專利名稱：傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，特別地，涉及一種應(yīng)用經(jīng)涂覆的換能器以提供改進(jìn)的靈 敏性和再現(xiàn)性的傳感器。
背景技術(shù)：
溶液中分析物，例如在生物測(cè)定例如免疫測(cè)定中的生物學(xué)上重要的化合物的監(jiān)控 具有廣泛適用性。免疫測(cè)定是一種測(cè)量生物學(xué)流體中分析物的存在，或者更通常是分析物 的濃度的試驗(yàn)。它典型地包括將抗原特異性結(jié)合到抗體上。抗體可以是多克隆的或單克隆 的，單克隆抗體具有多種益處，包括制備的再現(xiàn)性以及結(jié)合到分析物的一個(gè)抗原決定基上 的包容性。為了提供分析物濃度的可定量測(cè)量，將響應(yīng)與已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比較?？?體或者抗原的濃度可通過多種方法確定，盡管最常用的方法之一是對(duì)抗原或者抗體進(jìn)行標(biāo) 記，并且檢測(cè)標(biāo)記物的存在。免疫測(cè)定可以是競(jìng)爭(zhēng)性的或者非競(jìng)爭(zhēng)性的。在競(jìng)爭(zhēng)性的免疫測(cè)定中，未知樣品中 的抗原與標(biāo)記抗原競(jìng)爭(zhēng)著與抗體結(jié)合，抗體典型地被固定在固相上。結(jié)合到抗體位點(diǎn)的標(biāo) 記抗原的數(shù)量然后被測(cè)量，通常通過將結(jié)合到固相的標(biāo)記抗原分離并測(cè)量。很清楚，響應(yīng)將 與未知樣品中抗原的濃度成反比。在類似分析原理中，溶液中的標(biāo)記抗體與固定在固相上 的抗原以及樣品中存在的抗原競(jìng)爭(zhēng)，給出相似的反比性。在非競(jìng)爭(zhēng)性的免疫測(cè)定，也稱為免 疫測(cè)量分析中，在未知樣品中的抗原與過量的固定的抗體(“捕獲”抗體)結(jié)合，并測(cè)量結(jié) 合的抗原的數(shù)量。與競(jìng)爭(zhēng)性方法不同，非競(jìng)爭(zhēng)性方法的結(jié)果將與抗原的濃度成正比。在所 謂的“雙位點(diǎn)”免疫測(cè)量分析，也稱“夾心分析”中，抗原結(jié)合到捕獲抗體位點(diǎn)，然后標(biāo)記抗 體被引入，其結(jié)合到與捕獲抗體結(jié)合的抗原上。然后測(cè)量在該位點(diǎn)上的標(biāo)記抗體的數(shù)量。在典型的夾心免疫測(cè)定中，對(duì)關(guān)注的抗原特異性的抗體被連接到聚合物載體，例 如聚苯乙烯片材上。將一滴要測(cè)試的樣品，例如細(xì)胞提取物或者血清或者尿的樣品，鋪置 到所述片材上，所述片材在抗體-抗原復(fù)合物形成之后被洗滌。然后添加對(duì)抗原上不同位 點(diǎn)特異性的抗體，并再次洗滌載體。這第二種抗體攜帶有標(biāo)記(標(biāo)記報(bào)道劑)，使得其可 以被以高靈敏性檢測(cè)到。結(jié)合到片材上的第二種抗體的數(shù)量與樣品中抗原的數(shù)量成比例。 這種分析以及這種類型的分析的其它變化是眾所周知的，參見例如，“The Immunoassay Handbook 第二版"DavidWild 編輯，Nature Publi shing Group，2001。有很多種的分析和診斷設(shè)備可用于實(shí)施免疫測(cè)定。該設(shè)備包括選擇性地結(jié)合感興 趣的分析物的傳感器，然后量化結(jié)合事件。很多設(shè)備在傳感器上應(yīng)用試劑，該試劑在被檢測(cè) 的分析物存在的情況下經(jīng)歷可檢測(cè)的變化，例如顏色改變。WO 90/13017公開了一種條帶狀的焦熱電或者其它熱電的換能器元件。提供了薄 膜電極，并且一種或者多種試劑被沉積在換能器表面上。當(dāng)試劑與被檢測(cè)的物質(zhì)接觸的時(shí) 候，試劑經(jīng)歷選擇性的色度變化。該設(shè)備然后典型地被插入檢測(cè)器，其中換能器通常被從下 部由LED光源照亮，試劑的光吸收作為換能器表面處的微觀加熱形式被檢測(cè)。從換能器輸 出的電信號(hào)被處理，得出被檢測(cè)的物質(zhì)的濃度。
