УСТРОЙСТВО, ПРИМЕНЯЕМОЕ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ АФФИННОСТЕЙ СВЯЗЫВАНИЯ
DEVICE FOR USE IN DETECTION OF BINDING AFFINITIES

Настоящее изобретение относится к устройству, применяемому для детектирования аффинностей связывания, а также способу детектирования аффинностей связывания согласно соответствующему независимому пункту.
Такие устройства используются, например, в качестве биодатчиков, в большом количестве разнообразных применений. Одним из частных применений является детектирование или мониторинг аффинностей связывания или процессов. Например, с помощью таких биодатчиков можно осуществлять разнообразные исследования по детектированию связывания проб-мишеней с сайтами связывания. Как правило, большое количество таких исследований выполняют на биодатчике в пятнах, расположенных в двухмерной микроматрице на поверхности биодатчика. Применение микроматриц обеспечивает средство для одновременного детектирования аффинностей связывания или процессов различных проб-мишеней в высокопроизводительных скринингах. Для детектирования аффинностей проб-мишеней к связыванию со специфичными сайтами связывания, например, аффинности молекул-мишеней к связыванию с определенными молекулами захвата, большое количество молекул захвата иммобилизуют на внешней поверхности биодатчика в отдельных пятнах (например, путем струйного нанесения или фотолитографией). Каждое пятно образует отдельную зону измерения молекулы захвата заданного вида. Связывание молекулы-мишени с молекулой захвата определенного вида детектируют и используют для получения информации об аффинности связывания молекулы-мишени по отношению к определенной молекуле захвата.
В известной технологии детектирования аффинностей связывания проб-мишеней используют флуоресцентные метки. Флуоресцентные метки при возбуждении способны испускать флуоресцентный свет. Испускаемое флуоресцентный свет имеет характеристический эмиссионный спектр, который идентифицирует присутствие флуоресцентной метки в конкретном пятне. Идентифицированная флуоресцентная метка показывает, что помеченная молекула-мишень связана с сайтами связывания определенного вида, присутствующими в данном пятне.
Датчик для детектирования помеченных проб-мишеней описан в статье "Zeptosens’ protein microarrays: A novel high performance microarray platform for low abundance protein analysis", Proteomics 2002, 2, S. 383-393, Wiley-VCH Verlag GmbH, 69451 Weinheim, Germany. Датчик, описанный в данной работе, содержит планарный волновод, расположенный на подложке. Планарный волновод имеет внешнюю поверхность, способную присоединять множество сайтов связывания. Более того, планарный волновод имеет множество вводящих линий для ввода пучка когерентного света внутрь планарного волновода таким образом, чтобы пучок когерентного света распространялся вдоль планарного волновода. Когерентный свет распространяется через планарный волновод при полном отражении с затухающим полем когерентного света, распространяющегося вдоль внешней поверхности планарного волновода. Глубина проникновения затухающего поля в среду с более низким показателем преломления на внешней поверхности планарного волновода составляет по порядку величины долю длины волны когерентного света, распространяющегося через планарный волновод. Затухающее поле возбуждает флуоресцентные метки помеченных проб-мишеней, связанных с сайтами связывания, расположенными на поверхности планарного волновода. Из-за очень незначительной глубины проникновения затухающего поля в оптически более тонкую среду на внешней поверхности планарного волновода возбуждаются только помеченные пробы, связанные с сайтами связывания, иммобилизованными на внешней поверхности планарного волновода. Флуоресцентный свет, порожденный этими участками, затем детектируют с помощью CCD камеры (камеры с ПЗС матрицей).
Хотя, применяя флуоресцентные метки принципиально возможно определять аффинности связывания, данная технология имеет недостаток, который заключается в том, что обнаруженный сигнал создается скорее флуоресцентными метками, чем партнерами по связыванию как таковыми. Кроме того, нанесение метки на пробы-мишени требует дополнительных стадий подготовки. Более того, помеченные пробы-мишени являются сравнительно дорогими. Другим недостатком является искажение результатов, вызванное стерическими затруднениями флуоресцентных меток у пробы-мишени, что может препятствовать связыванию проб-мишеней с молекулами захвата. Дополнительные недостатки возникают из-за искажения результатов по причине эффектов фотообесцвечивания или гашения.
Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства, применяемого для детектирования аффинностей связывания между пробой-мишенью и сайтом связывания, а также способа, способного детектировать сигнал, представляющий аффинности связывания, которые устраняют или, по меньшей мере, существенно сокращают описанные выше недостатки в уровне техники.
В соответствии с изобретением эта задача решается при помощи устройства, применяемого для детектирования аффинностей связывания. Устройство содержит планарный волновод, расположенный на подложке. Планарный волновод имеет внешнюю поверхность и множество вводящих линий для ввода пучка когерентного света внутрь планарного волновода так, чтобы при работе устройства параллельный пучок когерентного света распространялся вдоль планарного волновода с затухающим полем, распространяющимся вдоль его внешней поверхности. Множество вводящих линий являются изогнутыми и расположены так чтобы иметь уменьшающееся расстояние между смежными вводящими линиями, если смотреть в направлении распространения параллельного пучка когерентного света вдоль планарного волновода, расположение множества вводящих линий и расстояние между смежными вводящими линиями является таким, чтобы при работе расходящийся пучок когерентного света заданной длины волны, исходящий из заданного первого фокусного положения и падающий на множество вводящих линий, вводился в планарный волновод так, чтобы параллельный пучок когерентного света распространялся вдоль планарного волновода. Множество сайтов связывания, способных связывать пробу-мишень, присоединяют к внешней поверхности. Присоединенные сайты связывания располагают вдоль по меньшей мере одного дополнительного множества дифракционных линий, расположенных в выводящей секции планарного волновода. По меньшей мере одно дополнительное множество дифракционных линий содержит множество изогнутых выводящих линий, которые расположены так, чтобы иметь уменьшающееся расстояние между смежными выводящих линиями, если смотреть в направлении распространения когерентного света, падающего на них так, чтобы быть способным к дифракции части когерентного света заданной длины волны, падающего на изогнутые выводящие линии, для его вывода из планарного волновода таким образом, чтобы выведенная часть когерентного света заданной длины волны сходилась в заданном втором фокусном положении, чтобы обеспечивать во втором фокусном положении сигнал, представляющий аффинность связывания сайтов-связывания с пробой-мишенью.
