專利名稱：質量轉運輔助光學分析的方法和裝置的制作方法
背景技術：
本項發(fā)明涉及可用于分析測試的方法和裝置。這些測試包括但不局限于醫(yī)學診斷和環(huán)境測試。
以下是相關文獻的討論，但并不認為這些文獻是本項發(fā)明的現(xiàn)有技術。
在美國專利4632901中，Valkirs等描述了一種濾過、或多孔分析裝置。此法用于在濾膜或濾紙上進行免疫分析。該濾膜或濾紙上附著著抗體，能夠將加到濾膜上的樣品中的被分析物分離出來。視覺檢測基于依賴于被分析物的、對二級試劑的捕獲，該二級試劑作用于一種底物，產(chǎn)生有色顆粒產(chǎn)物，該產(chǎn)物在二級試劑存在處非特異地附著于濾膜。對這一基本設計的無數(shù)改動包括利用有色和/或與金屬顆粒(美國專利4775636)偶聯(lián)的二級試劑進行視覺檢測，以及采用層析而不是濾過技術(美國專利5232835)。
美國專利5200312描述了一種濾膜分析系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，有色、不溶產(chǎn)物被用來檢測被分析物。這種有色不溶產(chǎn)物是一種酶與一種底物作用產(chǎn)生的，這種底物中有一種與酶作用時產(chǎn)生含發(fā)色團的不溶產(chǎn)物的試劑。這種產(chǎn)物產(chǎn)生可見的顏色變化。美國專利5395754描述了在濾膜表面形成用于生物學分析的對照或校正區(qū)的方法。
多孔抗反射膜的制備已有描述(66 J.Opt.Soc.Am.515-519，1976；J.Am.Ceramic Soc.302-307，1983)。抗反射膜具有可用于制備寬譜帶AR(抗反射)層的陡峭的反射系數(shù)梯度。膜多孔，孔不規(guī)則但互相連通?？讓⒖諝獠东@于所形成AR材料中，幫助產(chǎn)生反射系數(shù)梯度。
質量轉運，或稱質量遷移，是一種熟知的現(xiàn)象。它可在濃度梯度、溫度梯度、電場、重力等存在時發(fā)生。溶液中的質量遷移對溶液運動、流動或對流非常敏感。質量遷移還受溶液中物質的擴散系數(shù)或電荷影響。
在一個靜態(tài)擴散制約反應中，濃度梯度會隨著表面處擴散層的消失、被分析物的減少而形成。樣品中高濃度區(qū)的被分析物必須擴散至表面去結合。只有表層附近的樣品會被結合。向擴散層或勢壘補充被分析物將限制結合反應。對流性質量遷移效應會破壞或改變擴散勢壘。
在一個高度多孔或互相連通的表面中，溶液流動或質量遷移是紊亂的，產(chǎn)生塞流或對流特性。但是，在一個有溝槽的表面，流體動力學的質量遷移產(chǎn)生層流特性。塞流使溶液由于對流而混和，然后沿其途徑前進，這就確保了當樣品橫向流過多孔材料時擴散勢壘達到最小。在一個分析系統(tǒng)中，塞流會增加非被分析物質與顯色試劑非特異吸附的概率。而對流會增加被分析物與可用結合位點的接觸，因為新鮮溶液會循其路徑反復接觸可用結合位點。
流經(jīng)或流過有溝槽物質的溶液遇到溝槽前與均一實心表面接觸時基本上是靜態(tài)的。流過溝槽產(chǎn)生層流。因此，當反應為擴散制約時，物質流受到影響以至于擴散勢壘或擴散層被破壞。溝槽引起的對流不斷將新的被分析物推向表面，從而消除了小孔附近的死層，同時也防止了適應于孔間靜態(tài)條件的擴散勢壘的形成。因此，層流不斷將新的塊物涌入擴散邊界。通常認為，在克服擴散限制方面，塞流系統(tǒng)比層流系統(tǒng)更有效。申請人驚訝地發(fā)現(xiàn)，就本項發(fā)明的光學分析裝置而言，層流系統(tǒng)比塞流系統(tǒng)更為有效。
在一靜態(tài)溶液/固體反應中，擴散勢壘在20秒之后為δ(t)＝2.8×10-3cm(δ(t)＝2(D0t)-1/2)。假定對于常見生物物質D0為1×10-7cm2/sec。在流體動力學質量轉移的事例中，擴散勢壘實際上與時間無關，δ(o)＝3.7×10-4cm(δ(o)＝1.61(D0)1/3(ωv1/6)-1/2)。這里，ω是基于流經(jīng)具有角速度ω的假設固體的溶液的角頻率，v是溶液粘稠度的函數(shù)(運動學粘稠度)。基于流經(jīng)具有角速度ω的假設固體的溶液的v的值被定為0.01cm2sec-1(水)，運算按菲克定理進行。
發(fā)明概述本發(fā)明描述了一種通過含有被分析物的樣品流經(jīng)或流過一個光學分析裝置的層狀體的層流而引入質量遷移的裝置。
這樣的裝置(見

圖1)包括一個載體(含溝槽或多孔的)、一個光學功能層、一個連接層，或許還有一個被分析物特異的接受層。載體上的光學功能層可通過薄膜涂層方法制備。這一薄層含有在結合被分析物后產(chǎn)生信號所需的活性成分，這是根據(jù)所需的最終分析裝置和解釋分析結果所用的分析方法選定。這個薄層包括一個光學基層，基層上可覆蓋或者沒有覆蓋一個抗反射層。光學功能層含AR材料時，最后分析裝置可用作分析結果的視覺檢測。光學功能層上覆蓋連接層。采用連接層是為了提供一個固定被分析物接受材料的穩(wěn)定環(huán)境或固定被分析物本身的一種手段。被分析物與連接層上的特異接受材料的結合是通過物理或化學吸附實現(xiàn)的。這種物理或化學吸附源自被分析物和被分析物特異表面之間的特異相互作用?；蛘撸敱环治鑫锱c連接層非特異結合時。被分析物通過隨后與一種被分析物特異結合試劑測定。
一個產(chǎn)生質量運轉/層流的這種裝置是通過提供一種含溝槽實心載體來實現(xiàn)的(見圖2A)。含溝槽實心載體或者本身就有溝槽，或者通過去掉多達占載體15％的、分散而有限的部分來制備溝槽。用能夠保留溝槽的方法將光學功能層加到含溝槽載體。這些薄層加在一起時可促進樣品層流。
另一個獲得流經(jīng)或流過光學分析裝置疊層的樣品層流的方法是采用下面為多孔載體的、含溝槽的光學功能層(見圖2B)。當多孔載體開口，液體流過時，不表現(xiàn)出溝槽流的特征和光學特性。因此，采用化學、機械、光化學、制版或其他方法將溝槽引入光學功能層。這種設計的一個要求是施加光學功能層，使得光學性質(主要是反射系數(shù))基于光學基層，而不是基于光學基層和多孔載體的復合結構。
另一個選擇是，光學功能層含分散的光學功能顆粒(珠、棒或纖維狀)(見圖2C)。這些顆粒與下面的多孔載體一起提供能夠使樣品以層流方式流經(jīng)或流過分析裝置的質量轉運的溝槽。仔細控制顆粒大小和密度是獲得所需的光學和流體特性所必需的。在含實心顆粒的光學功能層表面下的溶液具有對結合與檢測過程無影響的塞流。
在分析裝置疊層周圍或下面放置吸附材料可調節(jié)通過和/或流經(jīng)裝置的質量轉運/層流的速度。吸附材料產(chǎn)生吸濕作用，驅使液體通過或經(jīng)過裝置疊層。此外，盡管在無外力幫助下樣品會流過裝置，但是可以采用正壓或負壓使樣品或者連續(xù)(在線采樣)或者以一次一定體積的方式通過裝置溝槽。
樣品通過裝置的質量轉運/層流增加了樣品與光學裝置中發(fā)生被分析物結合的表面的接觸，也改變了擴散勢壘或破壞了擴散勢壘處的濃度梯度體系。這種作用使得與裝置接收層(或連接層)接觸的可用被分析物的量有所增加。在溶液的全部表面接觸期間，溶液層流將更多的被分析物引至接收層(或連接層)。在一個簡單的擴散制約反應中，一旦擴散層消失，很少再有被分析物能夠接觸表面接收材料。
當本裝置的疊層接觸溶液或氣體時，被分析物藉質量運轉/層流移至表面。質量向表面運轉受制于溝槽數(shù)目及分布、樣品參數(shù)和裝置疊層上面或里面的層流。溝槽可通過鉆孔、蝕刻或顆粒在表面的附聚和/或固定制成。申請人發(fā)現(xiàn)，層流引起的質量轉運作用靠減少液體樣品中的濃度梯度、同時維持所需的光學特性消除了實心表面分析法的擴散限制。
為產(chǎn)生質量轉運/層流效應而引入光學分析裝置疊層的溝槽沒有顯著增加被分析物的結合面積。結合局限于含被分析物特異結合層的裝置表面。電鏡顯示，沒有物質在溝槽附近結合。而且，任何可能在溝槽內發(fā)生的結合事件不會為所采用的光學或質量檢測方法所檢測。任何測量薄膜與被分析物結合或反應后厚度、質量、光學質量或一些別的物理性質的改變的方法適用于直接的物理檢測。這些方法可以是自動的、儀器的或簡單的顏色測定。溝槽表面不是為留住被分析物或二級試劑以檢測被分析物而設計的，而是為增加能與裝置表面被分析物結合位點接觸的樣品體積而設計的。