WO 90/13017的系統(tǒng)提供了與試劑反應(yīng)或者組合后能夠在試劑中產(chǎn)生顏色變化的 物質(zhì)的分析。例如，試劑包括PH和重金屬指示劑染料，撲熱息痛分析中用于檢測(cè)氨基苯酚 的試劑(例如在加氨的銅溶液中的鄰甲酚)，以及在酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定(ELISA)中用于檢測(cè) 氧化還原酶的四唑務(wù)會(huì)染料。然而，雖然該系統(tǒng)在某些應(yīng)用中有用，但是它已經(jīng)被認(rèn)為只適 合在被分析的物質(zhì)在試劑中產(chǎn)生顏色變化的情況下的分析，因?yàn)樗鲈噭┦遣贾迷趽Q能器 的表面上的試劑。因此，該系統(tǒng)不能應(yīng)用于在試劑中不引起顏色變化的物質(zhì)的分析，或者當(dāng) 顏色變化不是在換能器表面上時(shí)的分析。WO 2004/090512公開了一種基于WO 90/13017中公開的技術(shù)的設(shè)備，但是依靠如
下發(fā)現(xiàn)在采用電磁輻射照射時(shí)在試劑中通過非輻射衰減產(chǎn)生的能量可以被換能器檢測(cè)， 甚至當(dāng)試劑不與換能器接觸的時(shí)候都可以，采用電磁輻射的照射與由換能器產(chǎn)生電信號(hào)之 間的時(shí)間延遲是試劑與薄膜表面之間距離的函數(shù)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)提供了一種設(shè)備，其能夠“深度 剖析”，允許設(shè)備區(qū)分結(jié)合到換能器表面的分析物與在本體液體內(nèi)的分析物。這種應(yīng)用因此 公開了一種設(shè)備，其能夠用于分析，典型地用于生物測(cè)定，在實(shí)施結(jié)合事件和檢測(cè)該事件的 結(jié)果之間不必須實(shí)施單獨(dú)的洗滌步驟。WO 90/13017和WO 2004/090512中公開的設(shè)備已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很廣泛的適用性，進(jìn)一步 的變化公開在 WO 2006/079795, WO 2007/107716, WO 2007/U9064 和 WO 2007/141581 中。共同的主題是，傳感器包括具有焦熱電或者壓電元件以及能夠?qū)⒛芰康淖兓D(zhuǎn)換 為電信號(hào)的電極的換能器。圖1示出了這種化學(xué)傳感器件1的原理。器件1依靠在使用 電磁輻射照射物質(zhì)2時(shí)的在物質(zhì)2中的熱量生成。器件1包括焦熱電的或者壓電的換能 器3，其具有電極涂層4，5。換能器3優(yōu)選是薄膜，例如極化的聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜。 電極涂層4，5優(yōu)選由氧化銦錫(ITO)形成，其厚度為大約35nm，盡管從下限為Inm和上限 為IOOnm起幾乎任何厚度都是可能的，低于所述下限電導(dǎo)率太低，高于所述上限光透射太 低(它應(yīng)該不小于95% T)。物質(zhì)2使用任何合適的技術(shù)固定到換能器3上，或者與其最靠 近，這里所示出的是連接到上電極涂層4上。試劑可以是任何合適的形式，并且可以沉積多 種試劑。優(yōu)選地，物質(zhì)2被吸附在上電極上，例如通過分子間力，例如離子鍵、氫鍵或者范德 華力共價(jià)偶聯(lián)或者結(jié)合。這種設(shè)備的關(guān)鍵特征是，當(dāng)被電磁輻射源6，如光，優(yōu)選可見光源照射時(shí)，物質(zhì)2產(chǎn) 生熱量。光源可以是，例如，LED。光源6使用合適波長(zhǎng)(例如，互補(bǔ)色)的光照射物質(zhì)2。 盡管不希望受理論束縛，還是相信物質(zhì)2吸收光，以產(chǎn)生激發(fā)狀態(tài)，所述激發(fā)狀態(tài)然后經(jīng)歷 非輻射衰減，因此產(chǎn)生能量，如圖1中曲線所示。