Следует отметить, что термин «изогнутые выводящие линии» содержит как «реальные» линии, обладающие оптически рассеивающим эффектом (линии, присутствующие физически, например, линии оптической решетки) и рассеивающие часть когерентного света заданной длины волны в заданное второе фокусное положение (в этом случае сайты связывания расположены вдоль дополнительного множества «виртуальных» линий для образования биологической решетки вместе с пробами-мишенями для рассеивания части параллельного пучка когерентного света по направлению к «реальным» линиям), так и «виртуальные» линии (линии, которые могут физически не присутствовать на внешней поверхности волновода или которые сами не обладают оптически рассеивающим эффектом, но образованы сайтами связывания, расположенными вдоль этих «виртуальных» линий для образования биологической решетки вместе с образцами-мишенями). Оба вида «изогнутых выводящих линий», как «реальные», так и «виртуальные» линии, рассеивают часть когерентного света заданной длины волны в заданное второе фокусное положение. В последнем случае, т.е. когда изогнутые выводящие линии образованы «виртуальными» линиями биологической решетки, «реальные» линии, такие как линии оптической решетки, могут присутствовать или не присутствовать в дополнение к биологической решетке.
Термин «изогнутые вводящие линии» также содержит как «реальные» линии, обладающие оптически рассеивающим эффектом (линии, присутствующие физически, например, линии оптической решетки) и рассеивающие часть когерентного света заданной длины волны, для ввода дифрагированной части когерентного света заданной длины волны в планарный волновод, так и «виртуальные» линии (линии, которые могут физически не присутствовать на внешней поверхности волновода или которые сами не обладают оптически рассеивающим эффектом, но образованные сайтами связывания, расположенными вдоль этих «виртуальных» линий для образования биологической решетки вместе с образцами-мишенями). «Реальные» линии могут быть выполнены, например, в виде изогнутых физических линий, которые вводят расходящийся пучок когерентного света внутрь волновода, тогда как «виртуальные» линии могут быть изогнутыми линиями, которые вводят в планарный волновод расходящийся пучок когерентного света, с сайтами связывания, расположенными вдоль этих виртуальных линий для рассеивания (вместе с пробой-мишенью, связанной с ними) части расходящегося пучка когерентного света, исходящего из точечного источника света (расположенного в заданном положении) и для ввода дифрагированной части когерентного света внутрь планарного волновода. Если смотреть в направлении распространения когерентного света, введенного в планарный волновод, расстояние от одной до другой изогнутой вводящей линии («реальной» или «виртуальной») уменьшается. Представляется возможным, чтобы и вводящие линии, и выводящие линии могли содержать только биологические решетки («реальных» линий нет). Это может быть преимущественным в отношении изготовления таких решеток, поскольку изготовление и вводящих линий, и выводящих линий затем можно выполнить в одну стадию, используя метод литографии. Это может привести к менее дорогому изготовлению решеток.
При работе когерентный свет, который был дифрагирован в выводящей секции на присоединенных сайтах связывания, связанных с нанесенной пробой-мишенью (вместе образующих биологическую решетку) может быть обеспечен во втором фокусном положении как мера аффинности связывания. Например, интенсивность когерентного света, обеспеченного в заданном втором фокусном положении, детектируют и сравнивают с известной интенсивностью когерентного света, рассеянного только сайтами связывания (без нанесения пробы-мишени). Изменение интенсивности представляет (например, является мерой) аффинности связывания сайтов связывания с пробой-мишенью, поскольку проба-мишень связана с центрами связывания, то интенсивность в заданном втором фокусном положении значительно отличается от интенсивности в заданном втором фокусном положении, вызванной только сайтами связывания. Это избавляет от необходимости помечать пробы-мишени, поскольку выведенная изнутри часть когерентного света конструктивно интерферирует в заданном втором фокусном положении, чтобы обеспечить детектируемый сигнал. «Конструктивно интерферирует у заданного второго фокусного положения» другими словами означает, что когерентный свет, сходящийся в заданном втором фокусном положении, имеет разницу в длине оптического пути, которая представляет собой целое число, кратное заданной длине волны. Этот интерференционный максимум в заданном втором фокусном положении обеспечивает детектируемый сигнал, порождаемый сайтами связывания, связанными с пробой-мишенью.
