專利名稱：使用亞波長孔徑或狹縫的發光傳感器的制作方法
使用亞波長孔徑或狹縫的發光傳感器
本發明涉及定性或定量發光傳感器，例如生物傳感器，并且尤其 涉及使用亞波長孔徑或狹縫結構的發光傳感器。本發明還涉及由這種 發光傳感器中的孔徑或狹縫結構中存在的一個或更多個發光體產生 的發光輻射的檢測方法。
傳感器廣泛地用于測量物理屬性或物理現象。它們將測量值的功 能讀數作為電、光或數字信號輸出。該信號是可通過其他設備轉換成 信息的數據。傳感器的一個特定示例為生物傳感器。生物傳感器是檢 測(即定性)或測量(即定量)諸如血液、血清、血漿、唾液......的流體中諸如(例如，但不限于)蛋白質、病毒、細菌、細胞成分、細胞膜、孢子、DNA、 RNA等目標分子的特定量的設備。目標分子也 稱作"被分析物"。幾乎在所有的情形中，生物傳感器都使用包括特 異性識別元素的表面來俘獲被分析物。因此，通過將特異性分子附著 到傳感器的表面，來對傳感器的表面進行改性，其中，傳感器的表面 適于結合流體中存在的目標分子。
為了使被分析物與特異性分子的結合效率最優，優選大表面面積 和短擴散長度。因此，已經提出了微孔或毫微孔襯底(薄膜)作為兼 具大面積與快速結合動力的生物傳感器襯底。特別是，當被分析物的 濃度較低(例如，低于lnM或低于lpM)時，擴散動力在生物傳感 器化驗中起重要的作用。
可通過熒光來檢測所結合的被分析物的量。在此情形中，被分析 物本身可攜帶熒光標記，或者可替換地，可執行具有用熒光標記的第 二識別元素的附加培養。
對所結合的被分析物的量的檢測可能受若干因素的限制，諸如散 射，發光體的漂白，襯底的背景熒光以及激發光的不完全去除。此外，
為了能夠區分被結合的標記和溶液中的標記，必須進行洗滌步驟(一 個或多個)以去除未結合的標記。
US2003/0174992A1涉及零模波導以及它們用于限制小于正常衍 射極限的有效觀察體積的應用。零模波導包括部分或完全包圍芯的包 層，其中，將芯配置成阻止頻率小于截止頻率的電磁能量通過零模波 導縱向傳播。照明源將激勵輻射引導向零模波導中存在的目標材料。 然后，所發射出的輻射通過檢測器，檢測器識別發射的類型，并且與 照明源相同地定位在零模波導的同一側。
在分離激勵輻射和發光輻射，例如熒光輻射時是存在問題的，因 為這些輻射具有類似的波長。此外，所發射的輻射由于其可以通過零 模波導致其一部分發生損失，從而被引導到波導設有檢測器的一側之 外的另一側。
本發明的目的在于提供改進的定性或定量發光傳感器，例如生物 傳感器，更具體而言，涉及使用亞波長孔徑或狹縫結構的改進的發光 傳感器，并提供這種發光傳感器中孔徑或狹縫結構中存在的一個或更 多個發光體所產生的發光輻射的檢測方法。
本發明的優點在于提供了一種具有良好信號-背景比的發光傳感 器，諸如生物傳感器或化學傳感器。本發明的另一優點是分離激勵輻 射和發光輻射，例如熒光輻射的能力。
通過根據本發明的方法和設備來實現上述目的。
在所附的獨立和從屬權利要求中給出了本發明的特定和優選方 面。可以將來自從屬權利要求的特征與獨立權利要求以及其他從屬權 利要求的特征適當結合，而不僅是權利要求中明確給出的。
在本發明的第一方面，提供一種發光傳感器系統。該發光傳感器 系統包括發光傳感器，激勵輻射源和檢測器。發光傳感器包括設有至 少一個孔徑或狹縫的襯底，并且在所述至少一個孔徑中設有至少一個 發光體，以被具有某一波長的激勵輻射激勵，所述孔徑或狹縫具有最 小維度。所述至少一個孔徑或狹縫被填充有某種介質。該介質可以為 液體或氣體，不過也可以是包括至少一種要檢測的發光粒子的真空。在使用時，可以將傳感器浸入介質中，例如液體介質中，或者按照任 何其他適當方式，例如，在液體介質情況下借助于微量吸管，或者通 過將氣體噴射到傳感器上以及至少一個孔徑或狹縫中，用介質填充至 少一個孔徑或狹縫。至少一個孔徑或狹縫的最小維度小于填充所述至 少一個孔徑的介質中激勵輻射的波長。發光傳感器具有彼此相對的第 一和第二側。根據本發明，將激勵輻射源定位在發光傳感器的第一側， 將檢測器定位在第二側。
