專利名稱：高性能熒光光學傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及傳感器裝置，用以探測來自指示劑的電磁輻射，所研究的分析物從指示劑中滲透過去，其中輻射特性作為分析物濃度的函數(shù)而變化。更具體地說，此發(fā)明涉及對這些傳感器裝置的設計和性能方面的改進。
背景技術(shù)：
本文引用美國專利號5,517,313公開的內(nèi)容，并在此作為參考，該專利描述的熒光傳感裝置包括分層排列的包含分子的熒光指示劑矩陣(此后稱為“熒光矩陣”)；高通濾波器以及光探測器。在此裝置中，光源，最好是發(fā)光二極管(“LED”)，至少部分地位于指示劑材料內(nèi)，這樣，來自光源的入射光導致指示劑分子發(fā)出熒光。高通濾波器允許從指示劑分子發(fā)射出來的光到達光探測器，而濾掉來自光源的雜散入射光。分析物可以滲透熒光矩陣，與現(xiàn)存分析物數(shù)量成比例地改變指示劑材料的熒光性質(zhì)。然后，用光探測器探測和測量熒光輻射，這樣就提供了在所研究的環(huán)境中的現(xiàn)存分析物數(shù)量或濃度的度量。
在專利’313中公開的該類型傳感器裝置的一種有益的應用是把該裝置植入體內(nèi)，既可植入皮下，也可在靜脈內(nèi)或其他地方植入，以使得可以在任何想要的時刻即時測量分析物。例如，想要在病人失去知覺時測量其血液中氧的濃度，或測量糖尿病人血液中葡萄糖的含量。
自從在專利’313中描述的裝置發(fā)明以來，現(xiàn)今的發(fā)明家們已開發(fā)出許多改良設計，顯著地提高了在專利｀313中描述的該類型光學傳感器裝置的性能、可靠性及壽命。
具體說，這些傳感器裝置受到大小及重量的限制，尤其是在體內(nèi)(in-vivo)或原位(in-situ)應用時，在使功率消耗和發(fā)熱量最小化的同時，為了得到更可靠和精確的測量信號，重要的是使可用的指示劑矩陣的效率最大化。另外，傳感器裝置設計應該有可能使成本有效、可大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品以合理價格銷售。此外，期望裝置的壽命可以最長化，尤其是對必須植入體內(nèi)用于原位(in-situ)檢測生物分析物的裝置更是如此。
發(fā)明概述按照本發(fā)明的一方面，提供一個用來測定分析物的存在或濃度的光學傳感器裝置，包括基底；在基底上形成的遮光擋板層，并且其中至少有兩個腔；光源裝在其中一個腔內(nèi)的基底表面上，通電后，主要發(fā)射預先選定的波長的光；光探測器裝在與光源鄰近的基底表面上另一個腔內(nèi)，并用遮光擋板從中隔開，用來探測入射其上的光，并在此產(chǎn)生響應的電信號；波導形成在光源和光探測器之上，在裝有光源的腔內(nèi)充滿了與波導有相同折射率的透明環(huán)氧材料(epoxy)，這樣可認為光源安裝在波導“內(nèi)”；波導具有的平均厚度與光源的遠場輻射點相對應，遠場輻射點取決于光源相對于遮光擋板的位置、光源的固有輻射分布、或相對位置和固有輻射分布的結(jié)合；以及放置在波導外表面上的、分析物可滲透的指示劑矩陣，該熒光矩陣含有熒光指示劑分子，這些分子的熒光性由于所述熒光矩陣中有分析物存在而衰減或增強，預先選擇好的波長以及熒光指示劑分子要這樣來選擇使光源發(fā)出的波長在指示劑分子中激發(fā)熒光；其中光探測器對入射其上的熒光產(chǎn)生響應電信號，此熒光由所述熒光指示劑分子發(fā)射。光探測器腔充滿了摻入顏料的材料，其作用類似濾波器，基本上阻止所述光探測器接收某些輻射波長，這些輻射波長不同于來自指示劑分子的需要的峰值輻射波長。光探測器腔和光源腔兩者的填充材料可以是環(huán)氧材料或其它聚合材料。
附圖簡述參考下面對優(yōu)選實施例結(jié)合附圖的詳細描述，將會更充分地理解此發(fā)明。附圖僅作為例證，因而不是對本發(fā)明的限定，其中

圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光學傳感器裝置的俯視圖；圖1B是圖1A中的光學傳感器裝置的側(cè)視圖；圖2A是圖1A-1B中的光學傳感器裝置的側(cè)視圖，例示了激發(fā)視場和指示劑的響應視場；圖2B是圖2A的端視圖；圖3A和3B是側(cè)視圖，分別說明從光學傳感器的光源發(fā)射光噪聲的問題和本發(fā)明實現(xiàn)的解決方案；圖4是側(cè)視圖，依照本發(fā)明另一個實施例例示出用于的光學傳感器的波導具有彎曲表面；圖5A-5D是側(cè)視圖，依照本發(fā)明例示了傳感器裝置的波導厚度最優(yōu)化；和圖6是一曲線圖，顯示了依照本發(fā)明的，適用于光學傳感器裝置的LED光源的光輻射分布。
發(fā)明詳述圖1A和1B顯示了依照本發(fā)明的光學傳感器裝置的實施例。該裝置包括光源，例如LED 101；及光探測器，例如光電二極管102，光源和光探測器裝在基底100上。光源和光探測器由波導103封裝，波導的外表面提供了熒光指示劑矩陣105，其中含有分析物—指示劑分子。矩陣105以下列多種方式之一放置在波導103外表面上，諸如沉積、涂敷、粘合等等，。光源101和光探測器102用內(nèi)部檔板104a分開，它是基底100的檔板層部分104的一部分。檔板部分104既可和基底100分開形成，或者也可以利用隨后對腔的蝕刻或掩膜，來與基底的形成過程集成在一起。
檔板層104能在基底100的基底層110上形成，來限定若干裝在基底上并在其中放置光源和光探測器的腔的界限。在腔上形成波導層103以前，將光源腔充滿透明的環(huán)氧或其它聚合材料106，這些材料最好與波導103具有大體相同的折射率，填充材料106可以和用于波導103的材料相同，但不是必須相同。
光探測器腔充滿摻入顏料的環(huán)氧或聚合材料107，該材料起到濾波器的作用，用以阻擋來自光源101的直接或反射光照射到光探測器102上。選擇材料107的顏色，使得與指示劑分子的峰值輻射相對應。
或者，光探測器腔充滿摻入顏料的材料，而后光源腔的填充與波導層的形成可一起進行，這樣就將光源嵌入在整體的波導層中。
另外，也可將光源腔充滿摻入顏料的材料，而不是充滿透明材料，選擇的材料顏色可以大體上阻擋除了所需峰值波長輻射以外的光源所有波長的輻射。
如圖2A和2B所示，按照本發(fā)明，光學傳感器裝置的結(jié)構(gòu)基于實現(xiàn)以下目的基本上只用光源101直接照射波導103的具有熒光指示劑矩陣105的幾乎整個外表面；以及基本上只在光探測器102表面上直接收集來自指示劑矩陣105發(fā)出的響應輻射。內(nèi)部檔板104阻止光源101的雜散光照射光探測器102。LED光源的光輻射分布幾何圖形顯示在圖6中。
先前的傳感器結(jié)構(gòu)的一個問題是由于用作光源的標準LED所發(fā)出的光波長不純，包括很多波長較長的光輻射，這可以降低所得到的測量信號的品質(zhì)。例如，標準藍光LED提供波長為460nm的輻射，但是由于各種因素，包括在生產(chǎn)過程中涉及的因素，有很多的(例如，大約占總輻射量的0.1％或更多)光輻射擴展到光譜的紅光區(qū)域(例如，600nm以上)。作用類似濾波器的紅色摻雜環(huán)氧材料107可以阻擋藍光波長光入射到光探測器103上，但不能夠濾掉這種來自LED光源的稱為“紅色末端”(red tail)的輻射。
在用氧傳感器裝置的情形下，用聯(lián)苯基菲咯啉釕作為指示劑矩陣，這種指示劑的峰值輻射是613nm。因此，LED的“紅色末端”輻射污染了來自指示劑的信號。這種“紅色末端”輻射導致信號基線(signal baseline)提升并因此抑制了來自指示劑的熒光輻射中有用、可讀的調(diào)制。這些顯示在圖3A中。
如圖所示，藍光波長光輻射301(需要的)伴隨著額外的、不需要的紅光波長輻射302，先前的波導結(jié)構(gòu)能把這些紅光波長輻射反射到光探測器102的探測表面上。按照本發(fā)明的直接照射結(jié)構(gòu)，大多數(shù)來自LED光源的不需要的紅光波長輻射302，不從波導表面反射回光探測器，而是直接從波導穿出，這樣，基本上只有響應由藍光波長光波301激發(fā)的紅光波長熒光輻射303，照射在光探測器102的光探測表面上。根據(jù)實驗測量，其基線噪音比用先前幾何結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的波導減少40倍以上(例如，從23mV減少到不足0.5mV)。此外，如上面討論過的那樣，用摻藍填充材料填充光源腔能有助于減少來自光源的“紅色末端”輻射。
