專利名稱：光檢測芯片和設置有光檢測芯片的光檢測裝置的制作方法
技術領域：
本公開涉及一種光檢測芯片。更具體地，本公開涉及一種光檢測芯片和設置有光 檢測芯片的光檢測裝置，其用于基因表達(gene expression)的分析、傳染病的檢查、基因 分析(例如，SNP分析)、蛋白質分析以及細胞分析。
背景技術：
在包括醫療服務、新藥開發、臨床實驗室試驗、食品產業、農業、工程學、法醫學以 及犯罪鑒定的各種領域中，正在進行基因分析、蛋白質分析以及細胞分析的全面研究和開 發。其中引人注目的是一種“芯片實驗室(lab-on-chip)”的新技術，該技術允許在形成于芯 片中的微觀尺度的通道或阱中發生各種反應(用于核酸、蛋白質以及細胞的檢測和分析)。 現在該技術引起注意是由于其具有用簡單方法測量生物分子的潛在能力。片上實驗室(lab-on-chip)技術的問題在于，必須在形成于芯片中的微觀尺度的 通路或阱中用極少量的樣本來執行混合、反應、分離、提純以及檢測。為了有效地檢測和分 析，需要設計良好的用于芯片設計及其實現的方式和裝置。例如，日本專利公開第2008-151770號(專利文獻1)中提出了一種具有形成于其 中的微通道的芯片。該芯片被設計為，使得混有熱熔解性粘合劑混合的試劑被保持在在微 通道中的預定位置處。在導入樣本溶液之后，加熱芯片，使得熱熔解性粘合劑在其被支撐的 位置處開始熔化。這使得能夠有效地溶解和混合，并允許在相同的位置處進行后續的反應 和分析。結果是，可以減少微通道中反應點的數量，這使得尺寸減小并降低了成本。日本專利公開第2007-139744號(專利文獻2)中提出了一種能夠用非常少量(大 約是現有技術試驗中使用的量的百分之一)的樣本進行分析的熒光偏振試驗。該試驗包 括(1)準備熒光探針分子和生物分子的步驟，(2)將它們注入片上實驗室的微通道中從而 形成它們的復合物的步驟，(3)將偏振光的光束導向至該復合物并測量由復合物導致的熒 光偏振的步驟，以及(4)量化熒光偏振(fluorescent polarization)并確定熒光偏振度的 步驟。日本專利公開第2008-17779號(專利文獻3)中提出了一種由設置在單個基板上 的以下單元組成的片上實驗室用于制備核酸的單元，其設置有第一電極；用于將樣本流 體導入核酸制備單元的單元；通過通道與核酸制備單元連接的反應單元，該反應單元設置 有第二電極；用于將藥液導入反應單元的單元；用于從反應單元排出流體的單元；連接至 第一和第二電極的控制電路；以及連接至第二電極的檢測電路。該片上實驗室能夠在單個 基板上復制、合成、反應并檢測核酸。日本專利公開第2007-187582號(專利文獻4)中提出了一種設置有檢測器(例如，工作電極、參考電極以及對電極)和薄膜晶體管的生物芯片。該芯片被用作生物傳感裝 置，其具有輕、薄、短、小、便宜且具有高性能的特點。其還能夠可拆卸地安裝在具有噴墨頭 的生物傳感器上。
發明內容
分析樣本的一般方式是，在用光照射時，檢測從導入到片上實驗室的樣本發出的 光(尤其是熒光)。在片上實驗室技術的領域中，有效地檢測來自極少量樣本的光仍是一個 重要因素，盡管為了更精確的分析如上所述已經做了許多改善和改進。然而，存在難以有效地檢測來自極少量樣本的光的許多情況，因為來自樣本的光 (例如熒光)在所有方向上(360° )發散。此外，激勵光和來自包含在樣本中的任何物質 的自發熒光使這種情況加重，從而難以單獨地有效檢測期望的熒光。事實上，普通的光檢測 器能夠檢測從樣本發出的熒光的約5%。