诊断性光子生物传感器方法、装置以及系统制造方法及图纸

本文公开了一种用于光子生物传感器的装置、方法以及系统。光子生物传感器包括基板，基板具有与芯吸区和样本检测区流体连通的样本添加区。基板还包括被配置为光学耦合到光源的光学输入端口和被配置为光学耦合到光检测器的光学输出端口。光子生物传感器还包括连接到基板的光子集成电路(“PIC”)。PIC包括：与光学输入端口对准的第一光栅耦合器、与光学输出端口对准的第二光栅耦合器、位于第一光栅耦合器与第二光栅耦合器之间的至少一个波导、以及设置在至少一个波导内的至少一个检测元件。置在至少一个波导内的至少一个检测元件。置在至少一个波导内的至少一个检测元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】诊断性光子生物传感器方法、装置以及系统

技术介绍

[0001]使用光子生物传感器来测量样本中光折射率的变化是众所周知的。通过检测样本中折射光的变化可以对分析物进行检测。一些已知的生物传感器的光学结构会因分析物与光学表面和/或试剂的结合而产生折射率变化，从而产生可检测的光学谐振频率的变化。这些已知的生物传感器提供了对所需的分析物进行高灵敏度的无标记检测。
[0002]通常，生物传感器的检测元件是使用传统的硅基纳米级制造过程(例如，互补金属
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氧化物
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半导体(“CMOS”)制造过程)在硅基板上制成的。硅基制造过程的使用创造了用于集成光子学的生物传感器检测元件，其具有优异的光学和生物化学特性。例如，硅基制造过程使得检测元件的精密和/或错综复杂的光学结构能够用硅或氮化硅制造。这些光学结构包括环形谐振器、螺旋波导、光栅耦合器以及马赫
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曾德干涉仪(“MZI”)等。这些结构通常需要近乎无缺陷的光学路径，以确保结果不受材料杂质或结构缺陷的影响。
[0003]虽然硅基工艺在基板上提供了精密的生物传感器检测元件，但已知的生物传感器通常具有成本高昂的流体和光互连。例如，输入和输出光学器件的光纤粘合通常需要与检测元件的光学路径形成接口。此外，许多生物传感器具有复杂的主动流体输送机制，以使样本与检测元件接触。通常，使用外部泵将流体样本拉动到或推动到检测元件，该外部泵控制通过生物传感器的样本体积和流速。这种光和流体互连的复杂性增加了仪器和生物传感器本身的成本。虽然增加的成本在一些医疗应用中是可以接受的，但一般而言，护理点(“PoC”)和大型计算机实验室诊断应用对成本是敏感的，对于一次性产品，例如，单次使用的生物传感器载玻片、盒(cartridge)或片匣(cassette)，尤为如此。