在第一方面，本發(fā)明描述了一個具有下列部分的、檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置一個含溝槽的載體；一個光學功能層，此層位于載體之上、并且光學功能層與載體一起使樣品藉層流通過裝置疊層；一個連接層，此層位于光學功能層之上；以及一個被分析物特異接受層，此層位于連接層之上。
“樣品”指任何流動介質氣體或液體。溶解了很多固體的樣品可不經(jīng)處理而使用。含很多固體(不溶)的樣品可以通過一個過濾器引入或用其他手工方法處理后使用。樣品可以是氣體、液體、懸液、提取或溶解的樣品、或者超臨界態(tài)液體。樣品或提取液必須具有某些流體特性以使質量轉運/層流成為可能。
被分析物可以是抗原、抗體、受體、配基、螯合物、蛋白質、酶、核酸、DNA、RNA、殺蟲劑、除莠劑、無機或有機化合物或者任何可以發(fā)現(xiàn)特異結合試劑的物質。表面可用于多種被分析物。特定相互作用的鑒定可通過分離不同被分析物的表面類型來完成。
“含溝槽載體”指含溝槽或孔的載體。載體中的溝槽可以是已有的(這些溝槽本來就具有所需的直徑和密度)。溝槽也可以通過去除載體中的部分材料制備而成(通過采用機械、光化學或化學等任一可在載體中蝕刻、鉆孔、打洞或其他引入溝槽或孔的方法)。溶液流速受溝槽大小和密度以及其他樣品特性(如粘稠度)的綜合影響。
“光學功能層”指能夠在被分析物與接收層結合時產(chǎn)生信號的一層。這一層可以有一或多個表面涂層，包括基層，基層上面可以有或沒有抗反射層?？狗瓷鋵邮怯脕砀淖冚d體材料的光學性質以使反射、透射和/或吸收度滿足最終分析設計的需要。光學功能層可使一個、多個波長或一個波長范圍內的光波衰減從而使得在被分析物結合時結果可在最終裝置中肉眼觀察或通過儀器檢測。光衰減可包括比如在含AR表面涂層的分析裝置中的特定波長光的減弱或增強以獲得視覺可見的顏色改變，或者特定波長的光的強度在經(jīng)最終分析裝置的反射或透射時可發(fā)生變化。光學功能層還可改變裝置的光學參數(shù)以使入射光的偏振狀態(tài)或程度發(fā)生改變。
“層流”指這樣一個過程，通過這樣一個過程，光學分析裝置表面附近的擴散層被減少、而與接收層(或連接層)接觸或可用來接觸的被分析物的量被增加。層流均一穩(wěn)定，發(fā)生時好象不同層液體(片流)具有穩(wěn)定的特征流速和單一凈流向。
“通過裝置疊層”指樣品從裝置表面經(jīng)各層流向載體和樣品流經(jīng)裝置任一層表面。
“連接層”指促進或增加接收材料與光學功能層結合的、任意一種或一類材料。同時，連接層在所有后繼處理和分析過程中應能以足夠的親和力固定接收材料。連接層必須不降低接收材料的穩(wěn)定性，但可以增加穩(wěn)定性。不用接收層時，連接層非特異地結合被分析物。
“被分析物特異接收層”指具有足夠親和力結合被分析物、使被分析物被檢測、并且與興趣被分析物特異結合作用的一種或一類材料。
在第二方面，本發(fā)明描述具有下列部分的、檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置一個含溝槽的載體；一個光學功能層，此層位于載體之上、并且光學功能層與載體一起使樣品藉層流通過裝置疊層；一個連接層，此層位于光學功能層之上。
在這個方面，連接層(不帶接收層)必須能夠非特異捕獲被分析物。這類連接層的例子有硅烷、硅氧烷、各種聚合物、鎳和類金剛石碳。被分析物采用被分析物特異結合試劑檢測。
在第三方面，本發(fā)明描述具有下列部分的、檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置一個多孔載體；一個光學功能層，此層含包埋在載體中的、分立的光學功能顆粒，并且光學功能層與載體一起使樣品藉層流通過裝置疊層；一個連接層，此層位于顆粒之上；一個被分析物特異接收層，此層位于連接層之上。
“多孔載體”指給溶液提供一個十分曲折的流徑的材料。
“分立光學功能顆?！敝复笮≡?0微米到1毫米之間、能夠裝入多孔載體、在多孔載體的局部形成折射率均一層的任何顆粒(珠狀或柱狀體)。
“包埋“指顆粒陷入多孔載體的基質之中。
在第四方面，本發(fā)明描述包括下列部分的、檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置一個多孔載體；一個光學功能層，此層含包埋在載體中的、分立光學功能顆粒，并且光學功能層與載體一起使樣品藉層流通過裝置疊層；以及一個連接層，此層位于顆粒之上。
在第五方面，本發(fā)明描述包括下列部分的、檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置一個多孔載體；一個在載體之上含有溝槽的光學功能層，并且光學功能層與載體一起使樣品藉層流通過裝置疊層；一個連接層，此層位于光學功能層之上；一個被分析物特異接受層，此層位于連接層之上。
“含有溝槽的光學功能層”指該光學功能層含具有合適孔徑和密度的溝槽，從而可使樣品層流通過裝置疊層。溝槽可用化學、機械、光化學、刻板或其他普通技術人員所知道的方法引入。
在第六方面，本發(fā)明描述包括下列部分的、檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置一個多孔載體；一個光學功能層，此層含位于載體之上的溝槽、并且光學功能層與載體一起使樣品藉層流通過裝置疊層；一個連接層，此層位于光學功能層之上。
在優(yōu)選實施方案中，光學功能層包含一個抗反射層；連接層為鎳；裝置還包括在光學功能層周圍或者位于載體之下的吸附材料；載體含有聚酯或聚碳酸酯，光學功能層含有位于一層無定型硅上的氮化硅以及連接層含有鎳；載體含有聚酯或聚碳酸酯，光學功能層含有涂覆于一層鍺上的一層類金剛石碳；光學功能層含有一層涂覆于一層鍺上的類金剛石碳，以及連接層含有鎳；光學功能層含有涂覆于一層無定形硅上的一層氮化硅；連接層含有類金剛石碳；被分析物為抗原、抗體、受體、配基、螯合物、蛋白質、酶、核酸、DNA、RNA、殺蟲劑、除莠劑、無機或有機化合物。
抗反射層對于熟悉這行的人而言并不陌生。以下是一些適用于本發(fā)明的AR層的例子氧化鋁、氧化銻、氧化鉍、氧化銦、氧化錫銦、氧化錫、一氧化硅、二氧化鈦、氧化鋯、氮化硅、氧氮化硅、氧化鍺、氧化鈷、碳、氧化鉭以及大多數(shù)其它金屬氧化物、碳化物、氮化物或氧氮化物、金剛石和類金剛石碳。
“吸附材料”指能夠吸去(吸濕)并保留與之接觸的表面的溶液的材料。這種材料可以在光學功能層周圍和/或位于載體之下。結合使用增加或減少吸附的材料可以控制樣品流動。
一個更有優(yōu)選的實施方案采用聚碳酸酯作為載體，鍺作為光學基層(＞300A)，類金剛石碳作為抗反射層及連接層(300-800A，取決于所選或所需的顏色變化)。
在第七方面，本發(fā)明描述一種檢測樣品中被分析物的存在或含量的方法，此法包括提供一個含有載體、載體上的光學功能層、光學功能層上的連接層和連接層上的被分析物特異吸收層的裝置的步驟和將樣品引入裝置并藉層流流過或流經(jīng)裝置疊層，進而使被分析物結合被分析物特異接收層并造成裝置表面的質量改變，從而指示樣品中被分析物的存在和含量的步驟。
“通過和經(jīng)過所有疊層”指根據(jù)裝置設計和溝槽分布溶液垂直和/或水平流到或流過光學裝置。
“質量改變”指在光學功能層上厚度、光學厚度(折射率X厚度)或物質沉積(質量或光學質量)的變化。質量改變可以是一種或多種表面物質的增加或減少。
在第八方面，本發(fā)明描述檢測樣品中被分析物存在或含量的方法，此法包括制備一個含有載體、載體上的光學功能層和光學功能層上的連接層的裝置的步驟和將樣品引入裝置使樣品藉層流過或流經(jīng)裝置疊層，進而使被分析物結合被分析物連接層，以及加入可與結合于連接層的被分析物結合的被分析物特異結合試劑并造成裝置表面的質量改變，從而指示樣品中被分析物存在和含量的步驟。