期望提供一種能夠有效地檢測從非常少量的樣本所發出的光的新技術。本發明 實施方式使得通過修改用于光檢測的芯片的結構，能夠有效地檢測來自非常少量的樣本的光。在一個實施方式中，光檢測芯片包括至少一個檢測區域，配置為容納能夠發出熒 光的樣本；以及光反射部，配置為在朝著光檢測器的方向上反射從樣本發出的熒光的至少 一部分。在另一實施方式中，光檢測裝置包括光源，配置為發出激勵光；至少一個檢測區 域，配置為容納能夠發出熒光的樣本；光反射部，配置為在朝著光檢測器的方向上反射從樣 本發出的熒光的至少一部分；以及光檢測部，配置為接收光反射部反射的熒光的至少一部 分。不特別限制這些實施方式的光檢測芯片的光反射部的形狀。光反射部可具有，例 如，凹面形狀、凸面形狀或平面形狀。根據一個實施方式的光檢測芯片可以另外具有光透射控制部，其阻擋導向至樣本 的光且透射從樣本發出的熒光。由于這些實施方式的結構，光檢測芯片能夠反射從樣本發出的熒光的一部分，該 部分熒光在與檢測熒光的方向相反的方向上散射。因此，能夠有效地檢測從非常少量的樣 本發出的光，并且其有助于提高分析精度。這里描述了另外的特征和優點，并且，從以下的詳細描述和附圖中將變得顯而易 見。
圖1是示出了根據第一實施方式的光檢測芯片的示意性截面圖；圖2是示出了根據第二實施方式的光檢測芯片的示意性截面圖；圖3是示出了根據第三實施方式的光檢測芯片的示意性截面圖；圖4是示出了根據第四實施方式的光檢測芯片的示意性截面圖；圖5是示出了根據第五實施方式的光檢測芯片的示意性截面圖；圖6是示出了根據第六實施方式的光檢測芯片的示意性截面5
圖7是示出了根據第七實施方式的光檢測芯片的示意性截面圖；圖8是示出了根據第八實施方式的光檢測芯片的示意性截面圖；圖9是示出了根據第一實施方式的光檢測裝置的示意性概圖；圖10是示出了根據第二實施方式的光檢測裝置的示意性概圖；以及圖11是示出了根據第三實施方式的光檢測裝置的示意性概圖。
具體實施例方式下面將參照附圖描述這些實施方式。下面的描述分為如下部分。1.光檢測芯片1(1)檢測區域11(2)光反射部12(3)光透射控制部132.光檢測裝置10(1)光照射部101(2)光檢測部102(3)聚光透鏡 103a 和 103b(4)濾光片 104a 和 104b(5)光圈 105a，105b，柵障(barrier)1.光檢測芯片1圖1是示出了根據第一實施方式的光檢測芯片1的示意性截面圖。光檢測芯片1 至少具有(1)檢測區域11和(2)光反射部12。根據需要，其根據需要可選地具有(3)光透 射控制部13。由不特別限制的任意材料形成根據一個實施方式的光檢測芯片1。適當的材料 是，通常用于能夠進行光檢測的生物測定芯片的材料。期望的材料包括適于進行光檢測的 玻璃和透明塑料(例如，聚碳酸酯、聚烯烴、環烯、丙烯酸以及硅樹脂(例如聚二甲基硅氧烷 (PDMS)))。光檢測芯片1具有如下詳細描述的幾個部分。(1)檢測區域11檢測區域11是這樣的一個地方，即，在該地方存在待分析樣本，該樣本被激勵光E 照射，并且從樣本發出的熒光F被檢測。不特別限制檢測區域11的結構，只要其允許檢測 用激勵光E照射的樣本所發出的熒光F。如圖1所示的第一實施方式中，可將其設置在阱 (well)W中。如圖2所示的第二實施方式中，還可將檢測區域11設置在通道C中。順便提 及，將圖2所示的第二實施方式設計為，使得在通道通道C中存在多個檢測區域11。然而， 可進行變形，使得在一個通道C中存在一個檢測區域11。