[发明专利]探测短暂受激发光的方法

说明书

本发明涉及采用基于波导的平面介电光学传感器平台探测短暂受激发光的方法。还涉及所述方法在定性亲和性测试(affinity sensing)中的应用，以及用于选择性定量测定光学混浊液中的发光成分。

在光波被耦合进入由光学薄介质外围的平面波导内时，光由于全反射而在波导层的界面内传导。平面波导最简单情况下由三层系统组成：基底，导波层和上层(例如测试样品)，波导层具有最高的折射率。中间层还可以进一步提高平台波导的导波性。

一部分光能穿过光学薄介质层，这部分光能称作为短暂(即渐消)场。短暂场的强度强烈地取决于波导层本身的厚度、它的折射率和外围介质的折射率之比。在薄波导情况下，即层厚度等于或小于传导的波长，这对于区分传导的光各个模量是可能的。利用短暂场，可以不仅在薄光学介质中激励发光，而且可直接在邻近于传导的光波激励发光。其原理称作为短暂发光激励。

短暂发光激励在分析领域中是非常有意义的，因为这种激励限于在波导层内直接进行。

已知许多探测用发光染料标记的抗体或抗原的短暂受激发光的方法和装置。他们已在US-A-4582809中有过介绍。所要求保护的装置使用一种光纤，并对短暂激励发光进行端面耦合。这种光纤典型的最大直径为1毫米，在用激光耦合其内时可以传导许多模。可以用简单的方式使部分光反向导入光纤来测量短暂的受激发光。这种装置的尺寸非常大，并且还要求相当大的试样体积，这些都是缺点。实际上，装置其尺寸不可能减小，或者甚至小型化成为集成光学传感器。灵敏度的增加通常相随着装置尺寸的增加。

在短暂激励条件下用平面光波导探测生物传感器的发光的光测仪已有类似的公开，尤其是在WO90/06503中所述的。其中所用的波导层其厚度为160-1000nm，但是不用耦合光栅把光耦合成为激励波。

已经有过各种设想来增强短暂受激发光的灵敏度，以及制取集成的光学传感器。例如，Biosensors and Bioelectronis 6(1991)，595-607中报导过平面单模或低模波导，它的制造是采用二步离子交换方法进行，其中，采用棱镜来实现使光耦合成为激励波。所使用的亲合系统是人类免疫球蛋白G/荧光素标记的蛋白质A，抗体固定在波导上，欲探测的在磷酸盐缓冲液中的荧光素标记的蛋白质A加到聚乙烯醇薄膜中，并在波导测量区涂覆了该薄膜。该方法的主要缺点是，波导层和基底层之间只有很小的折射率差可以获取，从而导致相当低的灵敏度。

在荧光素异硫氰酸酯键合到蛋白质A中时灵敏度是20nm。这对探测微量物仍旧是不满足需要的，必需进一步增加灵敏度。另外，基于耦合系数对棱镜和波导接触面的大小和质量的相当程度的依赖性，利用棱镜将光耦合成激励波的再现性和实际能力似乎存在困难。

在US-A-5081012中提出其它的原理。平面波导层具有厚度为200nm-1000nm，含有二个光栅结构，其一设计为反射光栅，使耦合进入波导的光必须横过光栅结构间的传感区至少二次。采用这种方式来提高所述的灵敏度。一个缺点是反射辐射可能引起背景辐射强度的不希望的增加。

在平面波导的加工中，基底的平面结构、恒定厚度和均质的波导层、所用材料的折射率是十分重要的。对此，在EP-A-0533074中已有描述，文中建议将无机波导应用于塑料基底上。这种加工步骤其优点是，例如可以用对塑料的蚀刻光栅结构来实现经济实用的耦合光栅的结构。然而，另一方面是对塑料基底的光学质量具有高度的要求。

平面波导为大规模基于光纤的波导的生产提供相当大的优点，实际上，为了取得好的光学质量，提供精抛光的纤维端截面是必须的。然而，平面波导可以加工成大尺寸，然后打孔，切断成所需要的大小。提供具有精抛光的边缘在大多数情况下是不需要的，于是使大规模生产更加经济。

具有耦合光栅的平面波导的其它优点是，在测量装置或设备中使用时标定简单，以及容易涂层，例如用于固定被分析物的涂层。对此目的，可以使用标准的涂层工艺方法，可以制取具有重现恒定层厚度的涂层。这种方法的典型例子是喷涂，刮涂，旋涂或浸涂。同样也可用公知的非常精确的方法实施质量控制。适用的方法包括显微或干涉方法，椭球测量法或接触角测量法。对于弯曲的表面，其出现在基于光纤的波导内，上述方法是不实用的，或者说，使用起来有困难。