УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИ ДЕТЕКТИРОВАНИИ СРОДСТВА К СВЯЗЫВАНИЮ Российский патент 2017 года по МПК G01N21/77 

Настоящее изобретение относится к устройству для применения при детектировании сродства к связыванию, равно как к системе для детектирования сродства к связыванию согласно соответствующему независимому пункту формулы изобретения. Такие устройства в большом количестве вариантов применяют, например, в качестве биосенсоров. Одним из частных вариантов применения является детектирование или мониторинг сродства к связыванию или процессов связывания. Например, с помощью таких биосенсоров в различных тестах производят детектирование связывания заданных образцов с центрами связывания. Типично, большое количество таких тестов с биосенсором проводят на участках, организуемых в двумерном микрочипе на поверхности биосенсора. Применение микрочипов предоставляет инструмент для одновременного детектирования в высокопроизводительных скринингах, в которых необходимо быстро анализировать большое количество заданных образцов, сродства к связыванию или хода изменения различных заданных образцов, таких как молекулы, белки или ДНК. Для детектирования сродства заданных образцов к связыванию со специфичными центрами связывания (например, сродства заданных молекул к связыванию с различными молекулами захвата), большое количество центров связывания иммобилизуют на поверхности биосенсора на участках, содержащих пятна, нанесенные, например, струйным нанесением или посредством фотолитографии. Каждое пятно для заранее определенного типа молекул захвата формирует индивидуальную зону измерения. Сродство заданного образца к специфическому типу молекул захвата детектируют и применяют в целях предоставления информации о сродстве к связыванию заданного образца. В известной технологии детектирования сродства к связыванию заданных образцов применят метки, способные в результате накачки испускать флуоресцентный свет. После накачки флуорофоров индуцируется флуоресцентный свет, обладающий характеристическим эмиссионным спектром. Детектирование этого характеристического эмиссионного спектра в конкретном пятне указывает на то, что отмеченная заданная молекула связана с конкретным типом центров связывания, присутствующих в соответствующем пятне. Сенсор для детектирования отмеченных заданных образцов описывают 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. Сенсор, описанный в данной статье, содержит планарный волновод, располагаемый на субстрате, и решетку для введения в планарный волновод когерентного света заранее определенной длины волны. У оконечности планарного волновода, удаленной от решетки, предназначенной для введения света в волновод, располагают дополнительную решетку. Когерентный свет, распространяющийся через планарный волновод, выводят с выхода волновода посредством дополнительной решетки. Выведенный свет применяют для регулировки введения когерентного света заранее определенной длины волны в планарный волновод. Когерентный свет распространяется через планарный волновод при полном отражении полем затухающих колебаний когерентного света, распространяющегося вдоль внешней поверхности планарного волновода. Глубину проникновения поля затухающих колебаний в среду с более низким показателем преломления на внешней поверхности планарного волновода оценивают по порядку значения как долю длины волны когерентного света, распространяющегося через планарный волновод. Поле затухающих колебаний накачивает флуоресцентные метки отмеченных заданных образцов, связанных с центрами связывания, располагаемыми на поверхности планарного волновода. Ввиду очень незначительного проникновения поля затухающих колебаний в оптически менее плотную среду внешней поверхности планарного волновода, накачиваются только отмеченные образцы, связанные с центрами связывания, иммобилизованными на внешней поверхности планарного волновода. После этого флуоресцентный свет, испускаемый этими метками, детектируют при помощи ПЗС-камеры (камеры прибора с зарядовой связью). Хотя детектирование сродства к связыванию при помощи флуоресцентных меток принципиально возможно, эта технология имеет тот недостаток, что детектируемый сигнал производится метками, а не партнерами по связыванию как таковыми. Вдобавок, метка заданных образцов требует дополнительных этапов обработки. Более того, отмеченные заданные образцы являются относительно дорогими. Другим недостатком является искажение результатов из-за стерических затруднений флуоресцентных меток у заданного образца, что может повлиять на связывание заданных образцов с молекулами захвата. Дополнительные недостатки возникают из-за искажения результатов по причине эффектов фотообесцвечивания или гашения. Задачей настоящего изобретения является предоставление устройства для применения в детектировании сродства к связыванию заданного образца, равно как системы, пригодной для детектирования такого сродства к связыванию, преодолевающей или по меньшей мере сильно уменьшающей недостатки вышеописанного, известного из предшествующего уровня техники сенсора.