另一種可能性是，如圖3所示的第三實施方式中，將多個檢測區域11 (未示出)設 置在共同形成于基板T中的通道C和阱W中。在將檢測區域11設置在通道C中的情況下，不特別限制通道C的寬度、深度以及 截面。例如，寬度小于Imm的微通道可以用于根據一個實施方式的光檢測芯片1。檢測區域11不僅可用作熒光檢測的場所，還可用作核酸的放大、雜化以及核酸、蛋白質和細胞之間的反應的場所。在如圖2所示的第二實施方式中將檢測區域11設置在 通道C中的情況下，可以以這樣的方式進行處理，即，使得樣本穿過通道C，同時經歷各種反 應，并且對到達預定位置的樣本進行熒光檢測。此外，在如圖3所示的第三實施方式中在基 板T中共同形成通道C和阱W的情況下，可以以這樣的方式進行處理，S卩，使得樣本穿過通 道C，同時經歷各種反應，并且對到達預定阱W的樣本進行熒光檢測。可選地，可以以這樣的 方式進行處理，即，使得樣本在每個阱W中經歷反應，并且，對穿過通道C的樣本進行熒光檢 測。順便提及，可以沒有特別限制地用任何已知的方式實現將樣本導入每個檢測區域 11。例如，在圖3所示的第三實施方式中，在基板T上形成阱W和與它們連接的通道C，使得 通過通道C將樣本導入每個檢測區域11 (未示出)。(2)光反射部12光反射部12旨在反射從樣本發出的熒光F。將光反射部設置在熒光被反射回檢測 區域11的位置(在熒光檢測方向D上)處。由于樣本在所有方向上(360° )發出熒光F，所以，在與用于熒光檢測的方向D相 反的方向上發出的熒光被散射而沒有被檢測。由于該原因，光檢測現有技術中的芯片難以 有效地檢測來自非常少量的樣本的光。相反，根據一個實施方式的光檢測芯片在與熒光檢 測方向D相反的位置處具有反射部12。因此，這使得在與熒光檢測方向D相反的方向上發 出的熒光反射回熒光檢測方向D。結果，與現有技術的芯片相比，其檢測更多的熒光F，因 此，其能夠有效地檢測從非常少量的樣本發出的熒光F，從而提高分析精度。如上所述，根據一個實施方式的光檢測芯片1具有光反射部12，不特別限制其結 構，只要其能夠反射從樣本發出的熒光F。例如，在圖1和圖2所示的第一和第二實施方式 中，設置一個以上光反射部12用于一個以上檢測區域11，而在圖4所示的第四實施方式中， 設置一個光反射部12用于一個檢測區域11。如上所述，根據一個實施方式的光檢測芯片1具有光反射部12，不特別制其形狀， 只要其能夠反射從樣本發出的熒光F。光反射部12可以是圖1和圖2所示的第一和第二實 施方式中使用的球面凹面鏡，或者是圖4所示的第四實施方式中使用的非球面凹面鏡，或 者是圖5所示的第五實施方式中使用的平面鏡。根據一個實施方式的光檢測芯片1可以具有透射導向至樣本的激勵光E但是反射 從樣本發出的熒光F的光反射部12。如圖6所示的第六實施方式那樣，該光反射部12允許 反轉光照射和光檢測的方向。穿過檢測區域11在反轉方向上的光照射和光檢測使得可以 自由地設置用于照射的光照射部101和用于檢測熒光的光檢測部102 (未示出)。(3)光透射控制部13光透射控制部13阻擋導向至樣本的光(激勵光E)，但是透射從樣本發出的熒光 F。對于根據一個實施方式的光檢測芯片1來說，光透射控制部13并不是必須的；然而，其 將提高S/N比。可將光透射控制部13設置在檢測區域11和光反射部12之間，如圖7所示的第七 實施方式那樣，其中，用于照射的光和用于檢測的光在相同的方向上。同樣，優選地，應將其 設置在從檢測區域11向其導向熒光的位置處，如圖8所示的第八實施方式那樣，其中，用于 照射的光和用于檢測的光在穿過檢測區域11的相反的方向上。