“被分析物特異結合試劑”指與表面捕獲的被分析物特異反應的試劑。
在優(yōu)選實施方案中，載體含溝槽；載體多孔，光學功能層含顆粒；載體多孔，光學功能層含溝槽。
在第九方面，本發(fā)明描述一種制造具有層流特性的光學分析裝置的方法，此法包括提供載體，提供在載體上的光學功能層，使得光學功能層和載體層能允許樣品藉層流流經(jīng)或流過裝置疊層，提供光學功能層上的連接層和提供連接層上的被分析物特異吸收層的步驟。
光學功能層可通過與下面載體中的溝槽一致或通過其本身擁有直接被引入光學功能層的引導樣品下流至多孔載體的溝槽或孔、或通過含有能形成使樣品下流至多孔載體的溝槽或孔的顆粒而參與層流。
在第十方面，本發(fā)明描述一種制造具有層流特性的光學分析裝置的方法，此法包括提供載體，提供載體上的光學功能層、并且使光學功能層與載體允許樣品藉層流流經(jīng)或流過裝置疊層和提供光學功能層上的連接層的步驟。
在優(yōu)選實施方案中，載體含溝槽；載體多孔，光學功能層含顆粒；載體多孔，光學功能層含溝槽。
在第十一方面，本發(fā)明描述用于促使樣品藉層流通過裝置的、含有一個載體和一個光學功能層的復合構造。
“促使樣品層流”指使樣品溶液在允許質量轉運/層流發(fā)生的條件下流過或流經(jīng)光學分析裝置的材料、設計或過程。
在優(yōu)選實施方案中，載體含溝槽；載體多孔，光學功能層含光學功能顆粒；載體多孔，光學功能層含溝槽；載體含有聚碳酸酯，光學功能層含一層非定形硅；載體含有聚碳酸酯，光學功能層含一層無定形硅以及涂覆在其上面的氮化硅；載體含有聚碳酸酯，光學功能層含有鍺；載體含有聚碳酸酯，光學功能層含鍺以及涂覆在其上面的類金剛石碳；載體含有聚酯，光學功能層含有無定形硅；載體含有聚酯，光學功能層含無定形硅以及涂覆在其上面的氮化硅；載體含有聚酯，光學功能層含有鍺；載體含有聚酯，光學功能層含鍺以及涂覆在其上面的類金剛石碳。
在第十二方面，本發(fā)明描述用作連接層的類金剛石碳組合物。
在第十三方面，本發(fā)明描述一個含有載體、載體上的含類金剛石碳的連接層的、檢測興趣被分析物的分析裝置。
在第十四方面，本發(fā)明描述包括下列部分的、檢測興趣被分析物的光學分析裝置包括載體、載體上面的光學功能層、光學功能層上面的、含類金剛石碳的連接層。
“分析裝置”指用于檢測被分析物的裝置。
“載體”指任何一個可進行被分析物分析的表面，包括、但不局限于微滴定板、陶瓷制品、金屬、載玻片、比色杯、試管、表面等離激元共振衍射柵、濾膜、濾紙、硅、玻璃、共振或振蕩研究中用的壓電結構和任何相容的表面/檢測系統(tǒng)組合。涂層可均勻涂敷于載體表面或載體的未封閉區(qū)。載體可以有多種形狀和構型。
“連接層”指任何一種或一類促進或增加接收材料與載體或者，如果有的話，光學功能層結合的材料。如果未使用接收層，連接層則非特異結合被分析物。
“類金剛石碳”指含由下列材料構成的均勻薄層或致密填充的顆粒的一層金剛石(合成的或天然的)、單晶金剛石、樹脂型金剛石、多晶金剛石、類金剛石碳、具有金剛石性質(堅硬及表面能)的無定形碳、無定形氫化DLC或碳膜、具有金剛石性質的、非結晶至結晶碳膜或者化學成分從類石墨到金剛石的類金剛石材料。
“光學功能層”指能夠在被分析物與接收層結合時產(chǎn)生信號或能夠在被分析物與連接層非特異結合、同時與被分析物特異結合試劑結合時產(chǎn)生信號的一層。此層具有一至多層用來改變載體材料光學性質、使所需反射、透射和/或吸收度適合最終分析方法的涂料，有或無抗反射層。光學功能層可減弱一個或多個波長或一個波長范圍的光、使在最后裝置中被分析物結合時的結果可以肉眼觀察或儀器檢測。光衰減可包括比如在含AR表面涂層的分析裝置中的特定波長光的減弱或增強以獲得視覺可見的顏色改變，或者特定波長的光在經(jīng)最終分析裝置的反射或透射時可發(fā)生變化。光學功能層還可改變裝置的光學參數(shù)以使入射光的偏振狀態(tài)或程度發(fā)生改變。
在這些裝置的優(yōu)選實施方案中，被分析物特異接收層位于連接層之上；連接層非特異結合下面這樣一些被分析物抗原、抗體、受體、核酸、多糖、脂多糖、酶、蛋白質、微生物、微生物來源的片段、不完全抗原、藥物、食品污染物，環(huán)境因子，諸如(但不局限于)二氧雜環(huán)己烷、過敏原、配基、螯合物和它們的類似物或衍生物；接收層包括選自下組的生物分子抗原、抗體、受體、核酸、多糖、脂多糖、酶、蛋白質、微生物、微生物來源的片段、不完全抗原、藥物、食品污染物，環(huán)境因子，諸如(但不局限于)二氧雜環(huán)己烷、過敏原、配基、螯合物和它們的類似物或衍生物；類金剛石碳在載體上涂覆厚度為50A；光學功能層上涂覆厚度為50A的類金剛石碳；載體上涂覆厚度為50至3000A的類金剛石碳；光學功能層上涂覆厚度為50至3000A的類金剛石碳；類金剛石碳通過下列過程之一涂覆于載體之上休克合成技術、濺射、熱射頻和微波支持的等離子體、加熱燈絲、直流等離子體(direct current plasma)、離子束技術、化學氣相沉積、等離子體沉積和離子束槍；類金剛石碳通過下列過程之一涂敷于載體之上休克合成技術、濺射、熱射頻和微波支持的等離子體、加熱燈絲、直流等離子體、離子束技術、化學氣相沉積、等離子體沉積和離子束槍；類金剛石碳含有工業(yè)金剛石。
涂敷類金剛石碳的工藝見Bachman等文(Chemical and EngineeringNews，page 24，May 15，1989)。
“生物分子”指興趣被分析物或與興趣被分析物特異結合的物質(即接收層)。生物分子包括抗原、抗體、受體、核酸、多糖、脂多糖、酶、蛋白質、微生物、微生物來源的片段、不完全抗原、藥物、食品污染物，環(huán)境因子，諸如(但不局限于)二氧雜環(huán)己烷、過敏原、配基、螯合物和它們的類似物或衍生物。
本發(fā)明的第一個優(yōu)點是，由于質量轉運/層流作用增加了與被分析物特異接收材料接觸的可用樣品體積，靈敏度提高了。這個系統(tǒng)可將分析靈敏度至少提高40倍。
第二個優(yōu)點是減少了分析操作時間。由于通過在簡單擴散中沒有的液體質量轉運/層流將新被分析物送至表面，減少了保溫時間。由于質量轉運/層流有效地將材料送至表面，并且增加送至表面的樣品的體積，每步需時從以分鐘計算縮短到以秒計算。靈敏度和速度的提高對于檢測諸如樣品中的抗原或DNA特別有用。
第三個優(yōu)點是，保溫時間可以通過控制吸濕速度、壓差、溝槽大小和樣品粘稠度，而不是每步的手動控制來掌握。所有后續(xù)表面保溫時間也在類似的時間范圍內完成。另外，還可以采用多層具有不同毛細速率、可濕性速率或流體特性的吸濕材料控制保溫時間。
第四個優(yōu)點是制造方便。裝置疊層所用材料適宜于連續(xù)在線網(wǎng)絡處理。所有光學處理可以一步完成或在一連續(xù)操作中完成。由于可以處理大量片層材料，生產(chǎn)規(guī)模經(jīng)濟。此外，任何一個步驟的產(chǎn)率均優(yōu)于生產(chǎn)裝置的分立部件時每一步的產(chǎn)率。連接層(如鎳、類金剛石碳)可在生產(chǎn)光學層時涂敷上。還有，采用這些材料使光學設計較為靈活，光學層可以很容易地改換，附加層材料(如AR，接收層)可以很容易地加上。
采用一個利用質量轉運/層流特性的自動化系統(tǒng)的裝置的第五個優(yōu)點是，樣品會流經(jīng)表面，不需要會產(chǎn)生氣溶膠、不利于隔斷的真空或加壓沖洗。
本發(fā)明的方法和裝置與以前的分析方法不同。以前的方法依賴于膜或過濾材料中無數(shù)孔或纖維對被分析物特異試劑的吸附或捕獲。在這些方法中，膜或過濾材料被用來固定特異結合試劑，將未反應的樣品材料與已結合的被分析物分開并增加可用于結合試劑的表面。結合試劑位于表面和孔內，檢測反應在多孔材料的一定深度范圍內進行，這取決于所用的產(chǎn)生信號的方法。這些材料的總體孔積率為60％、孔徑在0.45微米左右。孔或網(wǎng)狀結構的表面高度復雜且相互連通，這就形成了塞式流動系統(tǒng)。與此不同，在本發(fā)明中，溝槽不超過任何一層總表面積的15％，同時是分散且互不連通的，產(chǎn)生具有層流特性的流動。還有一個區(qū)別是，被分析物在微孔或溝槽內的結合不多，對產(chǎn)生可測信號無貢獻。