По изобретению эта задача достигается при помощи устройства для детектирования сродства к связыванию. Устройство содержит планарный волновод, располагаемый на подложке, и дополнительно содержит оптическую развязку заранее определенной длины для введения когерентного света в планарный волновод таким образом, чтобы луч когерентного света проходил параллельно через планарный волновод с полем затухающих колебаний, распространяющимся вдоль внешней поверхности планарного волновода. Внешняя поверхность планарного волновода содержит центры связывания, способные связывать заданные образцы с центрами связывания, таким образом, что свет поля затухающих колебаний преломляется заданными образцами, связанными с центрами связывания. Центры связывания располагают вдоль множества заранее определенных прямых линий, проходящих параллельно друг другу на постоянном расстоянии между прилежащими прямыми линиями. Заранее определенные прямые линии располагают под углом β относительно направления распространения поля затухающих колебаний таким образом, чтобы свет, преломляемый заданными образцами, связанными с центрами связывания, падал под углом преломления α относительно прямых линий на дополнительной оптической развязке, располагаемой на части планарного волновода вне луча когерентного света, распространяющегося через планарный волновод. Дополнительная оптическая развязка выводит преломленный когерентный свет из планарного волновода, таким образом, чтобы он интерферировал в заранее определенном местоположении с разницей длины оптического пути, являющейся целым кратным заранее определенной длины волны. Технически, термин "преломленный" подразумевает интерференцию когерентного света поля затухающих колебаний, уже прошедшего взаимодействие с заданными образцами, связанными с центрами связывания. Преломление вызывает интерференцию когерентного света, распространяющегося через планарный волновод, с полем затухающих колебаний на внешней поверхности, таким образом, чтобы внутри планарного волновода проходила синфазная интерференция. Детектирование сродства к связыванию по изобретению, не ограничиваемое ни специфическими типами заданных образцов, ни каким-либо типом центров связывания, но скорее связывающей способностью молекул, белков, ДНК и так далее, может быть проведено на планарном волноводе для любого типа центров связывания. Детектирование сродства к связыванию может достигаться без применения меток. В качестве альтернативы, в целях увеличения чувствительности детектирования могут применяться усилители преломления (например, преломляющие метки), сильно рассеивающие свет. Такими усилителями преломления могут являться наночастицы (сами по себе или со связующими) или, в качестве еще одного примера, коллоидные частицы. Предпочтительно, чтобы характеристика связывания, которую необходимо определить, могла представлять собой характеристику статического типа (например, можно исследовать, связан или не связан заданный образец с центрами связывания) или динамического типа (например, может быть исследована динамика процесса связывания во времени). По изобретению устройство содержит планарный волновод на подложке, причем планарный волновод имеет показатель преломления выше среды на внешней поверхности, формирующей верхнюю сторону планарного волновода. Например, показатель преломления планарного волновода может находиться в диапазоне от 1,6 до 2,8, тогда как показатель преломления среды поверхности планарного волновода типично находится в диапазоне от 1 до 1,6, в особенности 1,33-1,4 для воды или водного тестового буфера и 1 для воздуха. Глубина проникновения (расстояние между внешней поверхностью планарного волновода и падением в 1/е² раз интенсивности поля затухающих колебаний) поля затухающих колебаний в среду на внешней поверхности планарного волновода зависит от эффективного показателя преломления N канализированной моды, показателя преломления среды на поверхности планарного волновода и заранее определенной длины света. Глубина проникновения такова, что поле затухающих колебаний, проникающее за пределы внешней поверхности планарного волновода, преломляется у заданных образцов, связанных с центрами связывания, располагаемыми у внешней поверхности. На практике, когерентный свет заранее определенной длины волны (предпочтительно монохроматический), введенный на оптическую развязку, поступает в планарный волновод таким образом, чтобы параллельный луч когерентного света распространялся через планарный волновод, а поле затухающих колебаний распространялось вдоль внешней поверхности. Параллельный луч имеет ширину, соответствующую заранее определенной длине оптической развязки, которая в случае применения для введения в планарный волновод когерентного света с оптической решетки определяется длиной линий, составляющих оптическую решетку. Заранее определенная длина волны не ограничивается специфическими значениями, но, предпочтительно, она находится в диапазоне видимого света. Внешняя поверхность планарного волновода содержит на себе центры связывания. Центры связывания, с которыми может связываться заданный образец, располагают на внешней поверхности планарного волновода. Например, центры связывания могут содержать молекулы захвата, иммобилизованные на внешней поверхности планарного волновода, или могут просто содержать активированные местоположения на внешней поверхности планарного волновода, способные связывать заданные образцы с активированными местоположениями, или могут встраиваться любым другим способом, пригодным для связывания заданных образцов в желаемых местоположениях на внешней поверхности планарного волновода. В принципе, если центры связывания способны связывать заданные образцы, то свет поля затухающих колебаний преломляется заданными образцами, связанными с центрами связывания. По изобретению, центры связывания располагают вдоль множества заранее определенных прямых линий. Расположение центров связывания "вдоль заранее определенных прямых линий" является оптимальным вариантом, при котором все центры связывания точно располагают на заранее определенных прямых линиях. Такое оптимальное расположение центров связывания обуславливает максимальный сигнал в местоположении детектирования. Специалисту в данной области техники понятно, что практически расположение центров связывания может до некоторой степени отклоняться от такого оптимального расположения без потери детектируемого сигнала в местоположении детектирования. Например, отклонение может быть обусловлено соответствующим способом нанесения центров связывания на внешнюю поверхность планарного волновода, что в деталях будет раскрыто ниже. Прямые линии таковы, что внутри планарного волновода, преломленный в нем свет конструктивно интерферирует до максимально высокой интенсивности. Заранее определенные прямые линии проходят параллельно друг другу при постоянном расстоянии между прилежащими прямыми линиями. Предпочтительные постоянные расстояния между прилежащими заранее определенными прямыми линиями составляют около 100 нм или превышают 100 нм. Предпочтительно расстояние между прилежащими заранее определенными линиями составляет от около 100 нм до около 1000 нм, в особенности между 300 нм - 600 нм. Упомянутые диапазоны, в которых длина волны простирается от 350 нм до 1500 нм, подразумевают применение видимого, ближнего инфракрасного и мягкого УФ-света, поэтому преломленный свет можно детектировать стандартными оптическими способами. Заранее определенные прямые линии располагают под углом β в диапазоне от 10° до 70° относительно направления распространения поля затухающих колебаний. Направление распространения определяют, начиная от оптической развязки, и далее в направлении, в котором когерентный свет вводится в планарный волновод, положение которого обычно близко к перпендикулярному относительно линий оптической решетки, образующей оптическую развязку. Когерентный свет, преломленный заданными образцами, связанными с центрами связывания, падает на дополнительную оптическую развязку под углом преломления α относительно прямых линий. Угол преломления, под которым свет конструктивно интерферирует, является целым кратным от заранее определенной длины волны и зависит от постоянного расстояния между прилежащими прямыми линиями, принимая во внимание заранее определенную длину волны и показатели преломления подложки, планарного волновода и среды у внешней поверхности волновода при этой длине волны. Поскольку свет поля затухающих колебаний, распространяющийся вдоль внешней поверхности планарного волновода, является когерентным, равно как когерентным является свет, распространяющийся через планарный волновод, когерентный свет поля затухающих колебаний преломляется когерентно на центрах преломления, образованных заданными образцами, связанными с центрами связывания, располагаемыми на различных заранее определенных линиях. Преломленный свет в любом местоположении может определяться сложением вкладов от каждого из индивидуальных центров преломления. Полезно, чтобы внутреннее преломление света, распространяющегося через планарный волновод, превышало преломление света, выведенного из планарного волновода. Поскольку преломление у заданных образцов, связанных с центрами связывания, обычно, довольно незначительно, преломление в плоскости планарного волновода обеспечивает повышенную чувствительность детектирования, что позволяет определять даже сравнительно незначительные количества центров преломления. Дополнительная оптическая развязка, на которую падает преломленный свет, может представлять собой физическую решетку, пригодную для выведения света из планарного волновода. Дополнительной принципиальной особенностью изобретения является то, что дополнительную оптическую развязку располагают в части планарного волновода вне луча когерентного света, распространяющегося через планарный волновод. Это позволяет детектировать сигнал преломленного света без учета фона луча когерентного света, распространяющегося через планарный волновод. Из-за того, что сигнал, детектируемый в местоположении детектирования, имеет меньший фоновый сигнал, достигают улучшение чувствительности, что позволяет детектировать сигнал, вызванный меньшим количеством центров преломления. Максимум преломленного света сосредоточен в заранее определенном местоположении детектирования, поскольку дополнительную оптическую развязку в виде решетки формируют таким образом, чтобы в заранее определенном местоположении детектирования длина оптического пути света, преломленного различными линиями решетки, различалась на целое кратное длине волны света. Для максимизации сигнала в местоположении детектирования длина оптического пути света от оптической развязки до заранее определенных прямых линий, от них до дополнительной оптической развязки, и от нее до заранее определенного местоположения детектирования также является целым кратным заранее определенной длины волны. Так, свет, преломленный заданными образцами, связанными с центрами связывания, конструктивно интерферирует в заранее определенном местоположении детектирования. Требование конструктивной интерференции достигается преломленным светом, добавляющим к детектируемому сигналу в местоположении детектирования. В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения постоянное расстояние d между прилежащими прямыми линиями выбирают так, чтобы оно подчинялось условию Брэгга , в котором N представляет собой эффективный показатель преломления канализированной моды в планарном волноводе, d представляет собой расстояние между прилежащими заранее определенными прямыми линиями, α представляет собой угол преломления, k представляет собой количество максимумов интенсивности и λ представляет собой длину волны света, распространяющегося в вакууме. Важно отметить, что расстояние между прилежащими заранее определенными линиями d, при котором происходит конструктивная интерференция в заранее определенном местоположении детектирования, зависит от эффективного показателя преломления N, который в свою очередь зависит от показателя преломления среды у внешней поверхности волновода. Предпочтительно рассчитывать расстояние между прилежащими заранее определенными линиями d с учетом множителя, учитывающего изменение показателя преломления для различных образцов, нанесенных на внешнюю поверхность. Постоянство расстояния d между прилежащими линиями по умолчанию подразумевает незначительные изменения расстояния между прилежащими линиями. Такое отклонение в расстоянии между прилежащими линиями среди множества заранее определенных линий позволяет выполнение условия Брэгга только для доли из множества заранее определенных линий. В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом изобретения, заранее определенные линии располагают под углом β в диапазоне 10°-70° относительно направления распространения поля затухающих колебаний. Когерентный свет, преломленный заданными образцами, связанными с центрами связывания, падает под углом преломления α (который равен β) относительно прямых линий на дополнительной оптической развязке. Расположение заранее определенных линий и дополнительной оптической развязки под фиксированными углами предпочтительно для изготовления устройства с заранее определенными линиями на внешней поверхности с фиксированной их ориентацией на внешней поверхности. В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом изобретения, дополнительная оптическая развязка содержит множество линий решетки. Каждая из множества линий решетки обладает такой относительной кривизной и таким расстоянием между прилежащими линиями дополнительной оптической развязки, чтобы стало возможным вывести из планарного волновода преломленный когерентный свет так, чтобы свет интерферировал в заранее определенном местоположении детектирования с разницей в длине оптического пути, являющейся целым кратным от заранее определенной длины волны. Множество линий решетки может иметь ось симметрии, простирающуюся относительно заранее определенных линий под углом преломления α. Эта симметрия, относящаяся к множеству линий в дополнительной решетке с криволинейной решетчатой структурой с уменьшающимся расстоянием между прилежащими линиями решетки, понуждает свет с одинарной заранее определенной длиной волны, выведенный из планарного волновода, выполнять условие, состоящее в том, что разница в длине оптического пути являлась целым кратным от одинарной заранее определенной длины волны в местоположении детектирования. Построение оси симметрии под углом преломления позволяет включить в себя центральную ось оптической решетки, сформированной циркулярно. В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом изобретения, множество заранее определенных линий располагают в рабочей зоне планарного волновода. Рабочая зона имеет ширину, эквивалентную длине оптической развязки, так что полная рабочая зона освещена полем затухающих колебаний когерентного света, введенного в планарный волновод при помощи оптической развязки. Луч, распространяющийся в волноводе, имеет незначительный угол дивергенции, поэтому пренебрегают увеличением ширины луча по сравнению с другими размерами устройства. Так, для освещения полной рабочей зоны ширину рабочей зоны, как правило, можно выбрать идентичной длине оптической развязки. Однако на практике ширина рабочей зоны уступает длине оптической развязки. В качестве примера, ширина рабочей зоны равна 310 мкм, хотя длина оптической развязки равна 400 мкм. В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом изобретения, по меньшей мере два множества заранее определенных линий располагают на планарном волноводе одно за другим в направлении распространения поля затухающих колебаний. Соответствующую дополнительную оптическую развязку располагают относительно каждого множества заранее определенных линий, таким образом, чтобы когерентный свет, преломленный заданными образцами, связанными с центрами связывания, располагаемыми вдоль прямых линий, из относительного множества прямых линий падал на соответствующую дополнительную развязку под углом преломления α. Посредством расположения множества заранее определенных линий одно за другим в направлении распространения поля затухающих колебаний, поле затухающих колебаний луча падает на (преломляется у) все множество заранее определенных линий, располагаемых таким образом, что допускается одновременное детектирование сродства к связыванию многих образцов. В предпочтительном альтернативном варианте изобретения каждое из, по меньшей мере, двух множеств с заранее определенными линиями имеет одинаковое постоянное расстояние d между прилежащими прямыми линиями. Одинаковое постоянное расстояние d между прилежащими прямыми линиями в каждом множестве заранее определенных линий позволяет дублирующее детектирование сродства к связыванию для многих образцов. В еще одном предпочтительном альтернативном варианте изобретения, каждое из, по меньшей мере, двух множеств заранее определенных линий имеет различное постоянное расстояние d_1…n между прилежащими прямыми линиями. Различное постоянное расстояние d_1…n может покрывать диапазон постоянных расстояний, соответствующий диапазону поддающихся детектированию показателей преломления в среде у внешней поверхности волновода. Диапазон поддающихся детектированию показателей преломления позволяет детектирование сродства к связыванию образцов в среде с различными неизвестными показателями преломления. Показатель преломления в образцах, приводимых в контакт с поверхностью сенсора, благодаря различиям в составе мог бы меняться в диапазоне нескольких процентов. В еще одном предпочтительном дополнительном варианте изобретения, постоянное расстояние d_1…n между прилежащими прямыми линиями из прилежащих множеств заранее определенных линий различается с шагом от 0,5 до 3 нм. Наличие множества заранее определенных линий с разницей в постоянном расстоянии d_1…n с одинаковыми пошаговыми изменениями позволяет удобно количественно определять сродство к связыванию в образцах с различными или неизвестными показателями преломления в диапазоне известных поддающихся детектированию показателей преломления. Конструктивная интерференция в заранее определенном местоположении детектирования происходит, если расстояние d в множестве заранее определенных линий соответствует условию Брэгга для показателя преломления нанесенного образца.