因此，如上所述地設置的光透射控制部13防止激勵光E在熒光檢測方向上散射。 結果是，由于激勵光E和改進的S/N比，噪音減小。2.光檢測裝置10圖9是示出了根據第一實施方式的光檢測裝置10的示意性概圖。光檢測裝置10 至少由以下各項組成(1)光照射部101、檢測區域11，以及(2)光檢測部102、光反射部。 根據需要，可選地，其可以具有⑶聚光透鏡103，(4)濾光片104，(5)光圈105，以及障柵。 下面將更詳細地描述這些部件。順便提及，檢測區域11和光反射部12以與上述用于光檢 測芯片1相同的方式起作用。因此，在下文中省略其描述。(1)光照射部101光照射部101旨在用激勵光E照射樣本。根據一個實施方式的光檢測裝置10具有光照射部101，其可以設置在任何地方而 沒有特別限制，只要其能夠向樣本照射光。例如，在圖9所示的第一實施方式中，設置一個 以上光照射部101用于各檢測區域11。該布置允許用波長不同的激勵光E照射各檢測區域 11，使得可同時實現各種檢測。另一種可能的布置(未示出)是這樣的，用一個光照射部101掃描多個檢測區域 11，或用激勵光E照射多個檢測區域。在根據一個實施方式的光檢測裝置10中，光照射部101可以使用任何已知的光照 射方法而沒有特別限制。例如，單獨或組合地使用任何LED(發光二極管)、半導體激光以及 EL照明來實現光照射。如果為各光檢測區域11設置多個光照射部101，那么存在兩種光照射方式。第一 種是同時照射和同時檢測。該方式節省數據獲取的時間。第二種是順序照射和順序檢測。 該方式減小來自并置的(juxtapose)光照射部101的噪音。(2)光檢測部102光檢測部102旨在檢測從樣本發出的熒光F。根據一個實施方式的光檢測裝置10具有光檢測部102，可以以任意方式設置光檢 測部而沒有任何特別的限制，只要其能夠檢測來自樣本的熒光F。例如，如圖9所示的第一 實施方式那樣，可以為各檢測區域11設置多個光檢測部102。該布置允許同時檢測位于每 個檢測區域11中的樣本所發出的熒光F。另一種可能的布置(未示出)是這樣的，使得用一個光檢測部102掃描多個檢測 區域11，或用激勵光E順序照射多個檢測區域11。該布置允許檢測位于每個檢測區域11 中的樣本所發出的熒光F。優選地，應該這樣構造根據一個實施方式的光檢測裝置10，即，使得光檢測部102 設置在與光照射部101相對的位置，檢測區域11介于它們之間。該構造允許自由地設置光 照射部101和光檢測部102。根據一個實施方式的光檢測裝置10可以使用任何已知的光檢測方法而沒有特別 的限制。這些方法可以使用區域成像元件(例如，PD(光電二極管)、CCD(電荷耦合器件) 以及CMOS(互補金屬氧化物半導體))或由以陣列設置的多個光檢測器組成的多通道光檢 測器。(3)聚光透鏡 103a 和 103b
圖9所示的第一實施方式使用多個用于激勵光的聚光透鏡103a，每個聚光透鏡 103a設置在光照射部101和光檢測區域11之間，以匯聚來自光照射部101的光。根據一個 實施方式的光檢測裝置10基本上不需要用于激勵光的聚光透鏡103a。然而，如該實施方式 那樣，通過設置聚光透鏡103a，將光準確地導向至設置在檢測區域11中的樣本。此外，該實施方式還使用多個聚光透鏡103b，每個聚光透鏡103b設置在光檢測區 域11和光檢測部102之間，以將來自位于檢測區域11中的樣本的熒光F匯聚到光檢測部 102上。根據一個實施方式的光檢測裝置10基本上不需要聚光透鏡103b。