j
j
В общем, «сайты связывания» представляют собой положения на внешней поверхности планарного волновода, с которыми проба-мишень может связываться (или связывается в случае аффинности связывания). Детектирование аффинностей связывания согласно изобретению, не ограничено ни конкретными типами проб-мишеней, ни каким бы то ни было типом сайтов связывания, но точнее на планарном волноводе могут быть проанализированы характеристики таких проб-мишеней, как молекулы, белки, ДНК и так далее по отношению к любому подходящему типу сайтов связывания. Технически, термин «дифрагированный» означает интерференцию когерентного света затухающего поля, который уже осуществил взаимодействие с пробами-мишенями, связанными с сайтами связывания. Термин дифрагированная «часть» указывает на то, что не весь свет дифрагируется для вывода из волновода так, чтобы часть (фактически, основная часть) параллельного пучка когерентного света продолжала распространяться вдоль планарного волновода. Термин «параллельный пучок» явно включает некоторые отклонения, в соответствии с которыми свет распространяется в волноводе сходящимся или расходящимся образом. Величина этих отклонений ограничена интенсивностью детектируемого сигнала так, что параллельные включает отклонения, которые позволяют обеспечить во втором фокусном положении сигнал, представляющий аффинность связывания сайтов связывания с пробой-мишенью. Роли вводящих линий и выводящих линий, в общем, могут поменяться вследствие обратимости оптического пути когерентного света, вызванной сходными функциями вариантов выполнения, описанных в изобретении. Сайты связывания могут располагаться на более чем одном множестве линий. Расположение сайтов связывания вдоль линий представляет собой оптимальный случай, в котором все сайты связывания точно расположены на несобственной линии. Оптимальное расположение сайтов связывания связано с максимальным сигналом во втором фокусном положении, но на практике расположение сайтов связывания будет отклоняться в некоторой степени от такого оптимального расположения до тех пор, пока будет присутствовать выведенная часть параллельного пучка когерентного света, сходящегося во втором фокусном положении. Множество вводящих линий и множество изогнутых выводящих линий располагаются на внешней поверхности планарного волновода таким образом, что их положения в координатах-x, y геометрически определяют уравнением
где
λ представляет собой длину волны света, распространяющегося в вакууме,
N представляет собой эффективный показатель преломления канализированной моды в планарном волноводе; N зависит от толщины и показателя преломления планарного волновода, показателя преломления подложки, показателя преломления среды на внешней поверхности планарного волновода и поляризации канализированной моды,
s
n представляет собой показатель преломления подложки,
представляет собой расстояние (фокусное расстояние) между фокусным положением и внешней поверхностью планарного волновода,
0
А представляет собой целое число, которое выбирают близким к , и
j представляет собой переменную, выраженную целым числом, показывающую индекс соответствующей линии.
0
0
0
Выбранному целому числу А присваивают отрицательные значения х в центре линий при отрицательных значениях j, и положительные значения х в центре линий при положительных значениях j. Или говоря другими словами, целое число А определяет начало отсчета в системе координат x, y, применяемой для определения места линий у внешней поверхности планарного волновода; выбранное значение А задает местоположение детектирования при х=0, y=0, .
В предпочтительном примере перовое фокусное положение и второе фокусное положение имеют диаметр приблизительно 0,5 мкм и расположены на расстоянии 10-200 мкм.
Согласно одному варианту, множество вводящих линий расположено на первом поверхностном участке внешней поверхности планарного волновода, и множество изогнутых выводящих линий расположено на втором поверхностном участке внешней поверхности планарного волновода. Первый участок поверхности включает незаполненную секцию, в которой нет линий, и второй участок поверхности включает дополнительную незаполненную секцию, в которой нет линий. Незаполненную секцию образуют для того, чтобы избежать брэгговского отражения второго порядка (интерференционный максимум когерентного света, дифрагированного на соответствующем множестве линий, который возникает в планарном волноводе), или подобных оптических эффектов, которые могут ослабить общую интенсивность обнаруженного сигнала. Предпочтительно, чтобы первый участок поверхности и второй участок поверхности имели диаметр 25-300 мкм.
Согласно другому варианту, первый участок поверхности и второй участок поверхности располагают на внешней поверхности планарного волновода так, чтобы они были пространственно разделены. Пространственно-разделенное расположение позволяет дифрагировать максимальную часть затухающего поля параллельного пучка когерентного света (введенного внутрь всеми линиями множества вводящих линий) на каждой линии множества изогнутых выводящих линий.
Согласно альтернативному варианту, первый участок поверхности и второй участок поверхности располагают на внешней поверхности планарного волновода с по меньшей мере частичным перекрытием так, чтобы незаполненная секция и дополнительная незаполненная секция образовывали общую незаполненную секцию. При расположении с по меньшей мере частичным перекрытием, указанные первый и второй поверхностные участки покрывают минимальную площадь внешней поверхности планарного волновода. Уменьшенный размер покрытой площади позволяет расположить большее количество таких первого и второго поверхностных участков на внешней поверхности планарного волновода.
Согласно дополнительному варианту, первый участок поверхности и второй участок поверхности имеют одинаковый размер.
Согласно альтернативному варианту, по меньшей мере одно дополнительное множество дифракционных линий, расположенных в выводящей секции, дополнительно содержит множество прямых линий. Прямые линии проходят параллельно друг другу с постоянным расстоянием между смежными прямыми линиями и располагаются под углом β относительно направления распространения параллельного пучка когерентного света так, чтобы часть параллельного пучка когерентного света дифрагировалась под углом дифракции а относительно прямых линий так, чтобы дифрагированная часть параллельного пучка когерентного света падала на множество изогнутых выводящих линий. Присоединенные сайты связывания располагают вдоль множества прямых линий или вдоль множества изогнутых выводящих линий.