В еще одном дополнительном предпочтительном варианте изобретения по меньшей мере два множества заранее определенных линий содержат группы множеств заранее определенных прямых линий, причем каждая группа имеет равное постоянное расстояние d между прилежащими прямыми линиями. Различные группы множества заранее определенных линий имеют различное постоянное расстояние d_1…n между прилежащими прямыми линиями. Наличие групп с равным постоянным расстоянием d между прилежащими прямыми линиями сочетает преимущества, обсуждаемые для других альтернатив, так как это позволяет дублирующее детектирование сродства к связыванию, равно как детектирование сродства к связыванию образцов в среде с различными или неизвестными показателями преломления в диапазоне известных определимых показателей преломления. В еще одном дополнительном предпочтительном варианте изобретения оптическая развязка содержит, по меньшей мере, две отдельные части для введенного когерентного света заранее определенной длины волны в планарный волновод. Каждую отдельную часть, имеющую заранее определенную длину, в отношении к другой отдельной части разделяют заранее определенным промежутком, таким образом, чтобы через планарный волновод распространялись разделенные заранее определенным промежутком, по меньшей мере, два параллельных луча когерентного света. Разделенные части оптической развязки допускают расположение одного или более множества заранее определенных линий в направлении распространения каждого луча, вводимого в планарный волновод через соответствующую отдельную часть волновода. Разделение луча в волноводе на параллельные лучи заранее определенным промежутком между частями приводит к тому, что часть планарного волновода находится вне параллельных лучей когерентного света. Дополнительная оптическая развязка, располагаемая в упомянутой части, улучшает детектируемый сигнал, уменьшая фоновый свет в местоположении детектирования. В качестве примера, для дополнительной оптической развязки размером 400 мкм, выбирают заранее определенный промежуток 600 мкм. В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения центры связывания содержат молекулы захвата, прикрепленные к внешней поверхности планарного волновода только вдоль заранее определенных линий. Молекулы захвата способны связывать заданные образцы. При выполнении изобретения конкретно предусмотрены два варианта того, как центры связывания могут располагаться вдоль множества заранее определенных линий. В соответствии с первым вариантом выполнения изобретения центры связывания содержат молекулы захвата, прикрепленные к поверхности планарного волновода только вдоль заранее определенных линий. Эти молекулы захвата способны связывать заданные образцы и иммобилизованы на внешней поверхности планарного волновода (хотя, как упомянуто выше, центры связывания могут быть образованы активированной поверхностью волновода как таковой). Иммобилизация молекул захвата на внешней поверхности планарного волновода вдоль заранее определенных линий может, вообще говоря, производиться любым подходящим способом, например, она может производиться с применением фотолитографических способов с применением литографической маски с прямыми линиями. Само собой разумеется, что расположение центров связывания вдоль заранее определенных линий в любом варианте выполнения изобретения необходимо понимать в том смысле, что большинство центров связывания - в текущем варианте реализации молекул захвата - сосредоточено вдоль заранее определенных линий, но однозначно некоторые центры связывания располагаются в отличающихся от этого местоположениях. В соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения центры связывания содержат молекулы захвата, способные связывать заданные образцы, причем молекулы захвата, способные связывать заданные образцы, располагают вдоль заранее определенных линий посредством иммобилизации молекул захвата, способных связывать заданные образцы на внешней поверхности планарного волновода, и посредством дезактивации тех молекул захвата, которые не находятся на заранее определенных прямых линиях. Термин "дезактивация" в данном контексте относится к любому пригодному способу изменения связывающей способности молекул захвата до или после их иммобилизации на внешней поверхности планарного волновода. Дезактивацию можно достигнуть, например, путем воздействия УФ-светом на молекулы захвата, чтобы достичь такого их состояния, когда они не способны более связывать заданные образцы. Дезактивация молекул захвата, иммобилизованных между заранее определенными линиями, может достигаться, например, перестройкой региона связывания молекулы захвата. В соответствии с этим вариантом выполнения изобретения, молекулы захвата могут быть нанесены на внешнюю поверхность планарного волновода равномерно или статистически равномерно. После дезактивации молекул захвата, располагаемых только между заранее определенными линиями, молекулы захвата, располагаемые вдоль заранее определенных линий (которые не были дезактивированы), способны связывать заданный образец. Тем не менее, дезактивированные молекулы захвата остаются иммобилизованными на внешней поверхности планарного волновода. Этот вариант выполнения обладает тем дополнительным преимуществом, что возрастает вклад сигнала, генерированного светом, преломленным заданными молекулами, связанными с молекулами захвата в общий сигнал в местоположении детектирования. Как правило, разница между сигналами света, преломленного маленькими заданными молекулами, связанными с молекулами захвата, и сигналами света, преломленного молекулами захвата без каких-либо любых заданных молекул, связанных с ними, незначительна по сравнению со светом, преломленным молекулами захвата как таковыми. Предполагая, что преломляющие свойства молекул захвата, располагаемых вдоль заранее определенных линий (которые не были дезактивированы), и дезактивированных молекул захвата, располагаемых между заранее определенными линиями, почти идентичны, и дополнительно предполагая, что молекулы захвата распределены гомогенно на внешней поверхности планарного волновода, тогда в идеале в местоположении детектирования сигнал не появится после того, как молекулы захвата были иммобилизованы на внешней поверхности планарного волновода, и после того, как были дезактивированы молекулы захвата, располагаемые между заранее определенными линиями. На практике, однако, дезактивация молекул захвата слегка меняет преломляющие свойства молекул захвата, вследствие чего может быть не стоит дезактивировать все молекулы захвата, располагаемые между заранее определенными прямыми линиями. Вместо этого, можно дезактивировать подавляющее большинство молекул захвата, располагаемых между заранее определенными линиями. Дезактивацию молекул захвата проводят в таком объеме, чтобы суммарный сигнал в местоположении детектирования, произведенный теми молекулами захвата, располагаемыми вдоль заранее определенных линий, и теми дезактивированными и не дезактивированными молекулами захвата, располагаемыми между заранее определенными линиями, был бы сведен к минимуму, а предпочтительно к нулю. Из допущения доведения полученного в таких условиях сигнала в местоположении детектирования до нуля следует, что после сложения сигнала заданных образцов, произведенного в местоположении детектирования, обусловлен только заданными образцами, связанными с молекулами захвата. В случае если ни один из заданных образцов не связался с молекулами захвата, сигнал в местоположении детектирования остается равным нулю. Это увеличивает чувствительность детектора к сигналу, генерированному светом, преломленным заданными молекулами, связанными с молекулами захвата в местоположении детектирования. Еще один вариант изобретения относится к системе для детектирования сродства к связыванию, которая содержит устройство в соответствии с одним из предшествующих пунктов формулы изобретения и дополнительно содержит источник света, испускающий когерентный свет заранее определенной длины волны. Источник света и устройство располагают относительно друг друга так, чтобы когерентный свет, испускаемый источником света, был введен в планарный волновод через оптическую развязку. В соответствии с еще одним вариантом изобретения источник света и устройство располагают относительно друг друга, приспосабливая их таким образом, чтобы менялся угол введения, под которым когерентный свет, испускаемый источником света, вводится через оптическую развязку в планарный волновод. Источник света испускает когерентный свет с заранее определенной длиной волны, предпочтительно в видимом, ближнем инфракрасном или мягком УФ спектральном диапазоне с (настраиваемой) длиной волны в диапазоне от 350 нм до 1500 нм. В соответствии с еще одним вариантом изобретения источник света настраивают на испускание когерентного света заранее определенной длины волны с диапазоном настройки от около 1 до 5 нм. Диапазон настройки источника света позволяет располагать источник света и устройства при фиксированном угле введения. Свет, испускаемый настраиваемым источником света, вводят через оптическую развязку (например, оптическую решетку) в планарный волновод, когда длина волны испускаемого света в диапазоне настройки соответствует длине волны, при которой введение происходит при фиксированном угле введения. Настраиваемый источник света можно применять во втором предпочтительном варианте эксплуатации устройства в системе для детектирования сродства к связыванию. Условие Брэгга, описывающее максимум интенсивности конструктивной интерференции, устанавливает связь между расстоянием между прилежащими заранее определенными прямыми линиями, углом, под которым поле затухающих колебаний преломляется у заданных образцов, связанных с центрами связывания, располагаемыми вдоль заранее определенных прямых линий, длиной волны света, распространяющегося через планарный волновод, и эффективным показателем преломления N канализированной моды. Учитывая, что показатель преломления образцов точно не известен, с помощью настраиваемого источника света возможно варьирование длины волны, при которой происходит введение таким образом, чтобы выполнялось условие Брэгга для максимума конструктивной интерференции (даже для фиксированного расстояния между прилежащими линиями и фиксированным углом преломления относительно заранее определенных линий). Варьирование как длины волны настраиваемого источника света, так и угла введения (под которым свет вводится в волновод через оптическую развязку) позволяет осуществлять настройку длины волны, при которой происходит введение в волновод, на длину волны, отвечающую условию Брэгга при фиксированном расстоянии между прилежащими заранее определенными линиями.