該能量主要是熱的形式(也就是環(huán)境中的 熱運(yùn)動(dòng))，盡管其它形式的能量，例如沖擊波，也可能產(chǎn)生。然而，該能量被換能器檢測(cè)到，并 被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該設(shè)備被對(duì)于被測(cè)量的特定的試劑而校準(zhǔn)，因此通過非輻射衰減產(chǎn)生的能量的精 確形式不需要確定。除非另有明確說明，這里使用的術(shù)語(yǔ)“熱”指的是由非輻射衰減所產(chǎn)生 的能量。光源6被定位以便照亮物質(zhì)2。優(yōu)選地，光源6大體上與換能器3和電極4、5垂直 被定位，物質(zhì)2通過換能器3和電極4、5被照亮。光源可以是位于換能器內(nèi)的內(nèi)部光源，其 中該光源是導(dǎo)波系統(tǒng)。波導(dǎo)可以是換能器自身，或者波導(dǎo)可以是連接到換能器上的附加的 層。照射的波長(zhǎng)取決于所使用的標(biāo)記；例如，對(duì)于40nm金標(biāo)記，優(yōu)選的波長(zhǎng)是525nm，而對(duì) 于碳標(biāo)記，優(yōu)選的波長(zhǎng)是650nm。
由物質(zhì)2產(chǎn)生的能量通過換能器3檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)被檢測(cè)器7檢 測(cè)。光源6和檢測(cè)器7都在控制器8的控制之下。在一個(gè)實(shí)施方案中，光源6產(chǎn)生一系列的光脈沖(這里使用的術(shù)語(yǔ)“光”是指任何 形式的電磁輻射，除非特定的波長(zhǎng)被提及)，其被稱為“斬切光”。原則上，單一次閃光，即電 磁輻射的一個(gè)脈沖，會(huì)足以從換能器3產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。然而，為了獲得能再現(xiàn)的信號(hào)，使用 多次閃光，這在實(shí)際中需要斬切光。電磁輻射的脈沖應(yīng)用的頻率可以變化。在下限，脈沖 之間的時(shí)間延遲必須足夠用于測(cè)定每個(gè)脈沖和電信號(hào)的產(chǎn)生之間的時(shí)間延遲。在上限，每 個(gè)脈沖之間的時(shí)間延遲必須不能太大，以致于用于記錄數(shù)據(jù)的周期變得不合理地延長(zhǎng)。優(yōu) 選地，脈沖的頻率為2-50Hz，更加優(yōu)選5-15Hz，最優(yōu)選為10Hz。這分別對(duì)應(yīng)著脈沖之間的 20-500ms,66-200ms,以及IOOms的時(shí)間延遲。另外，所謂的“傳號(hào)空號(hào)”比，也就是有信號(hào) 與沒信號(hào)的比，優(yōu)選為1，雖然在某些情況下可能使用其它比值更有好處。產(chǎn)生具有不同的 斬切頻率或者不同的傳號(hào)空號(hào)比的斬切光的電磁輻射源是本領(lǐng)域中已知的。檢測(cè)器7確定 來自于光源6的每個(gè)光脈沖與由檢測(cè)器7檢測(cè)的來自于換能器3的相應(yīng)的電信號(hào)之間的時(shí) 間延遲(或者“相關(guān)性延遲”)。該時(shí)間延遲是距離d的函數(shù)。用于確定光的每個(gè)脈沖與相應(yīng)的電信號(hào)之間的時(shí)間延遲的提供可再現(xiàn)的結(jié)果的 任何方法都可用。優(yōu)選地，時(shí)間延遲從光的每個(gè)脈沖的起始到相應(yīng)于檢測(cè)器7所檢測(cè)的熱 吸收的電信號(hào)的最大值所在的點(diǎn)測(cè)量。因此物質(zhì)2可與換能器表面分離，而信號(hào)仍然可被檢測(cè)到。而且，不但信號(hào)是穿過 居間介質(zhì)可檢測(cè)的，該介質(zhì)能夠?qū)⒛芰總鬏數(shù)綋Q能器3，而且不同的距離d可被區(qū)分(這已 經(jīng)被稱為“深度剖析”)，而且在距換能器3的表面為特定的距離d處，接收到的信號(hào)的強(qiáng)度 與物質(zhì)2的濃度是成比例的。