然而，如該實施 方式那樣，通過設置聚光透鏡103b，其加強了諸如熒光F的信號，從而提高了 S/N比。(4)濾光片 104a 和 104b圖10是示出了根據第二實施方式的光檢測裝置10的示意性概圖。該實施方式使 用用于激勵光的濾光片104a，每個濾光片設置在光照射部101和檢測區域11之間。根據一 個實施方式的光檢測裝置10基本上不需要激勵光濾光片104a。然而，如該實施方式那樣， 通過設置濾光片104a，其允許用具有期望波長的激勵光選擇性地照射每個檢測區域11。此外，該實施方式還使用用于光接收的濾光片104b，該濾光片設置在每個檢測區 域11和每個光檢測部102之間。根據一個實施方式的光檢測裝置10基本上不需要用于光 接收的濾光片104b。然而，如該實施方式那樣，通過設置濾光片104b，可在從位于每個檢測 區域11中的樣本所發出的熒光F中選擇性地接收期望的波長。(5)光圈 105a、105b、障柵圖11是示出了根據第三實施方式的光檢測裝置10的示意性概圖。該實施方式在 每個光照射部101和每個檢測區域11之間使用光圈105a。根據一個實施方式的光檢測裝 置10基本上不需要光圈105a。然而，如該實施方式那樣，其防止來自每個光照射裝置101 的光照射除了相應的檢測區域以外的其它檢測區域11 (即，相鄰的檢測區域)。這提高了
S/N 比。此外，該實施方式在每個檢測區域11和每個光檢測部102之間還使用光圈 105b。根據一個實施方式的光檢測裝置10基本上不需要光圈105b。然而，如該實施方式 那樣，其減少除了相應的檢測區域以外的其它檢測區域11(即，相鄰的檢測區域)的串擾 (crosstalk)。這提高了 S/N 比。除了光圈105a和105b以外，根據一個實施方式的光檢測裝置10在透鏡之間還可 以使用障柵(未示出)，以產生與上述同樣的效果。根據一個實施方式的光檢測芯片1和具有光檢測芯片1的光檢測裝置10不僅能 夠檢查包含在位于檢測區域11中的樣本中的物質的物理屬性，而且能夠通過電泳(檢測區 域11位于通道C中)來定量分析包含在樣本中的物質。可以通過將液體樣本形成為液流池(flow cell)(由樣本和挾持樣本的鞘液組 成)并通過光檢測部102獲取從在液流池中流動的物質發出的熒光的強度或圖像來實現這 樣的分析。可用與實際使用的或處于研發階段的流式細胞儀中相同的方式來構造液流池。 檢測來自流過微通道C的樣本的光，使得可以根據由此獲得的信息對通道下游的樣本中的 微小粒子(諸如細胞和核酸)進行分類。本實施方式使得可以有效地檢測來自非常少量的樣本的光，并預期提高分析精度。
上述技術將有助于改善各種醫療領域(病理學、腫瘤免疫學、移植學、遺傳學、再 生醫學以及化學療法)的分析、新藥開發、臨床檢查、食品工業、農業、工程學、法醫學以及 犯罪鑒定。應該理解，對于本領域技術人員來說顯而易見的是，可以對本文描述的目前優選 實施方式進行各種改變和修改。可在不背離本發明主題的精神和范圍且不減少其預期優點 的前提下，進行這種改變和修改。因此，旨在由所附權利要求覆蓋這種改變和修改。
權利要求
1.一種光檢測芯片，包括至少一個檢測區域，被配置為容納能夠發出熒光的樣本；以及光反射部，被配置為在朝著光檢測器的方向上反射從所述樣本發出的所述熒光的至少 一部分。
2.根據權利要求1所述的光檢測芯片，其中，所述檢測區域在通道或阱中。
3.根據權利要求1所述的光檢測芯片，進一步包括位于通道中和多個阱中的多個所述 檢測區域，所述通道和所述阱共同形成在基板中。