Дополнительные полезные аспекты изобретения становятся очевидными из последующего описания варианта выполнения устройства с отсылкой на сопроводительные чертежи, в которых: Фиг. 1 показывает вид в перспективе первого варианта выполнения устройства по изобретению. Фиг. 2 показывает вид сверху планарного волновода устройства по Фиг. 1, иллюстрирующий различные углы по изобретению. Фиг. 3 показывает вид сверху планарного волновода устройства по Фиг. 1, иллюстрирующий расположение центров связывания. Фиг. 4 показывает вид сверху планарного волновода устройства по Фиг. 1, иллюстрирующий эффективную зону. Фиг. 5 показывает вид сверху планарного волновода устройства по Фиг. 1, иллюстрирующий различные оптические пути. Фиг. 6 показывает вид сверху планарного волновода устройства по Фиг. 1, имеющего два множества заранее определенных линий. Фиг. 7 показывает три множества заранее определенных линий, имеющих разницу в постоянном расстоянии d между прилежащими заранее определенными прямыми линиями. Фиг. 8 показывает вид сверху маски, употребляемой для выполнения устройства в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения, имеющей на себе шаблон из 24 множеств заранее определенных линий. Фиг. 9 показывает вид сверху неподготовленного устройства в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения, намеченного к выполнению с маской по Фиг. 8. Фиг. 10 показывает вид сверху подготовленного устройства в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения, являющимся устройством по Фиг. 9, готовым для применения в детектировании сродства к связыванию. Фиг. 11 показывает схематический чертеж, показывающий разницу в длине оптического пути для преломления света поля затухающих колебаний на заданных образцах, связанных с центрами связывания, располагаемыми вдоль множества заранее определенных прямых линий. Фиг. 12 показывает схематический чертеж по Фиг. 11 с центрами связывания, содержащими молекулы захвата, вдоль множества заранее определенных линий и между дезактивированными молекулами захвата для достижения минимума фонового сигнала. Фиг. 13 показывает схематический чертеж по Фиг. 12 с заданными образцами, нанесенными на молекулы захвата, способные к связыванию. Фиг. 1 показывает вид в перспективе варианта выполнения устройства, применяемого в детектировании сродства к связыванию. В конструктивном отношении, устройство содержит подложку 3, множество заранее определенных линий 7 (каждая из показанных линий отображает множественность линий), располагаемых на внешней поверхности 21 планарного волновода 2, оптическую развязку 41, местоположение детектирования и дополнительную оптическую развязку 8. Дополнительно показано, что в соответствии с принципом работы устройства, когерентный свет 1 вводят в планарный волновод 2, так чтобы распространялось поле 11 затухающих колебаний (отображаемое параллельными стрелками), которое преломляется, таким образом, что преломленный когерентный свет 12 (отображенный параллельными стрелками) распространяется под углом относительно заранее определенных линий 7, выводимых из планарного волновода 2, таким образом, чтобы введенный свет 13, выводимый из планарного волновода 2, интерферировал в местоположении 9 детектирования. В показанном примере планарный волновод 2 располагают на подложке 3, что к тому же позволяет посредством этого распространять видимый когерентный свет. Поскольку планарный волновод 2 обладает толщиной в диапазоне от нескольких десятков нанометров до нескольких сотен нанометров, он сдвинут с линии на верхней поверхности с подложки 3. Когерентный свет 1, обеспечиваемый источником света (не показан), имеет заранее определенную длину волны. Практически, заранее определенную длину волны не ограничивают конкретными значениями длины волны, но предпочтительнее его выбирают среди прочего с учетом эффективного показателя преломления канализированной моды, равно как с учетом размера, расположения и геометрии оптической развязки 41, заранее определенных линий 7 и дополнительной оптической развязки 8. Для введения когерентного света 1 заранее определенной длины волны в планарный волновод 2, в оптической развязке 41 применяют в показанном примере решетку с прямыми линиями заранее определенной длины, чтобы обеспечить когерентное введение когерентного света 1 в планарный волновод 2 под заранее определенным углом. С учетом заранее определенной длины развязки 41 параллельный луч когерентного света, имеющий ширину в соответствии с длиной оптической развязки 41, распространяется через планарный волновод 2. Параллельный луч когерентного света имеет поле 11 затухающих колебаний с характеристической глубиной проникновения. Глубина проникновения поля 11 затухающих колебаний в среду на внешней поверхности 21 планарного волновода 2 (расстояние между внешней поверхностью 21 планарного волновода 2 и падением интенсивности поля 11 затухающих колебаний в 1/е² раз) зависит от эффективного показателя преломления N канализированной моды, от показателя преломления среды на поверхности планарного волновода и длины волны λ света. Свет поля 11 затухающих колебаний преломляется заданными образцами (не показаны на Фиг. 1), связанными центрами связывания (не показаны на Фиг. 1). В принципе центры связывания располагают вдоль множества заранее определенных линий 7, наносимых параллельно одна другой при постоянном расстоянии между прилежащими прямыми линиями. Заранее определенные линии 7 располагают на внешней поверхности 21 планарного волновода 2 под углом относительно направления распространения поля 11 затухающих колебаний. Свет поля 11 затухающих колебаний преломляется так, чтобы, преломляясь, он падал под углом преломления относительно прямых линий на дополнительной оптической развязке 8, сформированной в планарном волноводе 2. Преломленный свет интерферирует в дополнительной оптической развязке 8 при разнице в длине оптического пути, составляющей целое кратное от заранее определенной длины волны. Полезно, чтобы внутреннее преломление света, распространяющегося через планарный волновод 2, происходило с большей эффективностью по сравнению с преломлением света, направляемого из планарного волновода 2. Это предоставляет достаточную чувствительность, что позволяет детектирование относительно малых количеств центров преломления. Теоретически, аналогично, могли бы допускаться другие углы преломления относительно прямых линий, привносящие максимальную интенсивность преломленного света с тем, что дополнительная оптическая развязка 8 могла располагаться под другими углами преломления. Дополнительное преимущество изобретения в отношении расположения дополнительной оптической развязки 8 очевидно вытекает из Фиг. 1. Дополнительную оптическую развязку 8, а значит, местоположение 9 детектирования располагают на планарном волноводе 2 и ориентируют относительно друг друга таким образом, чтобы нельзя было детектировать луч света, распространяющийся через планарный волновод 2. Ввиду этого дополнительную оптическую развязку 8 располагают в части 10 планарного волновода 2 вне луча когерентного света, распространяющегося через планарный волновод 2, начиная с оптической развязки 41. Это позволяет детектировать сигнал преломленного света в отсутствие фона луча когерентного света, распространяющегося через планарный волновод. Еще одно дополнительное преимущество относится к сигналу, детектируемому в местоположении 9 детектирования, имеющему в своем составе меньший вклад фонового сигнала, из-за местоположения дополнительной оптической развязки 8 в части 10. Таким образом, достигают улучшения чувствительности детектирования, что позволяет детектировать сигнал, вызванный меньшим количеством центров преломления. Дополнительная оптическая развязка 8 показана в виде линзы фазовой решетки, ориентированной по оси симметрии в направлении угла преломления. В качестве примера линзы фазовой решетки приводят любое оптическое средство, выводящее преломленный когерентный свет 12 из планарного волновода 2 при условии фокусирования его в местоположении 9 детектирования с дополнительной интенсивностью детектирования сродства к связыванию. Фиг. 2-6, соответственно, представляют собой виды сверху внешней поверхности 21 планарного волновода 2 по Фиг. 1, на которой уже описан планарный волновод 2, оптическая развязка 41, дополнительная оптическая развязка 8 и множество заранее определенных линий 7, располагаемых на внешней поверхности 21 планарного волновода 2. Фиг. 2 показывает угол α относительно заранее определенных линий 7 и угол β относительно направления распространения поля 11 затухающих колебаний. В настоящем варианте выполнения угол β равен 22,5° и угол α равен 22,5°. Постоянные углы несомненно предпочтительны при выполнении устройства. Поле 11 затухающих колебаний (отображаемое стрелкой, начинающейся от оптической развязки 41 и заканчивающейся в центре заранее определенных линий 7), распространяющееся вдоль внешней поверхности 21 планарного волновода 2, дифрагирует на заданных образцах (не показаны), связанных с центрами связывания (не показаны). Преломленный когерентный свет 12 (отображаемый стрелкой, начинающейся из центра заранее определенных линий 7 и распространяющейся вдоль оси симметрии дополнительной оптической развязки 8) конструктивно интерферирует, падая под углом α, равном 22,5°, на дополнительную оптическую развязку 8. Угол α в соответствии с условием Брэгга , зависящий от расстояния d между прилежащими заранее определенными линиями 7 и от заранее определенной длины волны λ, может варьироваться с целью выполнения условия Брэгга. N представляет собой эффективный показатель преломления канализированной моды в планарном волноводе, λ представляет собой длину волны света, распространяющегося через планарный волновод 2, в вакууме. Вид сверху планарного волновода 2 устройства по Фиг. 1 с увеличенным изображением центров 5 связывания, располагаемых вдоль заранее определенных линий 7, представлен на Фиг. 3. В увеличенном изображении свет поля 11 затухающих колебаний отображают параллельными стрелками, приближающимися к заранее определенным линиям 7, располагаемым под известным углом β. Заранее определенные линии 7 располагают параллельно друг другу на постоянном расстоянии d. Когерентный свет 12, преломленный на заданных образцах 6, связанных с центрами 5 связывания, располагаемыми вдоль заранее определенных линий 7, имеет для заранее определенных углов разность длины оптического пути, равную целому кратному длины волны. Преломленный когерентный свет 12 при этих заранее определенных углах имеет максимальную интенсивность. Описанный угол преломления является первым углом, при котором наблюдается максимальная интенсивность. Фактически это представляет собой