的尺寸选择为使得其激发多种数目的模。可以将波导的尺寸选择为从而确定倏逝波的穿透深度。用于波导的适当尺寸的选择可以取决于所使用的光的波长。可以使用基本上为单色的光源16。单色光源的实施例包括LASERs和RCLEDs (谐振腔发光二极管)。虽然在以上描述中已经给出波导结构的特定实施例，但可以使用其它适当的波导结构。虽然以上描述指的是RNase的检测，但在水中，可以使用其它目标实体。目标实体可以在除水之外的流体中。虽然分子压印聚合物层被定义为是多孔的，但可以使用无孔分子压印聚合物层。在这已完成的情况下，将仅在分子压印聚合物层的上表面处接收目标实体，并且合成的信号因此将不如由本发明的所示实施方式提供的那么強。是否可以将分子压印聚合物层视为是多孔的取决于目标实体是否能够通过分子压印聚合物层扩散。在确定情况是否如此时有关的ー个因素是腔体52和目标实体的相对尺寸。通常，如果腔体52在尺寸方面处于相同的阶或比目标实体大，则分子压印聚合物层很可能是多孔的。如果分子压印聚合物层不是多孔的，则由分子压印聚合物层进行的目标实体的任何俘获将在分子压印聚合物层的表面处发生。在这种情况下，可能期望具有波导(分子压印聚合物层)层，其具有仅能够载送单模的厚度。这将使入射在波导上的光的倏逝分量最大化并因此增加传感器对在波导层的边缘处或外面的目标实体的灵敏度。 虽然本发明的所述实施方式涉及具有分子压印聚合物层的波导，但本发明可以替换地包括已被分子压印的非聚合物层。
权利要求
1.ー种光学传感器，该光学传感器包括具有传感层的波导，所述传感层被分子压印，使得所述传感层接收并保留将被传感的目标实体，所述光学传感器还包括检测设备，所述检测设备被设置为检测当所述传感层接收并保留所述目标实体时发生的所述波导的光学性质的变化。
2.如权利要求I所述的光学传感器，其中，所述传感层包括具有适合于接收所述目标实体的形状的接收位点。
3.如权利要求I或权利要求2所述的光学传感器，其中，所述传感层包括具有与所述目标实体的官能团互补的官能团的接收位点。
4.如前述权利要求中任意一项所述的光学传感器，其中，所述传感层是多孔的。
5.如前述权利要求中任意一项所述的光学传感器，其中，其中检测到变化的光学性质是折射率。
6.如前述权利要求中任意一项所述的光学传感器，其中，所述目标实体是核糖核酸酶。
7.如前述权利要求中任意一项所述的光学传感器，其中，所述目标实体是非活性的。
8.如前述权利要求中任意一项所述的光学传感器，其中，所述波导是漏模波导。
9.如前述权利要求中任意一项所述的光学传感器，其中，所述波导包括具有比所述传感层的折射率高的折射率的材料层。
10.如权利要求9所述的光学传感器，其中，所述材料层是金属层。
11.如前述权利要求中任意一项所述的光学传感器，其中，所述传感层是聚合物层。
12.如前述权利要求中任意一项所述的光学传感器，其中，所述传感器形成作为净化系统的部分的污染检测器的部分。
13.ー种使用光学传感器的光学传感的方法，所述光学传感器包括具有传感层的波导，所述传感层被分子压印，使得所述传感层将接收并保留目标实体，所述方法包括 将传感器的一部分定位于流体流动路径中，该流体流动从而接触所述传感层的至少ー个表面； 将光耦合进所述波导的导模中，使得所述传感层接收所述光中的至少一些；以及 监测从所述波导输出的光的性质，该性质在分子压印层接收并保留目标实体的情况下改变。
14.如权利要求13所述的光学传感的方法，其中，所述传感层相对于流动流体而言是多孔的，从而允许流体扩散到所述传感层中。
15.如权利要求13或权利要求14所述的光学传感的方法，其中，所述传感层包括具有适合于接收所述目标实体的形状的接收位点。
16.如权利要求13至15中任意一项所述的光学传感器，其中，所述传感层包括具有与所述目标实体的官能团互补的官能团的接收位点。
17.如权利要求13至16中任意一项所述的光学传感的方法，其中，被监测的输出光的性质是光的強度和/或光从所述波导输出的角度。
18.如权利要求13至17中任意一项所述的光学传感的方法，其中，将被传感的实体是核糖核酸酶。
19.如权利要求13至18中任意一项所述的光学传感的方法，其中，所述核糖核酸酶是非活性的。
20.如权利要求17至19中任意一项所述的光学传感的方法，其中，所述流体是水。
21.如权利要求17至20中任意一项所述的光学传感的方法，其中，将被传感的实体是污染物或污染物的产物。
全文摘要
一种光学传感器，该光学传感器包括具有传感层的波导，所述传感层被分子压印，使得所述传感层接收并保留将被传感的目标实体，所述光学传感器还包括被检测设备，所述检测设备被设置为检测当所述传感层接收并保留所述目标实体时发生的所述波导的光学性质的变化。
文档编号G01N33/543GK102687016SQ201080051302
公开日2012年9月19日 申请日期2010年11月10日 优先权日2009年11月11日
发明者N·J·戈达德, P·泰勒 申请人:Emd密理博公司