已經(jīng)有人將微孔引入抗反射層以改變此層的光學性質并形成反射系數(shù)梯度。與此不同，在本發(fā)明中，在光學功能層中引入溝槽只是為了使樣品藉層流通過分析裝置。此外，用來制備寬譜帶AR膜的、非常不規(guī)則、高度多孔的薄膜與本發(fā)明所需裝置不相容。在生物學分析中，這類多孔AR薄膜易使大部分結合事件發(fā)生在多孔薄膜內部而不是在AR膜的表面。另外，寬譜帶AR膜在有相應厚度或質量改變時產(chǎn)生微弱的顏色改變。本發(fā)明中的裝置使用可產(chǎn)生極強顏色變化的窄譜帶AR膜。厚度變化很小時即可產(chǎn)生顏色變化。
本申請中描述的材料和方法可用來滿足多種測試需要。采用這些工藝過程制備的裝置在醫(yī)學診斷領域特別有用。這些裝置適合基于被分析物捕獲的多種應用，包括但不局限于，傳染病檢測、癌癥診斷、毒品檢測、環(huán)境測試、治療藥物檢測、DNA測試和心臟測試。使用這些材料和方法制造的裝置可用于從醫(yī)學診斷、環(huán)境檢測到食品檢測等多個領域。
下面的關于優(yōu)選實施例的說明和權利要求將顯示本發(fā)明的其他特點和優(yōu)勢。本申請中引用的文章和出版物引入本文作為參考。優(yōu)選實施方案的說明附圖簡要說明。附1是一個含溝槽的光學裝置各層圖解。這樣一種裝置的任一具體形式并不需要包括圖示的所用各層。溝槽位置未標。
圖2A-C是使樣品藉層流通過裝置的載體和光學功能層的可能組合的圖解。圖2A是通過含溝槽載體材料產(chǎn)生在最后分析裝置中所需的流體特性的裝置。圖2B是一個在多孔載體上的含溝槽的光學功能層。圖2C表示由所選多孔載體和通過致密填充給予最后裝置光學功能的分立顆粒而成的溝槽所構成的一種組合。
圖3是一個比較類金剛石碳(DLC)與T聚合物對稀釋了1000倍的衣原體特異的脂多糖(LPS)的捕獲的圖。Y軸表示校正背景(無LPS)后TMB底物轉變?yōu)楫a(chǎn)物的吸收值讀數(shù)。X軸表示不同貨號的DLC。黑條為T聚合物。斜線條為DLC。
圖4是一個比較類金剛石碳(DLC)與T聚合物對稀釋了5000倍的衣原體特異的脂多糖(LPS)的捕獲的圖。Y軸表示校正背景(無LPS)后TMB底物轉變?yōu)楫a(chǎn)物的吸收值讀數(shù)。X軸表示不同貨號的DLC。黑條為T聚合物。斜線條為DLC。
載體很多材料適合于制造溝槽載體，包括醋酸纖維素、PETE、聚酯、聚碳酸酯、玻璃顆粒、硅粒、氧化鈦顆粒、金屬及非金屬顆粒、編織及非編織材料、尼龍、濾紙、膜、聚砜、多孔玻璃、聚丙烯、聚氨酯或任何聚合物、塑料、金屬或或非金屬。載體應提供在最后裝置中形成質量轉運/層流所需的、分布及大小有限的(貫穿表面結構的)溝槽。
溝槽大小應為0.01至14微米，必須不超過總表面面積的15％。溝槽在表面的分布應均勻。溝槽可以是所選載體固有的，也可以是引入載體的。載體可以通過化學、光化學、機械或電化學方法進行改造。例如，雙向微孔網(wǎng)屏可以這樣制備。首先對融解板之間的聚酯或聚碳酸酯網(wǎng)狀材料進行轟擊，再在熱堿浴中進行一段時間的侵蝕以獲得所需大小的溝槽。溝槽厚度可以在10到30微米之間。有限溝槽密度的好處是，可以獲得在隨后的沉積步驟中較低的排氣需求并減少在溝槽結構中物質殘留的無曲徑溝槽。制備的溝槽是分散而互不連通的。
對于載體而言沒有什么限制，只要光學基層能均勻涂覆在其整個表面(在光學測定被分析物時光學基層必須保持完整)且不干擾加到最終裝置最上層表面的樣品溶液的質量轉運/層流就行。
載體本身不需要具有特別的光學性質?？墒牵谳^薄的光學基層涂敷在載體上后，一個吸光的載體提供一個便于肉眼觀察的光學疊層，因為它能吸收散射光和消除從背后通向前面的光。
載體應對提取液中所用的溶劑或興趣被分析物的輔佐溶劑具有化學惰性。例如，優(yōu)先選用便宜耐用的載體，包括聚酯和聚碳酸酯，它們不受目前各種應用中所用溶劑的影響。
實心載體的溝槽可以控制，因而不必使用吸濕或纖維墊料增加通過裝置的液體流動。但是，嚴格控制的流動可以通過將載體溝槽與纖維襯墊配合使樣品體積駐留時間維持在一個特定時間范圍內獲得。流經(jīng)或流過裝置的液流的控制只是為了確保反應時間在給定時間參數(shù)范圍內保持恒定。在載體的一端或下面可以放吸附墊，防止溶液擴散、確保吸濕材料決定的流速在溶液體積飽和時保持恒定。
當載體為高度多孔的曲徑材料時，光學基層和AR層可用來控制溝槽效應。高度多孔材料與本發(fā)明的光學裝置可能不相容，這樣的載體會產(chǎn)生散射或其他不需要的作用。在多孔載體上的光學基層應厚到足以使其折射率在裝置中占主導地位。光學功能層光學功能層含基層，可能還有一個AR層。
光學基層的作用是提供產(chǎn)生合適的反射、抗反射、吸收或透射性質的光學特性。光學基層必須有足夠的厚度以消除從載體背面透過或散射過來的雜散光。這種材料的折射率必須大于3.0以使其能控制總的百分反射率。這些會影響AR的選擇，這種選擇應考慮折射率和對儀器形式的適用性，考慮控制反射或透射等。如果基層太薄，那么有效折射率可能基于光學基層和載體的綜合折射率。在注意了上面這些限制因素之后，可能的基層厚度范圍還是很寬的。
較厚的基層材料會增加百分反射率。低反射率對于肉眼觀察顏色變化是重要的。而在自動化體系中，高反射率對于儀器探測微小厚度變化是重要的。
任何基層光學材料均可以用來制造這種新裝置。涂敷在溝槽實心載體表面、或者包埋于多孔載體中的球、柱體或纖維上的各種薄層可以由下列材料(但不局限于這些材料)制成無定形硅、多晶硅、碲化鋁、鈦、鍺、鈷、鎵、碲、氧化鐵或鉻。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，改變載體上基層光學薄膜厚度可控制在自動系統(tǒng)中和為不同裝置選配光學表面方面有用的光學表面的總反射率。但它對于基于顏色變化的分析方法沒有多少影響。
光學基層可適應于載體中的溝槽，溝槽也可以直接引入光學基層，或者，可使用不需要底下有溝槽載體的顆粒。
在光學基層之上可以加上一層或多層抗反射(AR)層。這些AR層可以含下列物質氧化鋁、氧化銻、氧化鉍、氧化銦、氧化錫銦、氧化錫、一氧化硅、二氧化鈦、氧化鋯、氮化硅、氧氮化硅、氧化鍺、氧化鈷、碳、氧化鉭以及大多數(shù)其它金屬氧化物、碳化物、氮化物或氧氮化物、金剛石和類金剛石碳。所有的AR材料可以用普通技術人員熟悉的工藝涂敷。
對于一個視覺分析裝置而言，該裝置必須有一個折射率高于將在基層相對的一面涂敷的AR層的光學基層。優(yōu)選實施方案是采用具有大約為AR層折射率的平方的實折射率的光學基層。光學基層的虛折射率不必符合任何特定函數(shù)。
AR層的實折射率必須約為光學基層實折射率的平方根。此外，AR層的虛折射率應較低以使這層的光吸收達到最小。但是，AR層的吸收特性可用來增強波長響應以用于自動檢測體系，如反射或散射測量或消光參數(shù)的測量。AR層數(shù)目可以在1和4之間而不至于破壞光學特性。但是，較少層數(shù)具有易于制備的好處。
至于層間相容性，只要求它們之間能夠粘得足夠緊、使檢測結果可以看見，并且，如果可能的話，結果能夠保持較久。疊層均采用較高折射率材料時，具有對被分析物特異層的較小厚度變化有較高襯比顏色改變的優(yōu)點。
特異被分析物附著于表面時的首選顏色變化是從金色或黃色到藍色。促成這樣的顏色變化所需的被分析物薄膜的厚度和顯色色強受疊層材料控制。
在含溝槽材料上涂敷AR層時，AR材料不應填滿溝槽使其堵塞?？煽刂坪穸认氯Ｊ褂弥T如聚酯、聚碳酸酯等含溝槽載體的另一個理由是，無曲徑材料不象曲徑材料那么易堵。
在使用測量反射率的儀器時，可以調整AR層使得當被分析物特異表面與被選被分析物作用時反射率的最明顯改變發(fā)生在一個特定波長。