根據本發明的發光傳感器能夠分離激勵輻射和發光輻射。此外， 該發光傳感器相對于現有技術傳感器能夠更好地分離測量信號與背 景信號。因此，可省略已知的使用現有技術時檢測過程中的沖洗步驟。
根據本發明的實施例，孔徑可具有正方形，圓形，橢圓形，矩形， 多邊形等形狀。此外，孔徑可具有不止一個維度，典型的是，孔徑可 具有兩個或三個維度。因此，根據本發明的實施例，當提到孔徑的維 度時，考慮最小的維度。
根據本發明一個實施例，至少一個孔徑或狹縫的最小維度可小于 用于填充所述至少一個孔徑的介質的衍射極限。'填充所述至少一個 孔徑的介質'是浸液，其可以為其中浸入傳感器的液體或氣體。所述 至少一個孔徑或狹縫的最小維度可小于填充所述至少一個孔徑或狹
縫的介質中的激勵輻射波長的50%，優選小于填充所述至少一個孔徑 或狹縫的介質中的激勵輻射波長的40°/。。
在本發明的一個特定實施例中，所述浸液可以是水。在此情形中， 所述至少一個孔徑或狹縫的最小維度可小于激勵波長下水的衍射極 限。衍射極限是激勵波長或頻率與周圍介質的折射率這兩者的函數。
在根據本發明的實施例中，襯底可包括至少一個孔。在特定實施 例中，所述至少一個孔可具有傾斜的側壁。
在其他實施例中，襯底可包括至少一個狹縫。
在根據本發明的實施例中，襯底可包括孔徑或狹縫的陣列。該陣 列可以是孔徑或狹縫的周期性陣列，即，可以以一或二維彼此等距離 地定位孔徑或狹縫。
在根據本發明的一個實施例中，可以將設有至少一個孔徑或狹縫的襯底定位在另一襯底的頂部上。所述的另一襯底可支撐設有至少一 個孔徑或狹縫的襯底。這就導致機械強度的加強。另一襯底對于激勵 輻射和/或發光輻射可以是透明的。
在根據本發明的實施例中，可以將設有至少一個孔徑或狹縫的襯 底定位在第一或上板與第二或下板之間。根據某些實施例，可以將第 一或上板和第二或下板圖案化。
根據本發明的實施例，輻射檢測器可以為例如CCD或CMOS檢 測器。
在根據本發明的實施例中，發光傳感器可以例如為發光生物傳感 器或發光化學傳感器。
在根據本發明的實施例中，可以按照這樣一種方式來構造孔徑， 即使得當發光輻射朝向檢測器發送時，發光信號集中在更小的立體角 中。這是例如孔徑具有三角形形狀的情形。
所述至少一個孔徑或狹縫可包括內表面壁。根據本發明的實施 例，所述至少一個孔徑或狹縫的內表面壁可包括固定有能夠識別一個 或多個感興趣目標(也稱作被分析物)的配體的表面。這改善了傳感 器，例如生物傳感器或化學傳感器的選擇性。在必須檢測不止一種被 分析物的情形中，傳感器可包括不同配體的陣列。適當配體的例子有 蛋白質，抗體，核酸適配體，縮氨酸，低(聚)核苷酸，糖，植物凝血 素等?？梢酝ㄟ^適當的表面化學性質將配體固定到至少一個孔徑或狹 縫的內表面壁。表面化學性質的選擇僅取決于內表面壁的化學成分。
在本發明的第二方面，提供一種用于檢測襯底中的至少一個孔徑 或狹縫中至少一個發光體所產生的發光輻射的方法，所述至少一個孔 徑或狹縫具有最小的維度，并且被填充有諸如液體或氣體的介質。該 方法包括
-利用處于襯底第一側的激勵輻射激勵至少一個發光體，所述激 勵輻射在填充孔徑或狹縫的介質中具有的波長大于所述至少一個孔 徑或狹縫的最小維度，并且
-檢測處于襯底第二側的至少一個受激勵的發光體發出的發光 輻射，所述第二側與第一側相對。
在填充孔徑或狹縫的介質中激勵輻射的波長可以至少比所述至
少一個孔徑或狹縫的最小維度大2倍。
根據本發明的實施例，其中，所述襯底包括至少一個狹縫，激勵 輻射由偏振光，例如TE偏振光(沿例如狹縫的維度的方向指向的電 場)組成。然而，在其他實施例中，該偏振光也可以是TM偏振光。 在此情形中，更容易收集發射出的光。例如，對圓形孔徑來說，與偏 振的類型無關。對于矩形孔徑來說，也可以是偏振相關的，這是因為 其影響漸逝場的衰減長度。