Направление распространения параллельного пучка когерентного света определяют как начинающееся от множества вводящих линии, и проходящее в направлении, в котором когерентный свет вводится внутрь планарного волновода, которое обычно является близким направлению, перпендикулярному множеству вводящих линий. Когерентный свет, дифрагированный на сайтах связывания, связанных с пробами-мишенями, падает на множество изогнутых выводящих линий второго поверхностного участка под углом дифракции а относительно прямых линий. Под углом дифракции а, свет, идущий от множества прямых линий, конструктивно интерферирует (т.е. свет, дифрагированный на множестве прямых линий имеет разницу в длине оптического пути, которая представляет собой целое число, кратное заданной длине волны) на множестве изогнутых выводящих линий. Угол дифракции а. зависит от постоянного расстояния между смежными заданными прямыми линиями, принимая во внимание заданную длину волны и показатели преломления подложки, планарного волновода и среды на внешней поверхности (например, среда на внешней поверхности может содержать пробы-мишени) планарного волновода.
Согласно одному варианту, множество изогнутых выводящих линий расположено на внешней поверхности на перегородке планарного волновода, через которую распространяется часть параллельного пучка когерентного света, дифрагированного на множестве прямых линий, и через которую не распространяется другой свет параллельного пучка когерентного света. Это позволяет детектировать во втором фокусном положении свет с уменьшенным фоновым сигналом, поскольку второе фокусное положение расположено перпендикулярно к области внешней поверхности планарного волновода, через которую не распространяется другой, «не дифрагированный» свет параллельного пучка когерентного света.
Согласно другому варианту, слой покрывающий поверхность расположен сверху внешней поверхности планарного волновода. Слой покрывающий поверхность имеет пористую внутреннюю структуру чтобы позволять пробе-мишени, нанесенной на покрывающий слой, диффундировать через него, чтобы достичь сайтов связывания, присоединенных к внешней поверхности планарного волновода. Предпочтительно, проба-мишень может быть нанесена в смеси, содержащей также и другие компоненты, но при этом только проба-мишень способна диффундировать через пористую внутреннюю структуру покрывающего слоя, чтобы достичь внешней поверхности планарного волновода.
В другом аспекте, изобретение относится к способу детектирования аффинностей связывания, причем метод содержит этапы на которых:
- обеспечивают устройство, описанное здесь,
- наносят пробу-мишень, для которой необходимо детектировать аффинность связывания сайтов связывания с пробой-мишенью, в выводящей секции планарного волновода вдоль, по меньшей мере, одного дополнительного множества дифракционных линий, где расположены сайты связывания.
- генерируют в заданном первом фокусном положении расходящийся пучок когерентного света так, чтобы он падал на множество вводящих линий планарного волновода для ввода расходящегося пучка когерентного света внутрь планарного волновода таким образом, чтобы пучок когерентного света, вошедший в планарный волновод, распространялся вдоль планарного волновода в виде параллельного пучка когерентного света, с затухающим полем параллельного пучка когерентного света, распространяющимся вдоль его поверхности, причем часть когерентного света дифрагируется множеством изогнутых выводящих линий выводящей секции планарного волновода для вывода ее из планарного волновода так, чтобы выведенная часть когерентного света сходилась во втором заданном фокусном положении, и
- детектируют во втором заданном фокусном положении выведенную часть когерентного света как сигнал, представляющий аффинность связывания сайтов связывания с пробой-мишенью.
Согласно варианту способа, выведенную часть параллельного пучка когерентного света детектируют в зоне детектирования, имеющей заданный размер и расположенной так, чтобы включать второе заданное фокусное положение, для определения того положения в зоне детектирования, где выведенная часть когерентного света заданной длины волны имеет соответственный максимум интенсивности. Положение соответственного максимума интенсивности определяется как второе заданное фокусное положение. Соответственный максимум интенсивности позволяет обнаружить в зоне детектирования детектируемый сигнал. Размер зоны детектирования зависит от допусков на изготовление планарного волновода, типично имеющего толщину в диапазоне от 100 нм до 300 нм; типичный допуск на изготовление планарного волновода составляет несколько нанометров. Этот допуск соответствует латеральной протяженности зоны детектирования порядка нескольких процентов латеральной протяженности выводящей секции.
Согласно другому варианту способа, расходящийся пучок когерентного света последовательно генерируется в различных положениях в зоне генерирования пучка, имеющей заданный размер и расположенной так, чтобы включать первое заданное фокусное положение. Для каждого последовательно сгенерированного пучка когерентного света определяется такое положение в зоне детектирования, которое имеет соответственный максимум интенсивности выведенной части параллельного пучка когерентного света, в зоне детектирования то положение, где соответственный максимум интенсивности является наивысшим, определяется как второе заданное фокусное положение, и в зоне генерирования пучка то положение, где генерируется соответствующий пучок, определяется как первое заданное фокусное положение. Предпочтительно, определение первого заданного фокусного положения, для которого соответственный максимум интенсивности является наивысшим, позволяет обнаружить во втором заданном фокусном положении абсолютный максимум интенсивности как наилучший детектируемый сигнал. Это является преимуществом, поскольку различные планарные волноводы обычно имеют разную толщину, например, в случае допусков на изготовление, которые могут привести к различным местоположениям первого и второго заданных фокусных положений для каждого устройства. Точное местоположение обоих заданных фокусных положений может быть найдено таким образом. Размер зоны генерирования пучка и зоны детектирования зависит от величины допусков на изготовление.
Далее объясняются два предпочтительных альтернативных варианта выполнения способа по изобретению. Оба варианта выполнения касаются детектирования аффинностей связывания путем использования первого, и соответственно, второго вариантов выполнения устройства, показывающие допуски на изготовление.