如果是視覺檢測，可選擇層厚使厚度變化產(chǎn)生敏感的顯色。因為在抗反射條件下金色變蘭色是對比最強的顏色變化(對于人眼而言)，因此，AR層應涂敷成使上述顏色變化成為敏感顏色變化。其他顏色組合可能會為這種分析方式提供易讀性或靈活性。所有這些都可以通過改變材料組合和/或厚度很容易地做到。
層流效果還可以通過將涂敷于AR層和生物結合層(接收層)的小顆粒植于多孔載體獲得。AR涂敷的顆粒還可以以層析方式使用，易于重復，保持載體的通透性。AR涂敷的珠粒必須致密排列成膜以獲得足夠的密度和均勻折射率，防止由于入射光的散射或吸收造成的信號損失。顆粒大小應在1到3微米之間，必須很好地裝進多孔載體以給出均勻致密的光學表面。
顆粒通過使液體介質流經(jīng)顆粒進入多孔或吸收載體幫助促成液體介質藉質量轉運/層流流至光學裝置的表面。此外，使用顆粒提供了可采用層析形式的靈活性。在這種形式中，被分析物與顆粒結合，液體推動顆粒經(jīng)曲折或非曲折路徑到達固化或濃縮區(qū)去被檢測。連接層光學功能層可用硅烷、硅氧烷和許多聚合物進行多種多樣的化學修飾。這些物質可以用氣相沉積、噴霧或浸漬等方式涂敷?？梢杂萌芤夯瘜W將其它物質加至表面。這些物質是用來促進和增強被分析物特異結合試劑與光學功能層的吸附或者提供非特異捕獲被分析物的表面的。就非特異捕獲而言，被分析物的特異鑒別是通過與被捕獲被分析物作用的被分析物特異試劑實現(xiàn)的。當使用表面改變劑乳膠連接被分析物特異結合層時，它們對整個光學表面有少許影響，但它們對于整個裝置的設計是恰當?shù)?。因此，可調整一層、最好是AR層，以補償這些增加材料的影響。
對每一特異捕獲分子或被分析物，連接層厚度要優(yōu)化，連接層不會對溝槽有明顯影響。連接層厚度不到AR層厚度的10倍。金屬也可能幫助穩(wěn)定微弱結合在AR層上的分子。
連接層本身對于疊層的光學性質不起太大作用。連接層也可以改變以適應視覺或儀器方式。就儀器方式而言，應控制連接層形態(tài)以微調反射特性、達到最好的靈敏度和選擇性。改變形態(tài)可以控制薄膜的吸收特性。
連接層必須結合蛋白質或者在捕獲被分析物時本身發(fā)生厚度變化。連接層不必具有某種特定的物理性質。這一層的狀況給疊層設計提供了較大的靈活性。很多材料適合用作連接層，包括化學修飾劑，如硅烷、硅氧烷或聚合物。此外，類金剛石碳可作為疏水連接層。
令人驚訝的是，被分析物特異試劑的無機連接層在這些光學分析裝置中工作很好。具有這種作用的物質包括鉑、鎳、金、臬各姆(80％鎳，20％鉻)和鍍金氧化鉍，其中氧化鉍是用來促進金層的粘附。這些材料可以通過真空氣相沉積、濺射、光還原等方法涂敷，或者，如果AR層是半導體或導體的話，可通過電化學還原沉積。半導體材料的例子有二氧化鈦和氧化硅。導電材料的例子有氧化銦錫(ITO)或氧化錫。優(yōu)選方案是采用真空沉積涂敷金屬層。真空氣相沉積的好處是涂敷厚度可嚴格掌握，網(wǎng)狀材料可快速處理。厚度范圍可以從不到1納米至5納米而不至于嚴重影響AR層或反射。如果下面的AR層厚度在最佳范圍內但偏薄時，可用鎳、臬各姆和鉑制備大于5納米的涂層而不會明顯影響AR的狀況。但是較厚的金屬層會由于吸收而減弱反射強度，因此，應在促使更多生物分子吸附的同時，盡可能做得薄一些。此層厚度應為10-100A。此外，可使用退火和其他處理改變無機吸附層的形態(tài)。
首推的特異捕獲分子的連接取決于這些分子與AR涂層表面鎳層的相互作用。鎳層厚度在1-10納米之間。鎳層沉積最好采用真空氣相沉積。真空氣相沉積使厚度及不同批號之間的重復性得以嚴格掌握。
由金剛石或類金剛石碳(DLC)-一種具有金剛石的許多特性以及石墨的一些特性的涂層材料構成的薄膜很有名。DLC被用來描述由下列材料組成的含均一薄膜或致密填充的顆粒的一層金剛石(合成或天然的)、單晶金剛石、樹脂類金剛石、多晶金剛石、類金剛石碳、具有金剛石性質(堅硬和表面能)的無定形碳、無定形氫化DLC或碳膜、具有金剛石性質的非結晶至結晶碳膜或化學組成介于與石墨接近到與金剛石接近之間的類金剛石材料。DLC極為堅硬，具有化學抗性(惰性)、光學通透性、純金剛石涂層的熱性質及低摩擦性質。DLC在硬度及成分上可變化從無定形碳到單晶類金剛石碳到單晶金剛石。DLC膜可用下列技術制備于載體上化學氣相沉積、濺射、離子束沉積方法、等離子體沉積、離子束槍、熱射頻或微波支持的等離子體、加熱燈絲、直流等離子體和休克合成技術。
石墨含sp2雜化碳原子形成的環(huán)狀結構。金剛石含共價鍵合的脂肪族sp3雜化碳原子。根據(jù)沉積方法，DLC可具有不同程度的sp2和sp3特征。DLC中的一些鍵可能終止于氫。Sp2和sp3特征的相對豐度決定膜的總體性質。膜定性可用下列方法進行接觸角測量(測量疏水性)、電子能量損失光譜學(EELS)、反射高能電子衍射(RHEED)和傅里葉變換紅外光譜學(FTIR)。Sp3雜化碳的喇曼峰位于1332cm-1，而sp2雜化碳的峰位于1345和1540cm-1。含兩種碳的混合物可能呈現(xiàn)這些喇曼峰的組合。sp2和sp3特征的量也決定膜的硬度。改變氣體中氫的含量會影響膜的電子密度、硬度和其他性質，如疏水性。
DLC涂敷領域的普通技術人員知道，DLC可以涂敷于各種載體材料上，如硅、硅化載體、塑料、塑料硅混合物、陶瓷、金屬或者這些材料組合而成的混合物。DLC可在低溫(100℃以下)或高溫條件下制備。DLC可在有氫或無氫條件下從甲烷、烯烴氣體、一氧化碳中制備。含碳氣體沉積過程可因工藝的不同，溫度、氣體組成、非碳材料的量和其他反應條件的差異而產(chǎn)生各種不同的DLC膜。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在硅、聚碳酸酯或其他表面上的DLC膜能夠緊密吸附生物學分子(生物分子)，如抗體、抗原、多糖、脂多糖、核酸和其他物質。DLC涂層已經(jīng)有很多方法制備(所有方法對本發(fā)明均適用)，而采用離子束技術直接沉積是提供用于生物連接涂層的氫化DLC膜的首選方法。膜可在室溫或接近室溫的條件下制備，因而可以使用前面說過的許多種底物材料。
可以采用使甲烷通過感偶射頻離子槍制備DLC涂層，在離子槍里甲烷被分解形成氫化無定形金剛石膜，工藝參數(shù)和材料決定被涂表面的表面特性。
為了改變DLC(氫化DLC)的氫含量，DLC的疏水性可通過改變sp2/sp3性質而改變。
用于生物吸附的DLC膜的典型硬度范圍在毫微壓痕計上為15-50Gpa。這些膜的典型折射率范圍為Gaertner橢圓表上讀數(shù)1.5到2.2。在上述材料硬度和折射率范圍內，生物分子的連接似乎是相同的。盡管沒有任何理論依據(jù)，通常認為，較低硬度的無定形氫化碳膜具有較高的疏水特性，較硬薄膜由于表面具有更多的sp2特征(C＝C)而含較多的富電子位點。
疏水特性被認為是吸附生物分子的主要機制。然而，富電子區(qū)也可能促進靜電作用。DLC表面的疏水性和電子密度可以調節(jié)以適應要固定的生物分子類別。這可以根據(jù)分析表面sp2/sp3性質和生物分子特性來實現(xiàn)。例如，DLC表面的sp3特征越多，疏水性越高；sp2特征越多，電子密度(靜電表面)越大。搞這一行的人熟悉測定生物分子疏水性和電子密度的技術。
或者，可以通過經(jīng)驗獲得最適于留住生物分子的表面/生物分子匹配。為了通過試驗尋找DLC表面與生物分子的匹配，需制備各種DLC表面。如果分子是疏水的，那么，DLC要涂敷得使表面具有不同程度的疏水性。諳熟此行的人懂得改變下列參數(shù)以獲得疏水特性不同的表面的技術沉積過程、溫度、涂敷時間、含碳氣體的類型和量、有否非碳氣體或其含量、或容器總壓力。用相同組成、離子強度、pH和生物分子含量的溶液將生物分子涂敷于各種試驗DLC表面。在相同溫度下對所有表面涂敷相同時間。然后，沖洗并弄干表面。檢測在不同組成表面上吸附的生物分子的量。如果有抗生物分子抗體，可將其與辣根過氧化物酶(HRP)綴合來評價表面。將一定量稀釋了的抗生物分子抗體HRP綴合物加到每一試驗表面，保溫一段時間，再洗、干。然后將可溶TMB底物溶液加到試驗DLC表面，保溫一段時間。取一定量溶液，置于含一定量終止液的微滴定孔中，讀取吸收值。測得的吸收值與DLC表面吸附生物分子的能力是相關的。