按照此發(fā)明，光學傳感器裝置的最簡單和最有效的結(jié)構(gòu)是波導有一平坦的表面，如圖1A-1B和圖2A-2B所示。也可能有一彎曲表面，如圖4所示。此外，可能有其他幾何形狀的表面，如象鋸齒形、三角形或倒置的表面式樣，這是為了增加表面面積，因而增加了可用的與分析物相互作用的指示劑數(shù)量。
在先前的設計中，設想過波導的弧形彎曲可起到把信號光聚焦在光探測器上的作用。恰巧相反，按照本發(fā)明的設計，內(nèi)部反射或聚焦并不是有意義的現(xiàn)象。如圖4所示，弧形的焦點402與探測器102無關(guān)，事實上完全聚焦在整個傳感器裝置之外。
實驗觀察和測量已確認，絕大多數(shù)的指示劑光，只是指示劑對來自光源的直接照明的響應產(chǎn)物，而不是內(nèi)部反射光的產(chǎn)物。
圖5A-5D列示出若干不同波導厚度的優(yōu)化，其根據(jù)在于發(fā)現(xiàn)反射系數(shù)未對信號強度起主要貢獻。如圖所示，已經(jīng)制造出來不同厚度的波導，其中厚度的特點在于與下述距離成比例即從LED光源到LED光源的遠場輻射點X與波導表面的相交處的距離。對于每個厚度，在LED固定的電流和放大器增益時，測量其信號強度，如圖所示對厚度為X/3的波導，產(chǎn)生大約5mV的信號；厚度為2X/3時，產(chǎn)生約20mV的信號；厚度為X時，產(chǎn)生約50mV的信號；以及厚度為4X/3時，產(chǎn)生約40mV的信號。從這些結(jié)果可以看出，當波導厚度設定為X時，換句話說，在LED光源的遠場輻射點與波導的角的頂點一致時，得到了峰值信號強度。只要光源和擋板之間的相對位置適當，只要選擇具有特定的固有輻射分布幾何形狀的光源，或是這些因素的結(jié)合，就可以實現(xiàn)峰值信號強度。
為了增加波導的表面積，把表面做成不平坦的，其厚度X等于從波導的下表面量起的表面式樣的平均高度。
按照此發(fā)明，光學傳感器裝置也可設定為二重或多重探測器，用若干個光探測器裝在LED的各邊，不同的指示劑矩陣放置在各個相應的光探測器上，這樣，LED的相同激發(fā)波長可在各個指示劑矩陣中激發(fā)出不同的熒光波長?；蛘撸捎枚鄠€LED，其中各個LED發(fā)射出不同的激發(fā)波長導致不同的熒光波長響應。
此外，雖然按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中描述過折射率匹配問題，依舊可能為各種光源填充材料、波導材料和光探測器填充材料選擇不同的折射率。眾所周知，光自然地從折射率較低的媒體傳播到折射率較高的媒體。
因此由于希望激發(fā)光從光源傳播到放置在波導表面的指示劑矩陣，并希望熒光輻射從指示劑矩陣傳播到光探測器，因此本發(fā)明的替換實施例會陸續(xù)為光源填充材料、波導材料和光探測器填充材料提供更高的折射率。發(fā)明現(xiàn)已描述，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當理解，在不違背本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本發(fā)明可以有多種變化。例如，盡管為了例證的目的，本發(fā)明的描述涉及熒光傳感器裝置，但本發(fā)明的原理可以應用于使用光學傳感器裝置探測熒光以外的現(xiàn)象。任何或所有這樣的修改，都包括在下面的權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種用于測定分析物的存在或濃度的光學傳感器裝置，包括一個基底；一個光源，通電時，主要用于發(fā)射預先選擇好波長的光，并裝在所述基底的表面；一個光探測器，用于探測入射其上的光并產(chǎn)生響應的電信號，裝在鄰近于所述光源的表面，并用遮光擋板從中隔開；一個波導，形成在所述光源和所述光探測器之上；所述波導具有的平均厚度與所述光源的遠場輻射點相對應；以及一個可滲透分析物的指示劑矩陣，放置在所述波導的外表面上，所述指示劑矩陣含有發(fā)光的指示劑分子，它的光輻射會由于在所述矩陣中存在分析物而削弱或增強，選擇所述指示劑分子以使得由光源發(fā)出的波長激發(fā)指示劑分子產(chǎn)生光輻射；其中所述光探測器產(chǎn)生電信號，響應入射其上的、由所述指示劑分子發(fā)出的光。