В первом альтернативном варианте способа, зона генерирования пучка представляет собой область в первой плоскости, параллельной внешней поверхности планарного волновода. Зона детектирования представляет собой прямую линию, продолжающуюся параллельно направлению распространения параллельного пучка когерентного света во второй плоскости, параллельной внешней поверхности планарного волновода. Это позволяет детектировать аффинности связывания с помощью устройства согласно первому варианту выполнения. Принцип работы и его преимущества рассмотрены в деталях ниже со ссылкой на Фиг. 7 для того, чтобы избежать ненужного повторения здесь.
Во втором альтернативном варианте способа, зона генерирования пучка представляет собой область в первой плоскости, параллельной внешней поверхности планарного волновода. Зона детектирования представляет собой область во второй плоскости, параллельной внешней поверхности планарного волновода. Это позволяет детектировать выведенную часть параллельного пучка когерентного света во втором заданном фокусном положении устройства согласно второму варианту выполнения, в котором выводящая секция дополнительно содержит множество прямых линий. Принцип работы и его преимущества рассмотрены в деталях ниже со ссылкой на Фиг. 8 для того, чтобы избежать ненужного повторения здесь.
Дополнительные полезные аспекты изобретения становятся очевидными при рассмотрении нижеследующего описания вариантов осуществления изобретения со ссылкой к сопровождающим чертежам, на которых:
Фиг. 1 показывает вид в перспективе устройства по первому варианту выполнения изобретения с первым участком поверхности и вторым участком поверхности, которые расположены на внешней поверхности планарного волновода пространственно-разделенными;
Фиг. 2 показывает вид в перспективе устройства по второму варианту выполнения изобретения с первым участком поверхности и вторым участком поверхности, расположенными на внешней поверхности планарного волновода с по меньшей мере частичным наложением;
Фиг. 3 показывает вид в перспективе устройства по Фиг. 2 с подложкой, приблизительно имеющей размер первого участка поверхности, который накладывается на второй участок поверхности;
Фиг. 4 показывает вид в перспективе устройства по Фиг. 3 с поверхностным покрывающим слоем;
Фиг. 5 показывает вид в перспективе устройства согласно третьему варианты выполнения изобретения с выводящей секцией, дополнительно содержащей множество прямых линий;
Фиг. 6 показывает первый вариант системы для применения в устройстве для детектирования аффинностей связывания;
Фиг. 7 показывает устройство по Фиг. 1 с различными первыми фокусными положениями, расположенными в зоне генерирования пучка, и различными вторыми фокусными положениями, расположенными в зоне детектирования, образующей прямую линию в плоскости, параллельной внешней поверхности планарного волновода;
Фиг. 8 показывает устройство по Фиг. 5 с различными первыми фокусными положениями, расположенными в зоне генерирования пучка и различными вторыми фокусными положениями, расположенными в зоне детектирования, образующей область в плоскости, параллельной внешней поверхности планарного волновода, и
Фиг. 9 показывает систему по Фиг. 6, содержащую первый частичный блокиратор пучка и второй частичный блокиратор пучка.
Первый вариант выполнения устройства 1 по изобретению показан на Фиг. 1 на виде в перспективе. Планарный волновод 2 расположен сверху подложки 22 и содержит внешнюю поверхность 21 на его верхней части. Внешняя поверхность 21 планарного волновода содержит множество вводящих линий 31, расположенных на первом участке 3 поверхности и множество изогнутых выводящих линий 41, расположенных на втором участке 4 поверхности. Множество изогнутых выводящих линий 41 содержит сайты 51 связывания, с некоторыми из которых связалась проба-мишень 52.
Множество вводящих линий 31 являются изогнутыми и расположены так, чтобы иметь уменьшающееся расстояние между смежными вводящими линиями 31 (слева направо). Изгиб и уменьшающееся расстояние между смежными линиями выбирается для того, чтобы обеспечить ввод в планарный волновод расходящегося пучка когерентного света 61, исходящего из заданного первого фокусного положения 611, с первым фокусным положением 611, в показанном примере расположенным на нижней стороне подложки 22. Генерирование такого расходящегося пучка когерентного света 61 изложено для системы, описанной ниже со ссылкой на Фиг. 6. Расходящийся пучок когерентного света 61 (или его часть) вводится внутрь планарного волновода 2 множеством вводящих линий 31, которые действуют как дифракционная решетка, имеющая множество линий решетки (например, штрихи, удлиненные выступы, периодические изменения показателя преломления планарного волновода). Введение расходящегося пучка когерентного света 61 внутрь планарного волновода 2 приводит к распространению параллельного пучка когерентного света 62 вдоль планарного волновода 2, с частью параллельного пучка когерентного света 62, распространяющегося вдоль внешней поверхности 21 для образования затухающего поля (не показано) вблизи внешней поверхности 21 планарного волновода 2.
Как уже упоминалось, множество изогнутых выводящих линий 41 содержит сайты 51 связывания, присоединенные к внешней поверхности 21 планарного волновода 2. Некоторые из присоединенных сайтов 51 связывания связаны с пробой-мишенью 52, нанесенной на внешнюю поверхность 21 планарного волновода 2. Изгиб множества изогнутых выводящих линий 41, также как и расположение смежных вводящих линий, имеющих уменьшающееся слева направо расстояние между смежными вводящих линиями 31, выбирается так, чтобы позволить вывести параллельный пучок когерентного света 62 так, чтобы выведенная часть параллельного пучка когерентного света 63 сходилась во втором фокусном положении 631. Второе фокусное положение 631 расположено на нижней стороне подложки 22. Поскольку интенсивность выведенной части параллельного пучка когерентного света 63, сходящегося во втором фокусном положении 631, изменяется в случае связывания сайтов 51 связывания с пробами-мишенями 52, то в нем обеспечен сигнал (интенсивность), представляющий аффинность связывания сайтов 51 связывания с пробой-мишенью 52.