或者，可以通過測定表面接觸角來檢查生物分子的結合。因此，接觸角(在生物分子吸附前后的)變化可用來評價吸附生物分子的量。其他表面分析技術，如EELS、FTIR、RHEED也能用來評價DLC表面生物分子的吸附。
類似方法可用來評價不同電子密度DLC表面對生物分子的靜電吸附。本領域普通技術人員懂得改變下列參數(shù)以獲得電子密度不同的DLC表面的技術沉積過程、溫度、涂敷時間、含碳氣體的類型和量、有否非碳氣體或其含量、或容器總壓力。
某些用途可能需要在表面固定有限數(shù)量的生物分子作為捕獲試劑。可以控制DLC膜表面化學以限制被固定的捕獲試劑的量。
涂敷在表面上可增進生物分子吸附的DLC的最小厚度應在50-500A范圍內。但是，這不代表上限。吸附生物分子的DLC薄層厚度為50A是合適的。這在DLC與AR層結合使用的視覺檢測裝置中尤為有用。但是，對于依賴于示蹤物產(chǎn)生信號的方法來說，上限可以高很多，可在微米范圍?？赏糠蟮谋砻姘ǘ喾N構型，從而使得通過DLC將生物分子吸附在這些表面成為可能。因而DLC可用來在各種各樣形式的傳感器、電極、ELISA、RIA和其他生物分析方法中固定生物分子。
如果在一個光學免疫分析裝置中DLC同時用作抗反射層和連接層的話，它必須滿足下列條件?？捎糜诟缮娣治龇椒ㄖ械牟牧系恼凵渎时仨氃?.0附近。DLC在可見光范圍內的折射率為2至3，同時還有一些復折射率成分，這就能產(chǎn)生較好的光輸出、改善產(chǎn)色。當復折射率較小時，入射光的吸收較少。在一些應用中，DLC必須是光學透明的。DLC覆層與含AR膜的可調節(jié)層的結合適合產(chǎn)生可見的干涉效果。一個可能的組合可以是氮化硅膜(450A，nf＝2.0)加上一個50A的DLC覆層(nf＝1.7)。諳熟此行的人能夠制備其他合適的DLC覆層。接收層被分析物特異結合試劑可以是螯合物、抗體、抗原、受體、配基、蛋白質、核酸、DNA、RNA、酶、能夠結合特異被分析物的任何生物分子或它們的類似物或衍生物，或者聚合物層。
涂敷結合試劑可通過在一個含試劑的容器中浸漬底物或將試劑噴灑在底物上再沖洗一下完成。點涂、噴墨、氣刷或其他技術也可使用。涂好后，若要保存試劑，可以再涂敷一穩(wěn)定層，也可不涂。
可以采用非特異捕獲機制檢測被分析物。在這種分析形式中，被分析物可藉多種化學相互作用吸附于表面。一旦被分析物結合到光學裝置上，特異試劑可用來檢測被分析物的存在(例如，特異結合被分析物的抗體、被分析物還可連上增加質量的物質)。聚酯或聚碳酸酯，無定形硅，氮化硅和鎳一個特定溝槽載體包含具有隨機分布特點、大小在0.01-14微米的溝槽的聚酯或聚碳酸酯。表面溝槽密度大約為1-15％，為達到最優(yōu)性能，應在5％以下。這樣做可以防止由于溝槽存在造成的有效折射率的減小。溝槽載體可涂上厚度為300-5000A的無定形硅。可以調節(jié)光學基層的厚度和填充密度以控制基層的折射率，這又可以反過來控制總折射率，并使其可以針對具體用途優(yōu)化。光學涂層材料可能要適應溝槽載體。使用無定形碳時，這一點就不是那么必要。溝槽載體必須較為均一，溝槽密度盡管隨機，必須保證在單位面積上有大約相同的百分比。
氮化硅層可經(jīng)過反應加至無定形硅層上，厚度可在30-70納米之間?？梢钥刂坪穸纫赃_到對某種應用最適的反差。采用氣相沉積涂敷現(xiàn)有光學層的一個好處是控制折射、反差及產(chǎn)色，使每一表面可滿足某種應用的需要。在自動和視覺檢測方案之間表面結構存在最大的區(qū)別。
裝置基層采用無定形硅有許多優(yōu)點。第一，無定形硅比多晶硅有著更高的折射率；第二，由于在可見波長范圍內的吸收的增加，無定形硅膜可以做得較??；第三，由于形成無定形硅無需表面加熱，無定形硅可以涂敷于低溫載體，如紙和塑料。無定形硅比其他一些高折射率材料具有更好的結合和機械穩(wěn)定性。
有許多理由使一薄層的鎳作為連接層之首選。第一，鎳對于上面提到AR層、特別是氧化硅的吸附很好；此外，鎳的折射率為1.78。盡管其消光系數(shù)為7.4×105，鎳薄層不顯著影響AR層的折射率。與天然氧化硅相比，鎳似乎可增加生物分子的吸附。這可能是由于特異相互作用，如氫鍵、Pi反饋鍵和金屬硫化鍵的形成。
實施例實施例1采用吸附材料評價流體特性在用醋酸纖維素或其他纖維或多孔吸濕材料做襯墊時，含0.6、1和5微米溝槽的聚碳酸酯載體的流體特性表現(xiàn)出所需的流體特性。所需流體特性包括流經(jīng)和/或流過表面的液體流速、光學表面液體的保留和樣品溶液在整個表面的均勻流動。假定樣品體積為160-1000μL，流速應能保證反應時間。表面的最適流動和干燥可這樣獲得親水溝槽載體用一極薄疏水膜作為襯墊，其下面再墊另一親水性吸附材料以防止表面干燥后樣品倒流。干燥雖然不是肉眼檢測光學信號所必須的步驟，但確實產(chǎn)生更易檢測的信號，因為空氣的折射率較液體介質為低(除非介質為氣體)，這就大大縮短了總分析時間。實施例2相對于非溝槽載體的分析時間的縮短在非溝槽載體(硅)和溝槽載體(聚碳酸酯)上制備可與A型鏈球菌特異多糖抗原反應的試驗表面。硅制試驗裝置可以買到。溝槽載體是具有1微米溝槽的聚碳酸酯。其上依次涂敷無定形硅、氮化硅。然后按照實施例3，用DCDMS硅烷化。硅烷化后，表面上吸附A型鏈球菌抗體后，進行改進的A型鏈球菌OIA分析。在需時一分鐘的提取步驟中提取抗原，提取液用一試劑中和，試劑中也含有用于沉淀形成固體膜酶產(chǎn)物的抗A型鏈球菌抗體與HRP的偶聯(lián)物。全部250μl提取液體積(可超過300μl)加到溝槽裝置表面。對于實心非溝槽裝置而言，樣品限制在大約35μl。樣品在大約30秒內流過裝置表面，洗二次，各10秒。實心非溝槽裝置需要保溫2分鐘，然后再洗一次，約20秒。將酶底物加進溝槽裝置，保溫一分鐘，可少至30秒(特別是在高抗原濃度時)。沖洗、干燥，然后觀察。實心裝置在洗、干、讀之前需要與酶底物保溫2分鐘。與實心載體相比，溝槽載體縮短總分析時間1.5分鐘或約為總分析時間的一半。與標準實心光學載體相比，以樣品質量轉運/層流為特征的溝槽裝置給出同樣的分析水準，但提高了速度。實施例3A型鏈球菌OIA分析的比較含1微米構槽的聚碳酸酯載體覆蓋一層厚度為2000A的無定形硅的光學基層。AR層為氮化硅，厚度為420A，折射率為2.0。光學層采用工業(yè)標準參數(shù)通過離子束沉積方式涂敷。連接層為DCDMS，用其2％的1，1，1-三氯乙烷溶液通過氣相沉積涂敷于載體上，不用催化劑，在室溫下處理10分鐘?？笰型鏈球菌抗體用含0.1 M HEPES，pH8.0，6μg/ml抗體的溶液涂敷在裝置上，45℃保溫2小時。裝置經(jīng)無離子水洗后，立即使用。采用360μl預先提取的抗原標準加上40μl綴合物，混合物加至光學裝置。對每一抗原標準施加差壓(真空)2分鐘，約100μl水洗二次。然后加入底物。4分鐘后按上述洗滌步驟水洗，差壓干燥，記錄可視變化。使用這一特定抗體制備進行評估，構槽裝置給出的臨界水平為400μl樣品稀釋至1∶96000。采用實心(無構槽)載體的裝置給出的臨界水平同樣抗原樣品稀釋至1∶2400。因此，采用構槽載體使靈敏度增加了40倍。使用差壓只是為了控制液流使操作步驟耗時與A型鏈球菌OIA分析(非構槽載體)相當。使用差壓并非是必要的。裝置本身可使樣品發(fā)生質量轉運/層流。
在另一個實驗中，300μl稀釋至1∶2400的抗原標準樣品與綴合物結合后加到構槽光學載體樣品上，采用差壓將全部樣品在30秒內吸過裝置。100μl洗三次，每次5秒。洗后，加入底物，保溫1分半。保溫不到30秒即可觀察到顏色出現(xiàn)。最后，200μl沖洗構槽光學載體10秒鐘。使用構槽光學載體的整個分析時間為2分25秒。相比之下，實心載體的時間為8分鐘(在1∶2400水平)。這一數(shù)據(jù)表明，采用構槽載體可以將分析時間縮短至2分25秒、同時維持與實心載體系統(tǒng)可比的靈敏度(1∶2400水平)。這一靈敏度已被證明具有很好的臨床使用價值。實施例4DLC涂敷的薄膜與T聚合硅氧烷涂敷的薄膜的比較按美國專利5468606的方法，硅片涂敷氮化硅后再涂敷T聚合硅氧烷。DLC涂層厚度為50A。將許多不同的DLC涂層和T聚合物表面作了比較。在這個例子中評估的不同DLC表面制備是用離子束沉積法做成的。沉積工藝參數(shù)有所變化，產(chǎn)生略有不同的DLC涂層?？梢愿淖兊膮?shù)包括溫度、涂敷時間、含碳氣體的種類和用量、有無非碳氣體或非碳氣體用量和容器總壓力。本領域普通技術人員知道如何改變這些以及其他參數(shù)以改變DLC表面特性。在這個例子中，DLC通過直接離子束沉積，采用甲烷和氬氣混合物、直流感偶射頻離子槍制成。甲烷分子斷裂形成等離子體，在表面上沉積成一氫化無定形金剛石薄膜。薄膜在約25℃制備。被涂底物溫度對產(chǎn)生的DLC的硬度和疏水性也會有很大影響。