хорошо известный чертеж, иллюстрирующий принцип преломления по Брэггу, согласно которому свет, преломляемый «кристаллическими структурами» в некоторых направлениях, обуславливает синфазную интерференцию. Это изображение неточное, поскольку центры 5 связывания и отсюда заданные образцы 6, связанные с центрами 5 связывания, не располагаются вдоль заранее определенных линий 7 в показанном единообразном порядке. Их расположение до некоторой степени отклоняется как в плане этих линий, так и перпендикулярно к этим линиям без потери максимума интенсивности преломленного когерентного света 12. На Фиг. 4 в качестве пояснения изображено расположение заранее определенных линий 7 в эффективной зоне 71 на планарном волноводе 2. Показана конструкция рабочей зоны 71, в отношении когерентного света, распространяющегося через планарный волновод 2. Из предположения однородности плотности центров преломления в эффективной зоне 71, в принципе следует, что чем больше площадь рабочей зоны 71, тем больше центров преломления вносят вклад в преломленный когерентный свет 12. Площадь рабочей зоны 71 в основном выбирают в зависимости от силы детектируемого сигнала, пригодного для детектирования сродства к связыванию. Поскольку длина оптической развязки 41 фиксирована, в зависимости от этого ширина рабочей зоны 71 равнозначно фиксирована. Это позволяет осуществлять освещение полной эффективной зоны 71 полем 11 затухающих колебаний, как показано параллельными стрелками, обрамляющими по ширине рабочую зону 71. Длина рабочей зоны 71 такова, чтобы с одной стороны весь преломленный когерентный свет 12 падал на дополнительную оптическую развязку 8, но с другой стороны дополнительная оптическая развязка 8 освещалась только преломленным когерентным светом 12 от центров преломления в эффективной зоне 11. Боковое разделение преломленного когерентного света 12 от поля 11 затухающих колебаний ограничивает свет, падающий на дополнительную оптическую развязку 8 только преломленным когерентным светом 12 от центров преломления в эффективной зоне 71 и предотвращает появление бокового фонового света в области 10, благодаря чему - кроме преломленного света 12 - отсутствует распространение какого-либо иного света. На Фиг. 5 стрелками показаны примеры различных оптических путей света поля 11 затухающих колебаний, преломленного когерентного света 12 и света 13, интерферирующего в местоположении 9 детектирования. В принципе, множество параллельных лучей начинаются у оптической развязки 41, преломляясь по всей площади рабочей зоны 71, в которой располагаются заранее определенные линии 7. Преломленный когерентный свет 12 распространяется по направлению к дополнительной оптической развязке 8 с разностью в оптическом пути, равной целому кратному заранее определенной длины волны. Преломленный когерентный свет 12 падает на дополнительную оптическую развязку 8 так, чтобы он выходил из планарного волновода 2. Дополнительную оптическую развязку 8 изображают как оптическую решетку с множеством линий 81 решетки. Линии 81 решетки формируют так, чтобы падающий на нее преломленный когерентный свет 12 выводился из планарного волновода 2 и фокусировался в местоположении 9 детектирования. Для фокусировки света 13, выводимого из планарного волновода в местоположении 9 детектирования, каждая из множества линий 81 решетки имеет относительную кривизну, а линии располагают на уменьшающемся расстоянии между прилежащими линиями 81 решетки в направлении распространения преломленного когерентного света 12. Это позволяет преломление света заранее определенной длины волны "в идеале" в единственную точку фокуса с разностью длины оптического пути, представляющей собой целое кратное заранее определенной длины волны. Во избежание Брэгговского отражения второго порядка или подобных оптических эффектов, потенциально уменьшающих общую эффективность детектируемого сигнала, в дополнительной оптической развязке 8 формируют пустую секцию 82. Один из предпочтительных вариантов настоящего изобретения показан на Фиг. 6, где в планарном волноводе 2 устройства по Фиг. 1 содержится два множества заранее определенных линий 7. Два множества заранее определенных линий 7 имеют разное расстояние между прилежащими заранее определенными линиями 7. Как правило, разное расстояние между прилежащими заранее определенными линиями 7 позволяет осуществлять детектирование сродства к связыванию для образцов с различными показателями преломления под одинаковым "фиксированным" углом преломления. Каждый разный показатель преломления образца обуславливает различный эффективный показатель преломления для света, распространяющегося через планарный волновод 2. Как правило, эффективный показатель преломления канализированной моды в планарном волноводе зависит от толщины и показателя преломления планарного волновода 2, показателя преломления подложки, показателя преломления среды на внешней поверхности 21 планарного волновода 2 и поляризации канализированной моды. Так, поле 11 затухающих колебаний света, распространяющегося через планарный волновод 2, для различных образцов на волноводе обладает различной длиной специфического оптического пути между прилежащими линиями. Практически, показатель преломления среды на внешней поверхности 21 планарного волновода 2 известен не точно. Полезно, чтобы множество заранее определенных линий 7 с различными расстояниями имело возможность детектировать сигнал с неизвестным показателем преломления в диапазоне известных детектируемых показателей преломления, различающихся от образца к образцу показателями преломления во втором или третьем знаке после запятой. При детектировании сродства к связыванию достаточно, чтобы единичное множество заранее определенных линий 7 показало детектируемый сигнал. Как было показано, по меньшей мере, два множества заранее определенных линий 7 располагают на планарном волноводе 2 в направлении распространения поля 11 затухающих колебаний. Когерентный свет 12, введенный в планарный волновод 2, преломляется заданными образцами 6, связанными с центрами 5 связывания из каждого множества заранее определенных линий 7. Дополнительную оптическую развязку 8 предусматривают для света, падающего под углом преломления, относительно прямых линий в области 10 вне луча когерентного света для каждого множества 7 заранее определенных линий. Фиг. 7 опять касается идеи расположить, по меньшей мере, два множества заранее определенных линий 7 у планарного волновода 2. Это иллюстрируется расположением трех множеств заранее определенных линий 7, при этом обозначено, что множество на левой стороне имеет первое постоянное расстояние d_1…24 между прилежащими прямыми линиями 7 из числа 24 постоянных расстояний. Это относится к идее, что 24 множества заранее определенных линий 7 располагают так, чтобы каждое имело различное постоянное расстояние d между прилежащими прямыми линиями. Для примера, расстояние d₁ между прилежащими заранее определенными линиями равно 446 нм, а расстояние d₂ между прилежащими заранее определенными линиями равно 447 нм. 24 множества заранее определенных линий является произвольно выбранным числом, что согласно данному примеру обеспечивает диапазон из 24 различных расстояний между 446 нм до 469 нм шагом по 1 нм. Упомянутый шаг обеспечивает диапазон, достаточный, чтобы покрыть ожидаемое варьирование эффективных показателей преломления во втором или третьем знаке после запятой (соответствуя варьированию эффективного показателя преломления в диапазоне от одного процента до одного промилле). Второй вариант выполнения изобретения воплощен в устройстве, показанном на Фиг. 9 и 10, которые изображают устройство до подготовки, равно как и полностью подготовленное для применения. Упомянутое устройство подготовлено с применением маски 14, показанной на Фиг. 8. Фиг. 8 показывает маску 14 для расположения фотолитографическим способом центров 5 связывания на внешней поверхности 21 планарного волновода 2 вдоль заранее определенных линий 7. Такая маска 14 содержит на себе шаблон, пригодный для перенесения заранее определенных линий 7 на внешнюю поверхность 21. Шаблон в фотолитографических способах применяют для нанесения центров связывания в заранее определенных линиях 7 на внешнюю поверхность 21 планарного волновода 2. Еще не подготовленное устройство показано на Фиг. 9. Фотолитографические способы приводятся только как пример любого пригодного способа для расположения заранее определенных линий 7 на внешней поверхности 21 планарного волновода 2. В целом, для нанесения центров связывания может применяться любой способ, известный в данной области техники, пригодный для формирования центров связывания в нанометровом или микрометровом диапазоне. На Фиг. 10 показано подготовленное устройство с 24 множествами заранее определенных линий 7. 24 множества заранее определенных линий 7 располагают в линию по отношению к одной из трех отдельных частей 411, 412, 413, таким образом, что когерентный свет, вводимый через каждую из упомянутых частей, преломляется на восьми множествах заранее определенных линий 7, располагаемых одно за другим. 24 множества заранее определенных линий 7 располагают в три параллельных ряда с расстоянием между ними, образующим часть 10 планарного волновода 2 вне параллельных лучей когерентного света, распространяющегося через планарный волновод. Оптическая развязка 41 содержит три отдельные части 411, 412, 413 для введения трех параллельных лучей когерентного света в планарный волновод 2. Три отдельные части 411, 412, 413, образующие оптическую развязку, располагают сбоку в ряд и разделяют прилежащие отдельные части заранее определенным расстоянием. Так, параллельные лучи когерентного света, разделенные этим заранее определенным расстоянием, распространяются через планарный волновод 2. Каждая отдельная часть 411, 412, 413 имеет заранее определенную длину, равную по ширине множеству заранее определенных линий 7, располагаемых в один ряд с множеством. Каждая отдельная часть 411, 412, 413 вводит луч когерентного света в планарный волновод. Между ними на внешней поверхности 21 планарного волновода 2 находятся три части 10 вне лучей когерентного света. Части 10 применяют, чтобы расположить дополнительную оптическую развязку 8 соответственно каждому множеству заранее определенных линий 7. Когерентный свет, который не преломляется заданными образцами, связанными с центрами связывания, располагаемыми вдоль заранее определенных линий 7, распространяется через планарный волновод на еще одну дополнительную развязку 42 для выведения света, распространяющегося через планарный волновод 2, который не преломляется на заданных образцах, связанных с центрами связывания, располагаемыми вдоль заранее определенных линий 7.