4.根據權利要求1所述的光檢測芯片，其中，所述光反射部從球面凹面鏡、非球面凹面 鏡或平面鏡組成的組中選擇。
5.根據權利要求1所述的光檢測芯片，其中，所述光反射部透射從光源導向至所述樣 本的激勵光的至少一部分。
6.根據權利要求1所述的光檢測芯片，進一步包括光透射控制部，用于阻擋從光源導 向至所述樣本的激勵光的至少一部分，以防止其在朝著所述光檢測器的方向上散射。
7.根據權利要求6所述的光檢測芯片，其中，所述光透射控制部設置在所述檢測區域 和所述光反射部之間，并且處于從所述檢測區域導向熒光位置。
8.根據權利要求1所述的光檢測芯片，進一步包括多個檢測區域和多個光反射部，其 中，在朝著所述光檢測器的方向上，每個光反射部反射從與多個所述檢測區域相關的多個 樣本發出的熒光的至少一部分。
9.一種光檢測裝置，包括光源，被配置為發出激勵光；至少一個檢測區域，被配置為容納能夠發出熒光的樣本；光反射部，被配置為在朝著光檢測器的方向上反射從樣本發出的熒光的至少一部分；以及光檢測部，被配置為接收由所述光反射部反射的熒光的至少一部分。
10.根據權利要求9所述的光檢測裝置，其中，所述檢測區域在通道或阱中。
11.根據權利要求9所述的光檢測裝置，進一步包括位于通道和多個阱中的多個所述 檢測區域，所述通道和所述阱共同形成在基板中。
12.根據權利要求9所述的光檢測裝置，其中，所述光反射部從球面凹面鏡、非球面凹 面鏡或平面鏡組成的組中選擇。
13.根據權利要求9所述的光檢測裝置，其中，所述光反射部透射從光源導向至所述樣 本的激勵光的至少一部分。
14.根據權利要求9所述的光檢測裝置，進一步包括光透射控制部，用于阻擋從光源導 向至所述樣本的激勵光的至少一部分，以防止其在朝著光檢測器的方向上散射。
15.根據權利要求14所述的光檢測裝置，其中，所述光透射控制部設置在所述檢測區 域和所述光反射部之間，并且處于從檢測區域導向熒光位置。
16.根據權利要求9所述的光檢測裝置，進一步包括多個檢測區域和多個光反射部，其 中，在朝著所述光檢測器的方向上，每個光反射部反射從與多個所述檢測區域相關的多個 樣本發出的熒光的至少一部分。
17.根據權利要求9所述的光檢測裝置，其中，至少一個濾光片位于所述光源和所述檢 測區域之間，并且，被配置為過濾激勵光的至少一部分。
18.根據權利要求9所述的光檢測裝置，其中，所述檢測區域設置在所述光反射部和所 述光檢測部之間。
19.根據權利要求9所述的光檢測裝置，其中，所述檢測區域設置在所述光反射部和所 述光源之間。
20.根據權利要求9所述的光檢測裝置，其中，所述光反射部設置在所述光源和所述檢 測區域之間。
21.根據權利要求9所述的光檢測裝置，進一步包括至少一個會聚激勵光的至少一部 分的聚光透鏡。
22.根據權利要求9所述的光檢測裝置，進一步包括設置在所述光源與所述檢測區域 之間的第一光圈和設置在所述檢測區域與所述光檢測部之間的第二光圈。
全文摘要
本發明提供了光檢測芯片和設置有光檢測芯片的光檢測裝置。其中光檢測芯片包括至少一個檢測區域，配置為容納能夠發出熒光的樣本；以及光反射部，配置為在朝著光檢測器的方向上反射從樣本發出的熒光的至少一部分。
文檔編號G01N21/64GK101995397SQ20101024643
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月4日 優先權日2009年8月12日
發明者山本真伸, 市村功, 甲斐慎一 申請人:索尼公司