氫化無定形碳膜的表面能與這些膜的疏水性相關。強親水性的碳膜具有60°的水接觸角和49爾格/cm2的表面能。疏水表面具有110°的水接觸角和23-24爾格/cm2的表面能。
在這個例子以及其他例子里制備的薄膜具有71°的水接觸角和45爾格/cm2的表面能。在此例以及下面的例子里的無定形氫化碳膜含氫量在12-23％之間。
此分析方法包括將表面與一定體積、含1∶1000或1∶5000稀釋的從衣原體的原粒體制備的脂多糖(LPS)抗原或負對照保溫。LPS非特異吸附于DLC或T聚合物表面后，抗LPS抗體HRP綴合物加至表面，保溫10分鐘。接著，取100μl可溶TMB底物，加入含100μl樣品的微滴定孔中，記錄在450納米處的吸收值。這種方法可對DLC涂層和T聚合物表面對LPS的捕獲作半定量比較。圖3和圖4將不同DLC涂層與T聚合物表面的性能作了比較。作圖數(shù)值是信號減去背景(負對照結果)。LPS稀釋至1∶1000時，在DLC表面產(chǎn)生的信號與相應的T聚合物的值可比，在某些情況下更高(見圖3)。這表明，可以成功地改變DLC表面，使LPS的結合減少至所需水平。LPS稀釋至1∶5000時的結果與稀釋至1∶1000時相近，但在某些情況下，結合到DLC上的量明顯改善了(見圖4)。在別的情況下，DLC捕獲LPS的能力明顯較低。再次表明，DLC的這種能力可調節(jié)至所需的生物分子吸附程度。實施例5用DLC表面檢測流感病毒A或B硅片涂敷約450A厚的氮化硅和50A厚的DLC以獲得折射率2.0。復合薄膜厚度的測量結果表明薄片上的涂層厚度為493.8±5.8A，折射率為2.058±0.003。
流感病毒A和B的單抗分別點樣至DLC表面。每個點加5μl不同抗體濃度的樣品(每個點上有等量、標示濃度的每種抗體)。保溫10分鐘，洗滌、干燥。15μl綴合物(抗流感病毒A和抗流感病毒B抗體與辣根過氧化物酶(HRP)結合)與75μl稀釋至不同濃度(按表1中稀釋倍數(shù))的病毒A或B混合。所用流感病毒A為香港A(HK A)，流感病毒B為巴拿馬B。10μl混合液加至表面，室溫保溫5分鐘。將該混合物從表面潤濕，并滲干。加一滴HRP底物至表面，保溫5分鐘以使沉淀形成。洗掉底物、吸干。結果見表1。表中比較了在兩種病毒的不同稀釋度下PBS負對照、香港(流感病毒A)或巴拿馬(流感病毒B)的吸附。表面抗體點樣量為5μg(0.005ml X1mg/ml X1000μg/mg)時，兩種病毒捕獲較好。
表1
實施例6在受體涂敷的工業(yè)級金剛石上檢測配基受體固定于購自Key Industrial Diamond Corporation的0.2微米工業(yè)級金剛石上。受體用1mg/ml儲存液涂敷于金剛石上100μl受體和10μl金剛石混合。受體在室溫下保溫過夜。2μl上述樣品加至表面，保溫15分鐘。水洗實心載體，在氮氣流下吹干。這就制成了DLC/受體涂敷的表面。
為了檢查DLC/受體表面的性能，加入15μl可與受體反應的配基樣品，保溫5分鐘，洗去未結合配基，在氮氣流下吹干。加入抗配基抗體/HRP綴合物，保溫5分鐘，然后濕潤，干燥。結果肉眼可讀。所有陽性樣品都被檢測了(未示數(shù)據(jù))。雖然未優(yōu)化條件，這個實驗表明工業(yè)金剛石可用來固定生物分子，可以制備一個固定生物分子的涂層薄膜。實施例7DLC表面捕獲DNA用無離子水將一個生物素標記的14堿基寡聚核苷酸(14mer)稀釋至1μM/ml。從這一儲存液將14mer進一步稀釋至10pmole/ml。在每個稀釋度取1μl樣品加至DLC涂敷的氮化硅/聚酯表面。干30分鐘。洗掉未結合的14mer。干燥表面。在每一個DNA加樣點覆蓋100μl抗生物素抗體-HRP綴合物，室溫保溫10分鐘，然后濕潤，干燥。DNA/綴合物點再覆蓋約100μl可形成沉淀的TMB底物，保溫5分鐘，然后濕潤，干燥。DNA加樣點相對于光學背景的顏色變化表明DNA吸附在DLC表面上。這個實驗表明，10 fmoles DNA被固定在DLC表面上，并通過形成沉淀的酶反應被觀察到(未示數(shù)據(jù))。實施例8DLC表面DNA∶DNA雜合體的檢測如同前一個例子，使用DLC/氮化硅/聚酯載體。10納摩爾生物素標記的14mer與10納摩爾互補14mer混合，在20 mM Tris，pH7.5，15 mMMgCl2和50 mM NaCl(終體積為22μl)中室溫退火15分鐘。取出4μl雜交液，與1μl S1核酸酶、22μl水和3μl S1緩沖液混合。室溫保溫15分鐘，降解單鏈DNA。加1μl雜合體樣品至DLC表面，干燥。將表面進行洗滌，干燥。加入抗生物素抗體/HRP綴合物，保溫10分鐘，洗、干。加入HRP沉淀底物，保溫5分鐘，表面洗、干，觀察。采用這一技術，60 pmoles生物素標記的探針被檢測到了(未示數(shù)據(jù))。沒有互補鏈或沒有DNA時無信號。不用S1核酸酶處理時，生物素標記的探針或雜合體的捕獲均給出信號。實施例9DLC膜疏水性的檢測為了增加DLC薄膜的疏水性，可將更多的sp3特征引入薄膜或增加DLC薄膜中氫化碳的含量。在這個例子中，DLC膜中氫化碳的量被增加。離子束沉積是許多可用的涂敷工藝之一。一個以25A/分鐘涂敷氫化無定形DLC的適中的涂敷工藝采用下列設置參數(shù) 設置射頻功率，正向 300W射頻功率，反向 0W束電壓 100mAmp加速電壓 200V電流電壓 8.2mAmp恒定柵溫 170℃
臺板溫度 85-90℃流速(甲烷)40sccm*源8cm-關*標準立方厘米/分鐘。
以50W為一檔改變正向射頻功率并改變甲烷流速以使射頻反向保持為零可改變DLC膜的疏水性。所有其他參數(shù)在涂敷容器的正常限制范圍內保持恒定。若要制備更象石墨的DLC，氣體可變?yōu)榧淄楹鸵蚁┑幕旌衔锘蚣円蚁?。按照上面所列參?shù)設置，改變兩種氣體之比可得到一系列疏水性不同的DLC膜。對于純乙烯氣體，上面所列參數(shù)設置也可以使用。本領域普通技術人員會懂得別的沉積工藝也可作類似修改以產(chǎn)生一系列DLC。根據(jù)上面對離子束沉積的討論，可以對諸如化學氣相沉積、等離子體沉積等沉積工藝作類似改變。
其他實施方案包含于下列權利要求中。
權利要求
1.一種檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置，包括一種含通道的載體；一種光學功能層，此層位于所說載體之上，使得所說光學功能層和所說載體允許所說樣品以層流形式流過所說裝置的疊層；一種連接層，此層位于所說光學功能層之上；一種被分析物特異的接收層，此層位于所說連接層之上。
2.一種檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置，包括一種含通道的載體；一種光學功能層，此層位于所說載體之上、使得所說光學功能層和所說載體允許所說樣品以層流形式流過所說裝置的疊層；一種連接層，此層位于所說光學功能層之上。
3.一種檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置，包括一種多孔載體；一種光學功能層，此層含有包埋于所說載體的、分立的光學功能顆粒，使得所說光學功能層和所說載體允許所說樣品以層流形式流過所說裝置的疊層；一種連接層，此層位于所說顆粒之上；一種被分析物特異的接收層，此層位于所說連接層之上。