Фиг. 11, Фиг. 12 и Фиг. 13 иллюстрируют примеры преломления света поля 11 затухающих колебаний. Свет 11 преломляется заданными образцами 6, связанными с центрами связывания 5, располагаемыми вдоль заранее определенные линий 7 на расстоянии d, таким образом, чтобы внести максимальный вклад в заранее определенное местоположение детектирования. Показанные изображения хорошо известны в дифракции "кристаллических структур" по Брэггу. В принципе, условие Брэгга описывает углы, под которыми может детектироваться максимальная интенсивность. Благодаря параллельному расположению заранее определенных линий 7 на постоянном расстоянии d между прилежащими линиями, свет поля 11 затухающих колебаний, преломленный на последующих линиях, интерферирует при заранее определенных углах преломления, чтобы разность длины оптического пути составляла целое кратное заранее определенной длине волны света, распространяющегося через планарный волновод 2. Таким образом, показанные параллельные лучи 12 преломленного света интерферируют при таких углах преломления, чтобы разность длины оптического пути составляла целое кратное заранее определенной длине волны распространяющегося света. Показанные образцы иллюстрируют заданные образцы 6, связанные с центрами связывания без каких-либо предварительных условий относительно типа центров связывания, равно как типа заданных образцов 6. Для конструктивной интерференции принципиально расположить центры связывания, с которыми могут (или не могут) связываться заданные образцы, вдоль заранее определенных линий 7, так чтобы свет мог конструктивно интерферировать при заранее заданных условиях. На Фиг. 11 центры связывания содержат единственный тип молекул захвата. Детектирование сродства к связыванию исследует способность молекул захвата связывать (или не связывать) заданные образцы 6 посредством реального наблюдения связывания заданных образцов 6 с молекулами захвата. В данном первом примере молекулы захвата присоединены к внешней поверхности планарного волновода, так чтобы они располагались только вдоль заранее определенных линий 7. В соответствии с еще одним примером, показанным на Фиг. 12 и Фиг. 13, молекулы 5 захвата способны связывать заданные образцы 6, располагающиеся вдоль заранее определенных линий 7, в то время как молекулы захвата 5, способные связывать заданные образцы 6, располагающиеся на всей внешней поверхности планарного волновода, дезактивируя те молекулы 51 захвата, которые не располагаются вдоль заранее определенных линий 7. Этого достигают иммобилизацией молекул захвата на (всей) внешней поверхности планарного волновода, так что молекулы захвата располагаются не только вдоль множества заранее определенных линий 7. Таким образом, свет поля 11 затухающих колебаний, преломленный молекулами 5 захвата и молекулами 51 захвата, не интерферирует на дополнительной оптической развязке таким способом, как было описано выше для преломленного когерентного света 12. Впоследствии, молекулы 51 захвата, располагаемые между заранее определенными линиями 7 так, чтобы заданные образцы 6 более не могли связываться с этими дезактивированными молекулами 51 захвата. Как показано на Фиг. 12, дезактивацию производят таким способом, чтобы после дезактивации полный сигнал у дополнительной оптической развязки (заданные образцы 6 еще не были добавлены), полученный от дезактивированных молекул 51 захвата и молекул 5 захвата, способных связывать заданные образцы, в местоположении детектирования, был установлен или настроен до минимального сигнала, в идеале до нуля (то есть деструкционно интерферировал). Свет 12, преломленный дезактивированными молекулами 51 захвата, равно как молекулами 5 захвата, обладает разностью длины оптического пути в заранее определенном местоположении, доведенной до минимума. Показанные линии молекул 5 захвата и дезактивированных молекул 51 захвата являются "идеальными" линиями, но предусматривают значительное допущение, так как свет, преломленный молекулами 5 захвата и дезактивированными молекулами 51 захвата, располагающимися вне (или поблизости) от множества заранее определенных "идеальных" линий 7, в принципе элиминирует сам себя. В качестве альтернативы минимальный сигнал до нанесения заданных образцов можно достигать нанесением молекул 5 захвата и позже дезактивированных молекул 51 захвата, нанесенных так, что на первом этапе молекулы 5 захвата наносят на внешнюю поверхность планарного волновода вдоль множества заранее определенных линий 7 (по сравнению с Фиг. 11). На следующем этапе дезактивированные молекулы 51 захвата наносят между линиями множества заранее определенных линий 7. На последнем этапе заданные образцы добавляют на внешнюю поверхность планарного волновода. Поскольку только молекулы захвата, расположенные вдоль заранее определенных линий 7, способны к связыванию заданных образцов 6, заданные образцы 6 связываются с теми молекулами захвата, которые расположены вдоль заранее определенных линий 7, как это показано на Фиг. 13. Поскольку ранее в местоположении детектирования был установлен или отрегулирован минимальный сигнал, обусловленный дезактивированными молекулами 51 захвата и молекулами захвата (см. Фиг. 12), тогда сигнал в местоположении детектирования в основном (или полностью, если сигнал, производимый дезактивированными молекулами 51 захвата и молекулами 5 захвата, ранее был уменьшен до нуля) обусловлен светом 12, преломленным заданными образцами 6, связанными с молекулами захвата, расположенными вдоль заранее определенных линий 7. Хотя вариант выполнения изобретения был описан с помощью чертежей, возможны различные модификации и изменения описанных вариантов выполнения изобретения, без отклонения от основополагающего принципа, составляющего смысл изобретения. Поэтому не следует понимать, что изобретение ограничено описанием варианта выполнения изобретения, но скорее объемом притязаний, определяемым формулой изобретения.