根據本發明的實施例，根據本發明的方法還包括將配體固定到至 少一個孔徑或狹縫的內表面壁上。這可以例如通過合適的表面化學性 質來進行。表面化學性質的選擇僅依賴于內表面壁的化學成分。
根據本發明，還可以使用偏振濾光器來改善對激勵波長的抑制作 用?；蛘撸墒褂闷渌愋偷臑V光器，諸如阻擋(或者部分阻擋，即 衰減)或改變激勵光的方向(如同二向色濾光器)同時基本不影響熒 光的波長濾光器。
通過下面結合附圖進行的詳細描述，本發明的這些和其他性質， 特征和優點將變得很清楚，附圖通過示例說明了本發明的原理。該描 述僅作為示例給出，并不限定本發明的范圍。下面引用的附圖標記涉 及附圖。
圖1示出使用具有200nm寬度w和300nm深度d的孔徑結構并 通過平面波進行激勵的FEMLAB有限元模擬的強度分布；
圖2為沿通過圖1中所示孔徑的中心的傳播方向的平面波所產生 的輻射的強度曲線；
圖3為針對圖1的狹縫并且用高斯光束激勵時，在x-y平面中的 強度分布；
圖4為沿通過孔徑中心的圖3的y-方向的直線的強度曲線；
圖5為沿通過孔徑中心的y-方向的直線的強度的歸一化(y=0) 曲線，與圖2和圖4的情形相應；
圖6說明增加孔徑寬度對強度分布的影響；
圖7示出對于寬度w=0.2μm的針孔的強度分布； 圖8示出對于寬度w=0.26μm的針孔的強度分布； 圖9示出對寬度w=lμm拜的針孔的強度分布； 圖10說明在存在孔徑或狹縫時用于熒光體的輻射發射的2D計算 的幾何結構；
圖11示出由位于0.2μm寬孔徑的出射側的熒光體所產生的輻射 圖案；
圖12示出在不存在孔徑時所產生的輻射圖案； 圖13示出由設置在孔徑前面lpm處的針孔所產生的輻射圖案； 圖14示出由設置在孔徑前面2pm處的針孔所產生的輻射圖案; 圖15示意性地說明具有貫通整個襯底的孔的孔陣列濾光器； 圖16說明根據本發明實施例，涂有A1的針孔箔片的透光率； 圖17說明根據本發明實施例的孔結構；
圖18更詳細地說明發射出的熒光在圖17的孔結構中的反射； 圖19說明根據本發明實施例的孔結構；
圖20說明通過狹縫傳播的輻射的基模的衰減長度(l/e)A2強度；
圖21示出對于300nm厚狹縫和TE偏振光的強度分布；
圖22示出對于300nm厚狹縫和TM偏振光的強度分布；
圖23示出對于600nm厚狹縫和TM偏振光的強度分布；
圖24示出對于1000nm厚狹縫和TM偏振光的強度分布；
圖25示出對于1000nm厚狹縫和TE偏振光的強度分布；
圖26示出對于TE和TM偏振以及不同的孔徑厚度，沿狹縫的中心線的歸一化強度(關于x=y=0處的強度進行歸一化)；
圖27示出對于TM偏振，沿狹縫中心線的歸一化強度(關于x=y=0處的強度進行歸一化)；
圖28示出TE偏振光，在金屬襯底(寬度為200nm，狹縫之間的距離為2.5nm)中形成的狹縫陣列中的透射和反射；
圖29示出TM偏振光，在金屬襯底(寬度為200nm，狹縫之間的距離為2.5pm)中形成的狹縫陣列中的透射和反射；
圖30和圖31示出作為金襯底層的厚度的函數的TM偏振光在周期性狹縫陣列(周期為0.4pm)中的透射；
圖32示出作為金襯底層的厚度的函數的TE偏振光在周期性狹縫 陣列(周期為0.4pm)中的透射；
圖33說明在根據本發明另一實施例的狹縫結構中的激勵輻射和 發光輻射；
圖34為根據本發明又一實施例的納米流體通道的橫截面； 圖35說明在通過圖34的流體通道的上板的流體中溶解的熒光體 的激勵；
圖36示出經過圖案化的板；
圖37說明在流體中溶解并且沿平行于板的方向引導的熒光體的 激勵。
在不同附圖中，相同附圖標記表示相同或相似元件。
將參照具體實施例并參照某些附圖描述本發明，但是，本發明不 限于此，而僅由權利要求限定。權利要求中的任何附圖標記都不應當 被解釋為限制其范圍。所描繪的附圖僅是示意性的，而非限制性的。 在附圖中，夸大了某些元件的尺寸，并且為了說明的目的而并未按照 比例繪出。在說明書和權利要求中使用術語"包括"，并不排除其他 元件或步驟。當提到單個名詞時，使用不定冠詞或者定冠詞，例如"一" 或者"一個"，除非特別說明，其包括多個所述名詞。