4.一種檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置，包括一種多孔載體；一種光學功能層，此層含有包埋于所說載體的、分立光學功能顆粒，使得所說光學功能層和所說載體允許所說樣品以層流形式流過所說裝置的疊層；一種連接層，此層位于所說顆粒之上。
5.一種檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置，包括一種多孔載體；一種光學功能層，此層含有位于所說載體之上的槽溝，使得所說光學功能層和所說載體允許所說樣品以層流形式流過所說裝置的疊層；一種連接層，此層位于所說光學功能層之上；一種被分析物特異的接收層，此層位于所說連接層之上。
6.一種檢測樣品中興趣被分析物的光學分析裝置，包括一種多孔載體；一種光學功能層，此層含有位于所說載體之上的槽溝，使得所說光學功能層和所說載體允許所說樣品以層流形式流過所說裝置的疊層；一種連接層，此層位于所說光學功能層之上。
7.權利要求1、2、3、4、5或6中任意一項所述的裝置，其中所說光學功能層還含一抗反射層。
8.權利要求1、2、3、4、5或6中任意一項所述的裝置，其中所說連接層為鎳。
9.權利要求1、2、3、4、5或6中任意一項所述的裝置，其中所說光學功能層周圍或載體下面還含吸附材料。
10.權利要求1、2、3、4、5或6中任意一項所述的裝置，其中所說載體含有聚酯或聚碳酸酯；所說光學功能層含有位于一層無定形硅上的一層氮化硅；所說連接層含有鎳。
11.權利要求1、2、3、4、5或6中任意一項所述的裝置，其中所說載體含有聚酯或聚碳酸酯；所說光學功能層含有一層鍺及其上面的一層類金剛石碳。
12.權利要求1、2、3、4、5或6中任意一項所述的裝置，其中所說光學功能層含有一層鍺及其上面的一層類金剛石碳；所說連接層含有鎳。
13.一種檢測樣品中被分析物的存在和含量的方法，包括下列步驟提供包括下列部分的一種裝置一種載體；一種光學功能層，此層位于所說載體之上；一種連接層，此層位于所說光學功能層之上；一種被分析物特異的接收層，此層位于所說連接層之上；將所說樣品加樣至所說裝置的表面，使所說樣品藉層流流經(jīng)和/或流過所說裝置疊層；所說被分析物與所說被分析物結合層結合，造成所說裝置的所說表面上的質量改變，從而指示所說樣品中所說被分析物的存在或含量。
14.一種檢測樣品中被分析物的存在和含量的方法，包括下列步驟提供包括下列部分的一種裝置一種載體；一種光學功能層，此層位于所說載體之上；一種連接層，此層位于所說光學功能層之上；將所說樣品加樣至所說裝置的表面，使所說樣品藉層流流經(jīng)和/或流過所說裝置疊層；所說被分析物與所說連接層結合；提供與結合在所說連接層上的所說被分析物結合的被分析物特異結合試劑，造成在所說裝置表面質量變化，從而指示所說樣品中所說被分析物的存在或含量。
15.權利要求13或14所述的方法，其中所說載體含構槽。
16.權利要求13或14中的方法，其中所說載體是多孔的；所說光學功能層含顆粒。
17.權利要求13或14中的方法，其中所說載體是多孔的；所說光學功能層含構槽。
18.制備具有層流特性的光學裝置的方法，含下列步驟提供一種載體；提供一種位于所說載體之上的光學功能層，使得所說光學功能層和所說載體允許所說樣品以層流形式流過所說裝置的疊層；提供一種位于所說光學功能層之上的連接層；提供一種位于所說光學功能層之上的被分析物特異接收層。
19.制備具有層流特性的光學裝置的方法，含下列步驟提供一種載體；提供一種位于所說載體之上的光學功能層，使得所說光學功能層和所說載體允許所說樣品以層流形式流過所說裝置的疊層；提供一種位于所說光學功能層之上的連接層。
20.權利要求18或19中的方法，其中所說載體含構槽。
21.權利要求18或19中的方法，其中所說載體是多孔的，所說光學功能層含顆粒。
22.權利要求18或19中的方法，其中所說載體是多孔的，所說光學功能層含構槽。
23.一種含載體和光學功能層的結構，此結構可用于增進樣品藉層流流過所說疊層。
24.權利要求23中的結構，其中所說載體含構槽。
25.權利要求23中的結構，其中所說載體是多孔的，所說光學功能層含光學功能顆粒。
26.權利要求23中的結構，其中所說載體是多孔的，所說光學功能層含構槽。
27.權利要求23中的結構，其中所說載體含有聚碳酸酯，所說光學功能層含無定形硅。
28.權利要求27中的結構，其中所說光學功能層在無定形硅上面還含一層氮化硅。
29.權利要求23中的結構，其中所說載體含有聚碳酸酯，所說光學功能層含有鍺。
30.權利要求29中的結構，其中所說光學功能層在所說鍺之上還含一層類金剛石碳。
31.權利要求23中的結構，其中所說載體含有聚酯，所說光學功能層含有無定形硅。
32.權利要求31中的結構，其中所說光學功能層在無定形硅之上還含有一層氮化硅。
33.權利要求23中的結構，其中所說載體含有聚酯，所說光學功能層含有鍺。
34.權利要求33中的結構，其中所說光學功能層在鍺之上還含有一層類金剛石碳。
35.一種可用作連接層的類金剛石碳的非惰性結構。
36.權利要求1、2、3、4、5或6中任意一項所述的裝置，其中所說被分析物選自下列一組物質抗原、抗體、受體、配基、螯合物、蛋白質、酶、核酸、DNA、RNA、殺蟲劑、除莠劑、無機和有機化合物。
37.權利要求1、2、3、4、5或6中任意一項所述的裝置，其中所說光學功能層含有在一層無定形硅上的一層氮化硅。
38.權利要求1、2、3、4、5或6中任意一項所述的裝置，其中所說連接層含有類金剛石碳。
39.一種檢測興趣被分析物的分析裝置，包括一種載體；一種連接層，此層位于所說載體之上、含有類金剛石碳。
40.一種檢測興趣被分析物的光學分析裝置，包括一種載體；一種光學功能層，此層位于所說載體之上；一種連接層，此層位于所說光學功能層之上、含有類金剛石碳。
41.權利要求39或40中的裝置，在所說連接層之上還含有一種被分析物特異接收層。
42.權利要求39或40中的裝置，其中所說連接層非特異結合選自下列物質的被分析物抗原、抗體、受體、核酸、多糖、脂多糖、酶、蛋白質、微生物、微生物來源的片段、不完全抗原、藥物、食品污染物，環(huán)境因子，配基，螯合物和它們的類似物或衍生物。
43.權利要求41中的裝置，其中所說接收層含有選自下列物質的生物分子抗原、抗體、受體、核酸、多糖、脂多糖、酶、蛋白質、微生物、微生物來源的片段、不完全抗原、藥物、食品污染物，環(huán)境因子，配基，螯合物和它們的類似物或衍生物。
44.權利要求39中的裝置，其中所說載體上類金剛石碳的涂敷厚度達50A。
45.權利要求40中的裝置，其中所說光學功能層上類金剛石碳的涂敷厚度達50A。
46.權利要求39中的裝置，其中所說載體上類金剛石碳的涂敷厚度達50-3000A。
47.權利要求39中的裝置，其中所說光學功能層上類金剛石碳的涂敷厚度達50-3000A。
48.權利要求39中的裝置，其中所說類金剛石碳通過下列過程之一涂敷于所說載體上離子束技術、化學氣相沉積、等離子體沉積、離子束槍、休克合成技術、濺射、熱射頻和微波支持的等離子體、加熱燈絲、直流等離子體、化學氣相沉積和等離子體沉積。
49.權利要求40中的裝置，其中所說類金剛石碳通過下列過程之一涂敷于所說光學功能層上離子束技術、化學氣相沉積、等離子體沉積、離子束槍、休克合成技術、濺射、熱射頻和微波支持的等離子體、加熱燈絲、直流等離子體、化學氣相沉積和等離子體沉積。
50.權利要求39或40中的裝置，其中所說類金剛石碳含有工業(yè)金剛石。
全文摘要
一種在樣品中檢測興趣被分析物的光學分析裝置,包括,一種含溝槽的載體,一種位于該載體上的光學功能層,并使該光學功能層和載體允許樣品藉層流通過裝置疊層,一種位于光學功能層上的連接層,以及位于連接層上的被分析物特異接收層。
文檔編號G01N21/25GK1244219SQ97180907
公開日2000年2月9日 申請日期1997年10月20日 優(yōu)先權日1996年10月31日
發(fā)明者喬爾·A·德魯斯, 格雷戈里·R·博加特, 杰弗里·B·埃特, 杰弗里·W·斯蒂芬斯, 雷切爾·M·奧斯特羅夫, 馬克·克羅斯比 申請人:生物星公司