Изобретение относится к области исследования материалов и касается устройства для применения в детектировании сродства к связыванию. Устройство включает в себя подложку, расположенный на подложке планарный волновод и две оптические развязки. Первая оптическая развязка предназначена для ввода когерентного света в волновод. Внешняя поверхность планарного волновода содержит на себе центры связывания, способные связывать заданные образцы с центрами связывания таким образом, чтобы свет поля затухающих колебаний преломлялся заданными образцами, связанными с центрами связывания. Центры связывания располагают вдоль множества линий, проложенных взаимно параллельно при соблюдении постоянства расстояния между прилежащими прямыми линиями. Линии располагают под углом относительно распространения поля затухающих колебаний таким образом, чтобы когерентный свет, преломленный заданными образцами, связанными с центрами связывания, падал на вторую оптическую развязку. Вторая оптическая развязка выводит преломленный когерентный свет из планарного волновода таким образом, чтобы он интерферировал в заранее определенном местоположении детектирования. Технический результат заключается в повышении чувствительности устройства. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Устройство для применения в детектировании сродства к связыванию, содержащее планарный волновод (2) расположенный на подложке (3), и дополнительно содержащее оптическую развязку (41), имеющую заранее определенную длину для введения когерентного света (1) заранее определенной длины волны в планарный волновод (2) таким образом, чтобы когерентный свет распространялся через планарный волновод (2) с полем (11) затухающих колебаний параллельно с когерентным светом, распространяющимся вдоль внешней поверхности (21) планарного волновода (2), содержащей на ней центры (5) связывания, способные к связыванию заданных образцов (6) с центрами (5) связывания, таким образом, чтобы свет поля (11) затухающих колебаний преломлялся заданными образцами (6), связанными с центрами (5) связывания, в особенности, с центрами (5) связывания, расположенными вдоль множества заранее определенных линий (7), проложенных взаимно параллельно, имеющих постоянное расстояние между прилежащими прямыми линиями, а именно заранее определенными линиями из множества определенных линий (7), расположенных под углом (β) относительно направления распространения поля (11) затухающих колебаний, чтобы когерентный свет (12), преломленный заданными образцами (6), связанными с центрами (5) связывания падал под углом преломления (α), относительно заранее определенных линий на дополнительную оптическую развязку (8), расположенную в части (10) планарного волновода (2) вне параллельного луча когерентного света, распространяющегося через планарный волновод (2), дополнительную оптическую развязку (8), выводящую преломленный когерентный свет (12) из планарного волновода (2) таким образом, чтобы он интерферировал в заранее определенном местоположении (9) детектирования с разностью длины оптического пути, равной целому кратному заранее определенной длины волны.

