[发明专利]微型化的集成微机电系统(MEMS)光学传感器阵列

说明书

本申请要求美国临时专利申请于2010年11月1日提交的序号61/409,111和于2011年1月7日提交的序号61/430,871的权益，其两者都完全地通过引用整体地结合在本文中。

技术领域

本发明涉及一种包括微机电系统(还被称作“MEMS”)的微型化的集成微机电系统光学传感器阵列(MIMOSA)，并且更优选地涉及使用移动机械表面的传感器阵列，以及最优选地涉及无标记生物传感。

背景技术

在传感区域，振动机械结构例如微悬臂阵列发现基于优点的各种应用，所述优点诸如由于微型化而导致的较低检测极限、悬臂的形状优化的能力、选择性地将功能化区放置在这些悬臂(还被互换地称作“微悬臂”)上的能力、以及工作在能够与光学器件和电子器件集成的大阵列上的可能性。

这些当前已知类型的传感器的缺点中的一些是：它们需要电连接(还被称作电导体)以将传感器耦合到检测器、有限的光检测选项、对于液相检测或气相检测的局限性、使用脆弱读出部件(例如，多普勒振动计)的传感器、由于偏转的监测而可能会受到折射率变化影响的读出、针对环境噪声没有免疫性的传感器、以及在传感期间加热悬臂/样本的无能。进一步地，人们认为对并行传感的当前替代方案仅限于实验室使用。因此期望具有现场可用的、无标记示教器，所述示教器由于缺少包括可以在阵列设置中利用的合适读出机制、将在搁置寿命期间保护官能化表面的封装的各种部件而缺失，这通常需要处理流体和将允许处理特定部件而其他的保持用于下一次使用(例如，包含MEMS传感器阵列的一次性盒)的集成方法。

这个发明的一个目的是使得能实现具有被微型化的、高度选择性的、高度灵敏的、并行的、无标记的和/或便携的传感器阵列的MEMS传感器阵列。这样的传感器阵列将给用于即时诊断和化学传感的有价值工具提供单分析物或多分析物筛选和数据处理的能力。这些传感器阵列的另一个目的是提高灵敏度和特异性以可能地提高早期诊断的似然性以及诸如剂量建议之类的治疗辅助的适用性。设想这个可能导致提高的医患互动和个性化指导的效率。人们认为满足并行、无标记以及高度选择性传感需求的此类系统现今不存在，因为出于包括以下各项的各种原因微系统技术和读出方法不能够满足期望：与官能表面相关联的健壮性问题并且缺少真正集成的、阵列相容的读出技术。替换地，人们认为微阵列技术能够提供并行和选择性检测，但不是现场可用的，因为它们需要专门技能来运行和维护并且由于复杂标记和传感方法而需要昂贵的基础设施。虽然诸如怀孕测试工具或葡萄糖传感器之类的许多现场应用存在，但是这些应用限于一种物种并且缺少并行检测能力。

传感器阵列平台是高度创新的和通用的并且已受到新颖用途的鼓舞。例如，对于即时诊断应用设想了基于微系统的并行传感器阵列(2至64个通道或更多)能够用于各种物种以便悬臂的阵列的共振频率方面的偏移将被作为质量累积的指示来监测。在这个示例中，频率偏移的检测将通过新颖集成光电芯片来执行。目标是在0.1至1000 ng/ml的范围内具有好于25%重复性的灵敏度。

此外，这个发明的可能用途包括根据体液(例如，血液、血清、尿或唾液)的疾病的液相检测、作为用作空气污染物检测器空中传播疾病诊断工具的人工鼻传感器的气相检测、战争病原体检测器以及炸药跟踪检测器。设想人们能够使用该装置来检测被以低蒸汽压来表征并且因此难以检测的物质；例如，为了标别爆炸痕迹，可能地在潜在的灵敏度情况下能够传感大约毫微微克的质量。进一步细化，诸如预浓缩器提高蒸发压，可以被提出以进一步提高灵敏度。本发明的另一新颖方面是不仅通过材料的简单吸附签名而且通过能够允许以较高精度来标识物质或混合物的组分的吸附/解吸等温线来标识材料。此外，人们认为在含水介质中，本发明将允许大量分析物(例如，蛋白质、病原体以及DNA链)的并行、快速、实时监测而无需进行标记，并且因此，对于药物发现过程中的目标筛选或者作为对当前DNA和蛋白质微阵列芯片的有前途的替代方案是理想的。使用这样的无标记装置可以减少准备阶段的数目并且缩短诊断时间。提出了人们能够调查DNA序列，成功的结果将为平行人类DNA中的各种变异(例如，镰状细胞性贫血、地中海贫血)的阳性检测。

这个发明使用包括集成光子学、VLSI以及微米/纳米系统技术的多个学科来开发具有突破性能的通用传感器阵列而演示了健壮的、微型化封装(生物/化学)试剂的高度并行的无标记检测。