技术实现思路

[0004]本文公开了诊断性光子生物传感器方法、装置以及系统。示例方法、装置以及系统提供了一种光子生物传感器，其包括微流体载玻片、测试卡或片匣。光子生物传感器还包括至少一个光子集成电路(“PIC”)，其具有连接到设置在载玻片、测试卡或片匣上的流体通路的检测元件。示例载玻片、测试卡或片匣还包括用于接收样本的区域，其中流体通路使用芯吸或毛细管作用(或其他被动微流体传输结构)被动地拉动样本，使其与检测元件接触。此外，载玻片、测试卡或片匣还包括光学端口，用于与实验室分析仪、PoC设备或其他分析物分析设备的光源和光检测器进行光学耦合。
[0005]在使用期间，在一个示例实施例中，样本被施加到载玻片或片匣的接收区域表面。流体通路包括被动微流体传输，该传输使所施加的样本流向检测区和芯吸区。检测区包括具有功能化检测元件的硅基PIC。在一些实施例中，PIC的检测元件被一种或多种捕获分子功能化。光由仪器的光源施加到载玻片或片匣的输入光端口，该端口引导光通过PIC和检测元件。载玻片或片匣的输出光端口接收穿过检测元件后的光。功能化检测元件与流体样本之间的接触引起光折射率变化，仪器的光检测器或光敏传感器检测到该变化。光折射率变化的程度表明一种或多种分析物的存在和/或一种或多种分析物的浓度。
[0006]与已知的具有主动流体样本控制和光接口的生物传感器相比，被动流体样本部件
和非接触式光接口的使用大大降低了生物传感器载玻片或片匣的成本。此外，在使用现有生产规模的传统的硅代工制造的同时使用硅基PIC可提供高精度的免疫测定诊断。此外，所公开的具有(一个或多个)经集成的PIC的生物传感器载玻片或片匣可实现测定的多路复用(multiplex)(例如，面板测试)，从而进一步降低成本、缩小尺寸并减少浪费。
[0007]鉴于本文的公开内容且在不以任何方式限制公开内容的情况下，在本专利技术的第一方面(除非另有说明，否则可以与本文中列出的任何其他方面结合)中，一种光子生物传感器装置包括具有样本添加区、芯吸区以及位于样本添加区与芯吸区之间的检测区的基板。基板还包括：流体通路，流体通路将样本添加区、检测区以及芯吸区流体耦合(例如，流体连通样本添加区、检测区以及芯吸区)；光学输入端口，光学输入端口位于样本检测区的一部分处且被配置为光学耦合到光源；以及光学输出端口，光学输出端口位于样本检测区的一部分处且被配置为光学耦合到光检测器。光子生物传感器装置还包括光子集成电路，光子集成电路在样本检测区的部分连接到基板。光子集成电路包括与光学输入端口对准的第一光栅耦合器、与光学输出端口对准的第二光栅耦合器、位于第一光栅耦合器与第二光栅耦合器之间的至少一个波导、以及至少一个检测元件，该至少一个检测元件沿至少一个波导设置，且被定位为：在样本检测区的一部分处接触流体通路内的流体样本。
[0008]根据本专利技术的第二方面(除非另有说明，否则可以与本文中列出的任何其他方面结合使用)，至少一个检测元件包括环形谐振器、双环谐振器、圆柱形谐振器、球形谐振器、螺旋波导、光子晶体或马赫
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曾德干涉仪(“MZI”)中的至少一者。
[0009]根据本专利技术的第三方面(除非另有说明，否则可以与本文中列出的任何其他方面结合使用)，至少一个波导包括氮化硅波导。
[0010]根据本专利技术的第四方面(除非另有说明，否则可以与本文中列出的任何其他方面结合使用)，光子集成电路具有矩形棱柱或长方体形状。
[0011]根据本专利技术的第五方面(除非另有说明，否则可以与本文中列出的任何其他方面结合使用)，第一光栅耦合器设置在光子集成电路的一个面的第一侧处，第二光栅耦合器设置在光子集成电路的同一个面的相对的第二侧处，并且至少一个检测元件定位在第一侧与第二侧之间。
[0012]根据本专利技术的第六方面(除非另有说明，否则可以与本文中列出的任何其他方面结合使用)，光子集成电路的长度在2毫米
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20毫米(“mm”)之间，宽度在0.25mm
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10mm之间，且高度在0.1mm
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5mm之间。
[0013]根据本专利技术的第七方面(除非另有说明，否则可以与本文中列出的任何其他方面结合使用)，基板包括沿流体通路位于检测区与样本添加区之间的增强区或共轭区，增强区或共轭区包括用于与流体样本结合的至少一种试剂。
[0014]根据本专利技术的第八方面(除非另有说明，否则可以与本文中列出的任何其他方面结合使用)，光学输入端口包括通过基板的第一隧道，且光学输出端口包括通过基板的第二隧道。
[0015]根据本专利技术的第九方面(除非另有说明，否则可以与本文中列出的任何其他方面结合使用)，第一隧道位于样本检测区中流体通路的第一侧，且第二隧道位于样本检测区中流体通路的相对的第二侧。
[0016]根据本专利技术的第十方面(除非另有说明，否则可以与本文中列出的任何其他方面
结合使用)，基板包括片匣、载玻片或测试卡中的至少一者。
[0017]根据本专利技术的第十一方面(除非另有说明，否则可以与本文中列出的任何其他方面结合使用)，光源和光电检测器包括在实验室分析仪或护理点(“PoC”)分析仪中的至少一者的读取头内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光子生物传感器装置，包括：基板，所述基板包括：与芯吸区和样本检测区流体连通的样本添加区，其中所述样本检测区位于所述样本添加区与所述芯吸区之间，光学输入端口，设置在所述样本检测区内或与所述样本检测区相邻，其中所述光学输入端口被配置为光学耦合到光源，以及光学输出端口，设置在所述样本检测区内或与所述样本检测区相邻，其中所述光学输出端口被配置为光学耦合到光检测器；以及光子集成电路，设置在所述基板正上方，其中所述光子集成电路包括：第一光栅耦合器，与所述光学输入端口对准，第二光栅耦合器，与所述光学输出端口对准，至少一个波导，位于所述第一光栅耦合器与所述第二光栅耦合器之间，以及至少一个检测元件，设置在所述至少一个波导内。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个检测元件包括至少一个捕获分子。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个检测元件包括以下至少一者：环形谐振器、双环谐振器、圆柱形谐振器、球形谐振器、螺旋波导、光子晶体、马赫
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曾德干涉仪(“MZI”)或其组合。4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的装置，其中，所述至少一个波导包括氮化硅波导。5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述光子集成电路具有矩形棱柱或长方体形状。6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第一光栅耦合器设置在所述光子集成电路的一个面的第一侧，所述第二光栅耦合器设置在所述光子集成电路的同一个面的相对的第二侧，并且所述至少一个检测元件定位在所述第一侧与所述第二侧之间。7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光子集成电路的长度在2毫米
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20毫米(“mm”)之间，宽度在0.25mm
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10mm之间，且高度在0.1mm
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5mm之间。8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，所述基板还包括与所述检测区和所述样本添加区流体连通的增强区或共轭区，其中所述增强区或所述共轭区包括用于与所述流体样本结合的至少一种试剂。9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，所述光学输入端口包括通过所述基板的第一隧道，且所述光学输出端口包括通过所述基板的第二隧道。10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第一隧道位于所述样本检测区中流体通路的第一侧，且所述第二隧道位于所述样本检测区中所述流体通路的相对的第二侧。11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，所述基板还包括片匣、载玻片或测试卡中的至少一者。12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，还包括光源和光电检测器，所述光源和光电检测器包括在实验室分析仪或护理点(“PoC”)分析仪中的至少一者的读取头内。13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，还包括流体通路，所述流体通路将所述样本...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷蒙德，
申请(专利权)人：纽约州立大学研究基金会罗切斯特大学，
类型：发明
国别省市：