然而，仍需要繼續(xù)尋求改進(jìn)的信號(hào)強(qiáng)度和再現(xiàn)性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供了一種用于檢測(cè)分析物的傳感器，包括由焦熱電或者壓電聚合物襯底以及位于襯底的表面上的透明電極層組成的換能 器；透明電極層上的帕利靈(parylene)層；以及固定在換能器上的試劑，該試劑具有能夠結(jié)合分析物或者分析物的衍生物的結(jié)合 位點(diǎn)。帕利靈層為后續(xù)的試劑的附著提供改進(jìn)的表面。


現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明，其中圖1示出了根據(jù)WO 2004/090512的設(shè)備；圖2和3示出了本發(fā)明的傳感器的示意圖；圖4-6示出了具有帕利靈層(圖6)和沒有帕利靈層(圖4和5)的襯底的XPS光 譜；圖7圖解示出了在不同的帕利靈C-涂覆的PVDF/IT0片材上不同區(qū)域上測(cè)量的前
5進(jìn)接觸角；圖8示出了含有本發(fā)明的傳感器的樣品腔；圖9示出了本發(fā)明的傳感器；和圖10示出了在PBS緩沖液中使用碳粒子的Ing/mL的TSH的光刺激壓電薄膜分析 性能(誤差線=1標(biāo)準(zhǔn)偏差，重復(fù)次數(shù)=12)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)參考圖1描述的設(shè)備中獲得的信號(hào)的強(qiáng)度和再現(xiàn)性可通過使用帕利靈 層涂覆換能器的表面而改進(jìn)(參考圖幻。圖2示出了具有換能器10的傳感器9。換能器 10由焦熱電或者壓電聚合物襯底以及位于襯底表面上的透明電極層組成，所述襯底為在上 文中參考圖1所描述的類型。襯底由焦熱電或者壓電聚合物形成，例如聚偏二氟乙烯薄膜。聚偏二氟乙烯是公 知的焦熱電/壓電聚合物。襯底的表面涂覆有透明電極層。所述“透明”是指該層至少在 分析物和試劑之間的結(jié)合事件的檢測(cè)中使用的電磁輻射的波長(zhǎng)下是透明的。該層優(yōu)選由氧 化銦錫(ITO)組成。在優(yōu)選實(shí)施方案中，換能器10是ITO涂覆的聚偏二氟乙烯薄膜。圖2中示出的換能器10是平面換能器，并且換能器10具有被帕利靈層12涂覆的 第一表面11。換能器10的另外的表面也可以被涂覆，例如其中兩個(gè)表面都與樣品接觸(未 示出)。帕利靈層12進(jìn)一步被蛋白質(zhì)層13涂覆。蛋白質(zhì)被顯示為生物素化的疏水性的蛋 白質(zhì)，其是本領(lǐng)域中公知類型的。該蛋白質(zhì)在圖2中圖解示出，其中蛋白質(zhì)骨架14連接到 換能器10上，并且生物素結(jié)構(gòu)部分15被露出。換能器10還包括抗生蛋白鏈菌素層16，其 涂覆蛋白質(zhì)層13?？股鞍祖溇貙?6具有其上結(jié)合的試劑17。固定的試劑17能夠結(jié)合被檢測(cè)的分析物，或者該分析物的衍生物。結(jié)合事件然后 如上文中所述的被檢測(cè)。試劑17優(yōu)選是抗體，該抗體被培養(yǎng)用于當(dāng)樣品被引入時(shí)選擇性地 與分析物或者分析物的衍生物結(jié)合。圖3示出了與參考圖2所述的傳感器相似的傳感器9，只是帕利靈層12具有直接 與其連接的聚抗生蛋白鏈菌素層16。生物素化的抗體17然后結(jié)合到聚抗生蛋白鏈菌素層 16上。表面還可以被另外的涂層覆蓋，以穩(wěn)定表面，例如得自SurModics Inc, EdenPrairie, MN，美國(guó)的 Stabilcoat (未示出)。帕利靈是一個(gè)通稱，其描述一類從[2，2]對(duì)環(huán)芳衍生出的聚合物。通常，對(duì)二甲苯 在涂覆之前未預(yù)聚，而是沉積在待通過熱解沉積過程涂覆的表面。該過程包括[2，2]對(duì)環(huán) 芳的蒸發(fā)，其隨后被熱解法裂解，形成雙基單體，隨后該單體沉積到要涂覆的襯底上，形成 聚合物。在[2，2]對(duì)環(huán)芳內(nèi)的內(nèi)張力促進(jìn)了裂解。蒸發(fā)條件將取決于所使用的[2，2]對(duì) 環(huán)芳，但是典型地是在約50-200°C以及100-200ΝπΓ2，例如150°C和135ΝπΓ2下進(jìn)行。熱解典 型地在400-700°C的溫度以及40-100ΝπΓ2，例如680°C以及65ΝπΓ2下進(jìn)行。沉積可在室溫至 75°C下以及5-50Nm_2下進(jìn)行，例如35°C以及15Nm_2。所述過程可通過下面的示意圖來概括 (使用帕利靈C)