2.如權(quán)利要求1中所述的光學傳感器裝置，其中所述波導的所述外表面是大體上平坦的，所述波導的厚度與所述光源的所述遠場輻射點相對應。
3.如權(quán)利要求1中所述的光學傳感器裝置，其中所述波導的所述外表面是彎曲的弧形結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3中所述的光學傳感器裝置，其中所述彎曲的弧形的焦點在所述傳感裝置的外面。
5.如權(quán)利要求1中所述的光學傳感器裝置，其中，使那些由所述光源發(fā)射的不需要的、附加的波長從所述波導穿出，且在此基本上沒有反射。
6.如權(quán)利要求1中所述的光學傳感器裝置，其中所述傳感裝置用于探測至少兩種不同的分析物。
7.如權(quán)利要求1中所述的光學傳感器裝置，其中所述可滲透分析物的指示劑矩陣的照明，大體上僅來自所述光源的直接照明。
8.如權(quán)利要求1中所述的光學傳感器裝置，其中所述光探測器大體上僅收集來自所述指示劑矩陣的直接熒光照明。
9.如權(quán)利要求1中所述的光學傳感器裝置，其中所述光源是LED。
10.如權(quán)利要求1中所述的光學傳感器裝置，其中所述光探測器是光電二極管。
11.如權(quán)利要求1中所述的光學傳感器裝置，其中所述發(fā)射光的指示劑分子是熒光分子。
12.如權(quán)利要求1中所述的光學傳感器裝置，其中所述檔板至少限定了兩個腔的界限，當檔板裝在所述基底上時，所述光源和所述光探測器位于兩個腔中，并在所述腔上形成所述波導。
13.如權(quán)利要求12中所述的光學傳感器裝置，還包括一種透明填充材料，形成在腔中的所述光源之上，所述光源位于該腔中，其中所述透明填充材料具有與所述波導大體相等的折射率，這樣，所述光源有效地裝在所述波導內(nèi)。
14.如權(quán)利要求12中所述的光學傳感器裝置，還包括一種摻入顏料的材料，形成在腔中的所述光源之上，所述光源位于該腔中，其中所述摻入顏料的填充材料的顏色與所述光源的峰值波長輻射相對應。
15.如權(quán)利要求12中所述的光學傳感器裝置，還包括一種摻入顏料的材料，在腔中形成在所述光探測器之上，所述光探測器位于該腔中，其中所述摻入顏料的填充材料起濾波器的作用，用來阻止由所述光源發(fā)射的主要的波長照射到所述光探測器上。
16.如權(quán)利要求13中所述的光學傳感器裝置，其中所述填充材料是聚合材料。
17.如權(quán)利要求14中所述的光學傳感器裝置，其中所述填充材料是聚合材料。
18.如權(quán)利要求15中所述的光學傳感器裝置，其中所述填充材料是聚合材料。
19.如權(quán)利要求12中所述的光學傳感器裝置，還包括一種填充材料，在腔中形成在所述光源之上，所述光源位于該腔中，其中所述填充材料的折射率低于所述波導的折射率。
20.如權(quán)利要求15中所述的光學傳感器裝置，其中所述摻入顏料的填充材料的折射率高于所述波導的折射率。
全文摘要
用于測定分析物的存在或濃度的光學傳感器裝置，包括波導(103)，放置在基底(100)的光源(101)之上并用內(nèi)部擋板(104)分隔開，其中波導具有的厚度與光源的遠場輻射點相對應，遠場輻射點取決于光源和光探測器之間的遮光擋板。
文檔編號G01N21/64GK1602420SQ02824835
公開日2005年3月30日 申請日期2002年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月11日
發(fā)明者阿瑟·E·小科爾文, 史蒂文·J·沃爾特斯 申請人:醫(yī)藥及科學傳感器公司