Как показано, первый участок 3 поверхности включает незаполненную секцию 32 и второй участок 4 поверхности включает дополнительную незаполненную секцию 42, каждая из которых образует верхнюю область, свободную от линий. Незаполненная секция 32 и дополнительная незаполненная секция 42 являются полностью разделенными в пространстве. Альтернативное расположение рассмотрено далее.
Альтернативное расположение показано на Фиг. 2, незаполненная секция 32 и дополнительная незаполненная секция 42 образуют общую незаполненную секцию 322. Первый участок 3 поверхности и второй участок 4 поверхности располагают путем наложения, при котором множество вводящих линий 31 накладывается на множество изогнутых выводящих линий 41 так, что незаполненная секция 32 и дополнительная незаполненная секция 42 «накладываются» для образования общей незаполненной секции 322.
При использовании, расходящийся пучок когерентного света 61 вводится внутрь планарного волновода множеством вводящих линий 31 так, чтобы параллельный пучок когерентного света 62 распространялся вдоль планарного волновода 2 с затухающим полем, распространяющимся вдоль его внешней поверхности 21. Часть затухающего поля (и тем самым пучка) дифрагируется на сайтах связывания (не показаны), связанных с пробами-мишенями (не показаны), которые расположены вдоль множества изогнутых выводящих линий 41. Часть параллельного пучка когерентного света 62 таким образом выводится из планарного волновода 2 таким образом, чтобы часть параллельного пучка когерентного света 63, выведенная изнутри, сходилась во втором фокусном положении 631. По существу, когерентный свет затухающего поля дифрагируется на сайтах связывания, связанных с пробами-мишенями, так, что свет, дифрагированный на сайтах связывания, связанных с пробами-мишенями, расположенными вдоль каждого множества изогнутых выводящих линий 41, конструктивно интерферирует во втором фокусном положении 631. Расстояние между первым фокусным положением 611 и смежным вторым фокусным положением 631 составляет 10-20 мкм.
Фиг. 3 иллюстрирует устройство 1, имеющее подложку 22 и планарный волновод 2, расположенный на ней, и имеющее диаметр, который соответствует размеру первого участка 3 поверхности, который накладывается на второй участок 4 поверхности. Следовательно, компактное устройство 1 предусмотрено имеющим внешний контур очень маленького диаметра, в частности в диапазоне от 25 мкм до 500 мкм, и предпочтительно 300 мкм.
Фиг. 4 иллюстрирует устройство 1, согласно другому предпочтительному варианту, в котором слой 7, покрывающий поверхность, образуется сверху внешней поверхности планарного волновода 2, расположенного на подложке 22. Слой 7, покрывающий поверхность, в настоящем примере выполнен из гидрогеля, который покрыт светопоглощающей (черной) мембраной с нанопорами. Эти материалы имеют внутреннюю пористую структуру, имеющую заданную пористость в интервале от 5% до 90% (доля объема пор по отношению к общему объему) и заданный размер пор в диапазоне от 10 нм до 10 мкм (средний диаметр пор). Это позволяет нанесенной пробе-мишени (например, определенному типу молекулы) диффундировать через него, чтобы достичь сайтов связывания, присоединенных к внешней поверхности.
Другой вариант выполнения устройства 1 изображен на Фиг. 5 на виде сверху. Множество вводящих линий 31 расположены с левой стороны, и множество изогнутых выводящих линий 41 расположены с правой стороны. Отличие от ранее описанных вариантов выполнения заключается в том, что выводящая секция дополнительно содержит множество прямых линий 42, которые расположены между вводящими линиями 31 и выводящих линиями 41. В настоящем примере сайты связывания (не показаны) расположены вдоль множества прямых линий 42. Прямые линии 42 расположены проходить параллельно друг другу с постоянным расстоянием между смежными прямыми линиями. Расходящийся пучок когерентного света (не показан) вводится внутрь планарного волновода 2 множеством вводящих линий 31 так, чтоб пучок когерентного света 62 (пучок когерентного света показан пунктирными линиями, а дифрагированная часть пучка когерентного света показана в виде параллельных стрелок) распространялся в виде параллельного пучка вдоль планарного волновода 2 с затухающим полем, связанным с ним. Отдельные линии множества прямых линий 42 располагаются под углом β относительно направления распространения параллельного пучка когерентного света 62. Сайты связывания, связанные с пробами-мишенями, которые расположены вдоль множества прямых линий 42, дифрагируют часть затухающего поля (и таким образом параллельного пучка когерентного света), и эта дифрагированная часть пучка когерентного света 62 распространяется вдоль планарного волновода 2 по направлению к множеству изогнутых выводящих линий 41. Часть параллельного пучка когерентного света 62 дифрагируется под углом дифракции α (который равен β) относительно прямых линий. Интенсивность дифрагированной части параллельного пучка когерентного света 62, которая падает на множество изогнутых выводящих линий 41 и в которой часть, выведенная из планарного волновода 2, обеспечивает сигнал, представляющий аффинность связывания, как уже описано для первого варианта выполнения.