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)樣品中的分析物的傳感器，包括由焦熱電或者壓電聚合物襯底和位于 該襯底的表面上的透明電極層組成的換能器；位于該透明電極層上的帕利靈層；以及固定 在該換能器上的試劑，所述試劑具有能夠結(jié)合分析物或者分析物的衍生物的結(jié)合位點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述帕利靈層具有IOnm到IOOym的厚度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其中所述帕利靈選自帕利靈N，帕利靈C，帕利靈 D，帕利靈F和帕利靈VT-4。
4.如上述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述焦熱電或者壓電聚合物襯底是聚偏二 氟乙烯薄膜。
5.如上述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中透明電極層是氧化銦錫層。
6.如權(quán)利要求4和5所述的傳感器，其中所述換能器是氧化銦錫涂覆的聚偏二氟乙烯薄膜。
7.如上述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述傳感器進(jìn)一步包括位于所述帕利靈層 和所述固定的試劑之間的蛋白質(zhì)層。
8.如權(quán)利要求7所述的傳感器，其中所述蛋白質(zhì)通過非共價(jià)相互作用被吸附在帕利靈層上。
9.如上述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述試劑是抗體，或者核酸或者其類似物。
10.如上述任一權(quán)利要求所述的傳感器，進(jìn)一步包括用于盛裝與所述換能器接觸的樣 品的樣品腔。
11.如上述任一權(quán)要求所述的傳感器，進(jìn)一步包括電磁輻射源和用于檢測(cè)來自所述換 能器的電信號(hào)的檢測(cè)器。
12.如權(quán)利要求11所述的傳感器，其中所述輻射源適于產(chǎn)生一系列的電磁輻射脈沖， 所述檢測(cè)器適于測(cè)定來自于所述輻射源的每一個(gè)電磁輻射脈沖與電信號(hào)的產(chǎn)生之間的時(shí) 間延遲。
13.一種制備傳感器的方法，包括如下步驟提供由焦熱電或者壓電聚合物襯底和位 于該襯底的表面上的透明電極層組成的換能器；通過帕利靈單體氣相沉積到襯底上而用帕 利靈涂覆透明電極層，將接收器連接到所述換能器上。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中在將接收器連接到帕利靈層上的步驟之前，使用 蛋白質(zhì)處理所述帕利靈層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)分析物的傳感器(1)，該傳感器包括由焦熱電或者壓電聚合物襯底例如PVDF(3)和位于該襯底的表面上的透明電極層(4)組成的換能器(10)；位于該透明電極層上的帕利靈層(12)；以及固定在該換能器上的試劑(17)，所述試劑具有能夠結(jié)合分析物或者分析物的衍生物的結(jié)合位點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N29/24GK102112877SQ200980118385
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日
發(fā)明者S·A·羅斯, T·J·N·卡特, T·S·德懷爾 申請(qǐng)人:維瓦克塔有限公司