2. Устройство по п. 1, в котором постоянное расстояние (d) между прилежащими прямыми линиями (7) выбирают так, чтобы оно подчинялось условию Брэгга

2Ndsin(α)=kλ

где

N представляет собой эффективный показатель преломления канализированной моды в планарном волноводе,

d представляет собой расстояние между прилежащими заранее определенными прямыми линиями,

α представляет собой угол преломления,

k представляет собой количество максимумов интенсивности,

λ представляет собой длину волны распространяющегося света в вакууме.

3. Устройство по п. 2, в котором заранее определенные линии (7), располагают под углом (β) 22,5° относительно направления распространения поля (11) затухающих колебаний, и в котором когерентный свет (12), преломленный заданными образцами (6), связанными с центрами (5) связывания падает на дополнительную оптическую развязку (8) под углом преломления (α) 22,5° относительно заранее определенных линий (7).

4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором дополнительная оптическая развязка (8) содержит множество линий (81) решетки, причем каждая из множества линий (81) решетки имеет относительную кривизну и расстояние между прилежащими линиями (81) решетки такие, чтобы дополнительная оптическая развязка (8) была способна выводить преломленный когерентный свет (12) из планарного волновода (2) таким образом, чтобы свет интерферировал в заранее определенных местоположениях (9) детектирования с разностью длины оптического пути, равной целому кратному от заранее определенной длины волны, и в котором множество линий (81) решетки имеет ось симметрии, проходящую относительно заранее определенных линий (7) под углом преломления (α).

5. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором множество заранее определенных линий (7) расположены в эффективной зоне (71) на планарном волноводе (2), в эффективной зоне (71), обладающей шириной, эквивалентной длине оптической развязки (41) в эффективной зоне (71), освещенной полем (11) затухающих колебаний когерентного света, введенного в планарный волновод (2) посредством оптической развязки (41).

6. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором по меньшей мере два множества заранее определенных линий (7) расположены на планарном волноводе (2) одно за другим в направлении распространения поля (11) затухающих колебаний, вместе с соответствующей дополнительной оптической развязкой (8), расположенной относительно каждого из множеств заранее определенных линий (7) таким образом, чтобы когерентный свет (12), преломленный заданными образцами (6), связанными с центрами (5) связывания, расположенными вдоль соответствующего множества прямых линий (7), падал на соответствующую дополнительную развязку (8) под углом преломления (α).

7. Устройство по п. 6, в котором каждое из по меньшей мере двух множеств заранее определенных линий (7) имеет одинаковое постоянное расстояние d между прилежащими прямыми линиями.

8. Устройство по п. 6, в котором каждое из по меньшей мере двух множеств заранее определенных линий (7) имеет различное постоянное расстояние d_1…n между прилежащими прямыми линиями.

9. Устройство по п. 8, в котором постоянное расстояние d_1…n между прилежащими прямыми линиями прилежащего множества заранее определенных линий (7) разнится с одинаковым шагом в диапазоне от 0,5 до 10 нм.

10. Устройство по п. 6, в котором, по меньшей мере, два множества заранее определенных линий (7) содержат группы множеств заранее определенных линий (7), имеющие в каждой группе равное постоянное расстояние d между прилежащими прямыми линиями, и в котором различные группы множеств заранее определенных линий (7) имеют разное постоянное расстояние d_1…n между прилежащими прямыми линиями.

11. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором оптическая развязка (41) содержит, по меньшей мере, две отдельные части (411, 412, 413) для введения в планарный волновод (2) параллельных лучей когерентного света (1) заранее определенной длины волны, при этом каждая отдельная часть (411, 412) имеет заранее определенную длину и отделена сбоку заранее определенным расстоянием от прилежащей отдельной части (411, 412, 413) оптической развязки (41) таким образом, чтобы параллельные лучи когерентного света распространялись через планарный волновод (2), разделенный заранее определенным расстоянием.

12. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором центры (5) связывания содержат молекулы захвата, нанесенные на внешнюю поверхность (21) планарного волновода (2) только вдоль заранее определенных линий (7), молекулы захвата, способные связывать заданные образцы (7).

13. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором центры (5) связывания содержат молекулы захвата, способные связывать заданные образцы (6), молекулы захвата, способные связывать заданные образцы (6), расположенные вдоль заранее определенных линий (7) посредством иммобилизации молекул захвата (6), способных связывать заданные образцы на внешней поверхности (21) планарного волновода (2), и дезактивации молекул захвата, не расположенных вдоль заранее определенных линий (7).

14. Система для детектирования сродства к связыванию, содержащая устройство по любому из предшествующих пунктов формулы изобретения и дополнительно содержащая источник света, испускающий когерентный свет (1) заранее определенной длины волны, источник света и устройство, расположенные относительно друг друга так, чтобы когерентный свет (1), испускаемый источником света, вводился в планарный волновод (2) через оптическую развязку (41).

15. Система по п. 14, в которой регулируют друг относительно друга расположение источника света и устройства, меняя угол входа когерентного света (1), испускаемого источником света, в планарный волновод (2) через оптическую развязку (41), и в которой источник света позволяет регулировку заранее определенной длины волны испускаемого света в заранее определенном диапазоне.