Фиг. 6 показывает систему 10 для детектирования аффинностей связывания. Система 10 содержит лазерный источник 11 света, который способен обеспечить в первом фокусном положении 611 устройства 1 (как описано выше) расходящийся пучок когерентного света 61. Лазерный источник 11 света генерирует пучок когерентного света, который фокусируется фокусирующей линзой 12 в первом фокусном положении 611. Блок 12, 17 оптического сканирования содержит сканер 17 и фокусирующую линзу 12 и генерирует расходящийся пучок когерентного света 61 в зоне генерирования пучка (как это объясняется со ссылкой на Фиг. 7 и 8). Расходящийся пучок когерентного света 61, исходящий из первого фокусного положения 611 вводится внутрь планарного волновода 2 и генерирует выведенную часть 63 дифрагированного когерентного света, который сходится во втором фокусном положении 631. Система 10 дополнительно содержит блок оптического детектирования, обеспечивающий пространственный фильтр 100, способный детектировать интенсивность расходящегося пучка выведенной части 63 дифрагированного когерентного света посредством оптического детектора 13, расположенного позади диафрагмы 14 (если смотреть в направлении светового пути). Оптический детектор 13 продолжается перпендикулярно оптической оси 18. Диафрагма 14 расположена на подвижном юстирующем основании 15. Диафрагма 14 является подвижной параллельно протяженности оптического детектора 13, положению в котором любой свет, отличный от света, исходящего из второго фокусного положения 631, перекрывается так, что только свет из второго фокусного положения 631 падает на оптический детектор через отверстие 141 в диафрагме 14. Диафрагма 14, расположенная на подвижном юстирующем основании 15, позволяет детектировать выведенную часть 63 дифрагированного когерентного света в различных местоположениях, которые расположены в различных положениях относительно множества изогнутых выводящих линий 41 в плоскости, параллельной внешней поверхности планарного волновода (т.е. в зоне детектирования).
Другими словами, система 10 для применения устройства 1, как описано выше (т.е. в соответствии с любым из пунктов на устройство), в детектировании аффинностей связывания содержит
источник 11 света и блок 12, 17 оптического сканирования, способные генерировать расходящийся пучок света в первом фокусном положении 611 устройства 1 в соответствии с любым из пунктов на устройство чтобы позволить обеспечить выведенную часть 63 дифрагированного когерентного света, сходящегося во втором фокусном положении 631, и
блок 13, 14, 16, 20 оптического детектирования способный детектировать интенсивность расходящегося пучка выведенной части 63 дифрагированного когерентного света. Блок 13, 14, 16, 20 оптического детектирования содержит оптический детектор 13, расположенный позади диафрагмы 14, имеющей отверстие 141. Блок 13, 14, 16, 20 оптического детектирования дополнительно содержит делитель 16 пучка, вторую фокусирующую линзу 20 и подвижное юстирующее основание 15 для диафрагмы 14. Расходящийся пучок (выведенная часть 63) дифрагированного когерентного света проходит фокусирующую линзу 12, сканер 17, делитель 16 пучка, и вторую фокусирующую линзу 20 чтобы падать на диафрагму 14. Отверстие 141 в диафрагме 14 может быть установлено в положении, оптически сопряженном со вторым фокусным положением 631 выведенной части 63 (сходящегося пучка) дифрагированного когерентного света, перемещением диафрагмы 14, расположенной на подвижном юстирующем основании 15, в плоскости, перпендикулярной оптической оси. В таком положении диафрагмы 14, выведенная часть 63 дифрагированного когерентного света (сходящегося пучка) проходит через отверстие 141 в диафрагме 14 и падает на детектор 13, где его интенсивность измеряется посредством оптического детектора 13.
Предпочтительно, система 10 дополнительно содержит устройство 1 как описано выше.
Фиг. 7 и Фиг. 8 ниже описываются вместе, потому что обе относятся к одному техническому аспекту генерирования расходящегося пучка когерентного света 61 в зоне 612 генерирования пучка, и детектирования выведенной части 63 пучка дифрагированного когерентного света, сходящегося во втором фокусном положении 631 в зоне 632 детектирования. Это позволяет детектировать сигнал во втором фокусном положении 631 даже в устройстве 1, имеющем структурные отклонения, обусловленные изготовлением такого устройства 1 (т.е. изменения толщины планарного волновода в пределах типовых допусков на изготовление). Другими словами, это позволяет детектировать аффинности связывания в устройстве 1, в котором положение первого и второго фокусных положений не известно абсолютно точно.
Касаемо Фиг. 7, будет описан способ детектирования сигнала наивысшей интенсивности в зоне 632 детектирования второго фокусного положения 631 для устройства 1 в соответствии с первым вариантом выполнения (выводящая секция содержит только множество изогнутых выводящих линий). Устройство 1 содержит планарный волновод 2 с толщиной, произведенной с известными допусками на изготовление в пределах нескольких нанометров. Расходящийся пучок когерентного света 61 последовательно генерируется в различных положениях в зоне 612 генерирования пучка. Зона 612 генерирования пучка представляет собой область круглой формы, расположенную, например, на нижней поверхности подложки 22 (как первая плоскость, параллельная внешней поверхности планарного волновода), и имеет размер, который зависит от допусков на изготовление. Для каждого последовательно сгенерированного пучка когерентного света 61 определяется положение в зоне 632 детектирования, в котором наблюдается относительный максимум интенсивности выведенной части 63 дифрагированного когерентного света. Относительный максимум интенсивности определяется, так как выведенная часть 63 дифрагированного когерентного света детектируется (способом сканирования) вдоль прямой линии 632 (в качестве зоны детектирования). Это позволяет для каждого сгенерированного пучка когерентного света 61 в зоне 612 генерирования пучка определить то положение на прямой линии 632, где наблюдается относительный максимум интенсивности выведенной части 63 дифрагированного когерентного света. Второе фокусное положение 631 далее определяется как то, где наблюдается наивысший относительный максимум интенсивности. И, наконец, то положение в зоне 612 генерирования пучка, где генерируется пучок, имеющий наивысший относительный максимум интенсивности во втором фокусном положении 631, определяется как первое фокусное положение 611.
Детектирование только вдоль прямой линии 632 (а не в зоне детектирования, образованной областью) возможно для конфигурации, показанной на Фиг. 7, поскольку небольшие отклонения в направлении распространения пучка когерентного света 62 в волноводе приводят к тому же абсолютному максимуму интенсивности во втором фокусном положении 631. По существу, этот способ может быть выполнен наоборот, т.е. выведенная часть 63 дифрагированного когерентного света 63 последовательно детектируется вдоль прямой линии 632 и для каждого из последовательных положений детектирования, расходящийся пучок когерентного света 61 генерируется во всех положениях всей зоны 6 генерирования пучка для того, чтобы обеспечить детектирование наивысшей интенсивности во втором фокусном положении 631.
На Фиг. 8 описан способ детектирования сигнала наивысшей интенсивности в зоне второго фокусного положения 631 для устройства 1 в соответствии с третьим вариантом выполнения (выводящая секция содержит множество изогнутых выводящих линий и множество прямых линий - Фиг. 5). Конфигурация показана на виде сверху для обеспечения лучшего пояснения. Как описано выше, третий вариант выполнения отличается тем, что дополнительно соблюдено условие дифракции (условие Брэгга) на множестве прямых линий 42. Это дополнительное требование предполагает, что только одно отдельное первое фокусное положение 611 и только одно соответствующее отдельное второе фокусное положение 631 удовлетворяют условиям для максимального введения когерентного света внутрь, нахождения внутри и выведения изнутри планарного волновода. Таким образом, детектирование во втором фокусном положении 631 должно быть выполнено в зоне 633 детектирования, которая не является прямой линией (в отличие от Фиг. 7), а точнее представляет собой область. Расходящийся пучок когерентного света 61 последовательно генерируется в различных положениях зоны 612 генерирования пучка. Зона 612 генерирования пучка представляет собой область круглой формы расположенную, например, на нижней поверхности подложки, на которой образован планарный волновод. Для каждого последовательно сгенерированного пучка когерентного света (не показан) определяется положение в зоне 632 детектирования, имеющее относительный максимум интенсивности выведенной части дифрагированного когерентного света (не показана). Относительный максимум интенсивности определяют детектированием максимума интенсивности выведенной части дифрагированного когерентного света в области 633 круглой формы (в качестве зоны детектирования). Это позволяет определить для каждого сгенерированного пучка когерентного света 61 положение в области круглой формы, имеющее относительный максимум интенсивности выведенной части дифрагированного когерентного света. Второе фокусное положение 631 далее определяется как имеющее наивысший относительный максимум интенсивности (в данном варианте выполнения, только одно положение в зоне детектирования). И наконец, то положение в зоне 612 генерирования пучка, где генерируется пучок, имеющий наивысший относительный максимум интенсивности во втором фокусном положении 631, определяется как первое фокусное положение 611.
Фиг. 9 показывает систему 10, которая по существу уже была раскрыта со ссылкой на Фиг. 6. Однако, конструктивно система, показанная на Фиг. 9 отличается тем, что содержит первый частичный блокиратор 19 пучка и второй частичный блокиратор 191 пучка.
Во время применения системы, используется устройство 1. В настоящем примере устройство 1 имеет вводящие линии 31, расположенные на частичном первом участке 311 поверхности и изогнутые выводящие линии 41, расположенные на частичном втором участке 411 поверхности. Частичный первый участок 311 поверхности и частичный второй участок 411 поверхности не накладываются так, что множество вводящих линий 31 и множество изогнутых выводящих линий 41 пространственно разделены. Проба-мишень (не показана) нанесена на сайты связывания, которые расположены в настоящем примере вдоль изогнутых выводящих линий 41 (но вообще также могут быть расположены на множестве вводящих линий 31).
Во время использования устройства, как и в случае Фиг. 6, вводящих линии 31 вводят расходящийся пучок когерентного света 61, сгенерированный в первом фокусном положении, внутрь планарного волновода (отдельно не показан на настоящем рисунке). Пучок когерентного света, введенного внутрь волновода, распространяется как пучок 62 вместе с его затухающим полем. Часть затухающего поля (и таким образом, пучка, распространяющегося через волновод) дифрагируется множеством изогнутых выводящих линий 41 таким образом, чтобы выведенная часть дифрагированного когерентного света 63 сходилась во втором фокусном положении для детектирования в качестве сигнала, представляющего аффинность связывания сайтов связывания с пробой-мишенью.
Предпочтительно, первый частичный блокиратор 19 пучка ограничивает (т.е. перекрыванием) пучок когерентного света, сгенерированного лазерным источником 11 света. Таким образом, ограниченный расходящийся пучок когерентного света 61 освещает только первый частичный участок 311 поверхности, который содержит множество вводящих линий. Другими словами, первый частичный блокиратор 19 пучка ограничивает когерентный свет таким образом, что освещаются только вводящие линии 31 и свет не распространяется в направлении второго частичного участка 411 поверхности, в котором расположены изогнутые выводящие линии 41. Это особенно предпочтительно для ослабления фонового излучения путем предотвращения детектирования отраженной части когерентного света.
Второй блокиратор 191 пучка расположен вдоль пути распространения выведенной части 63 когерентного света таким образом, чтобы перекрывать свет, отличный от света, дифрагированного на изогнутых выводящих линиях 41, который далее распространяется через диафрагму 14 к оптическому детектору 13.