注意，權利要求中使用的術語"包括"，不應當被解釋為局限于 后面列出的裝置；不排除其他元件或步驟。從而，將其解釋為指定所 述特征，整體，步驟或部件的存在，但是并不排除存在或增加一個或 多個其他特征，整體，步驟或部件，或者其組合。因此，語句"包括 裝置A和B的設備"應當不局限于僅由部件A和B組成的設備。這 對于本發明來說，意味著設備唯一重要的部件為A和B。
此外，在說明書和權利要求中，術語第一，第二，第三等等用于 區分相似元件，并非必然描述順序或時序。應當理解，所使用的術語 在適當情況下是可互換的，此處所描述的本發明的實施例能夠按照除 此處所述或說明的其他順序進行操作。
此外，在說明書和權利要求書中，術語頂部，底部，上，下等用 于說明的目的，并非必然描述相對位置。應當理解，所使用的術語在 適當情況下是可互換的，此處所描述的本發明的實施例能夠按照除此 處所述或說明的其他定向進行操作。
本發明提供定性或定量傳感器系統，更具體而言，提供發光傳感 器系統，其例如可以為表現出良好的信號背景比的發光生物傳感器系 統或發光化學傳感器系統。下面，將主要參照發光生物傳感器系統來 描述本發明，但是，這僅用于簡化說明，不限制本發明。
根據本發明實施例的發光傳感器系統能夠分離激勵輻射和發光 輻射，例如熒光輻射。
將參照包括浸入流體中的傳感器，激勵輻射源和檢測器的傳感器 系統來描述本發明。然而，這并不限制本發明。根據本發明的傳感器 包括至少一個填充有介質的孔徑或狹縫。傳感器不需要浸入介質中； 所述介質也可以例如被噴射到傳感器上，或者被噴射到至少一個孔徑 或狹縫中。
根據本發明的發光傳感器包括設有至少一個孔徑，諸如孔，間隙 或任何其他類型的開口 (諸如至少一個狹縫)的襯底。根據本發明， 所述至少一個孔徑可具有任何適當的形狀，諸如正方形，圓形，橢圓 形，矩形，多邊形等形狀。此外，孔徑可具有兩個或三個維度。因此， 當在進一步描述中談到孔徑的維度時，考慮孔徑的最小維度。襯底中
的孔徑或狹縫結構優選與漸逝激勵(evanescent excitation)—起使用。 可以在溶液中或襯底上得到發光輻射。使用根據本發明的孔徑或狹縫 結構，無需濾光器來分離激勵輻射和發光輻射。另外，相同的孔徑或 狹縫結構適于用于不同的或多個激勵波長。然而，不同的波長也暗示 著對于漸逝場具有不同衰減常數。對于給定的寬度，通過減小波長， 會達到孔徑或狹縫大于傳感器所浸入的或用于填充孔徑或狹縫的流 體中該波長的衍射極限的點。這表明必須選擇孔徑或狹縫的寬度，使 其適合所有波長，并且這還表明可能波長的范圍稍稍受限。
首先，將解釋在孔徑或狹縫結構上反射的漸逝場的工作原理，并 且將給出對漸逝場更詳細的說明。然而，必須了解的是，本發明不局限于漸逝激勵。為了解釋漸逝場的工作原理，進行若干次有限元件模 擬，以解釋根據本發明用于激勵發光體(例如熒光體)的漸逝場。
在下面的討論中，在透射模式下檢測發光輻射，這表明用處于傳 感器第一側的激勵輻射源發出的激勵輻射照射傳感器，并在傳感器的 第二側處檢測發光輻射，所述第二側與第一側相對。
參照圖1-3，參照包括狹縫結構11的襯底IO進行討論，從而形
成多孔性襯底10。然而，應該理解本發明不限于此，而可以在孔徑 結構的情形下使用，諸如孔，間隙或在襯底10中形成的其他開口。
圖1和3示出包括狹縫結構11的襯底10的有限元模擬的強度分布， 所述襯底例如金屬襯底(如金襯底)或半導體襯底(如硅襯底)。對 襯底材料的主要要求是，其對于激勵輻射不透明，即，孔徑之間的材 料對于激勵輻射不透明。利用FEMLAB進行有限元模擬，FEMLAB 是一種基于偏微分方程(PDE)來對單個和偶聯現象建模的交互式軟 件，可從Comsol Group獲得。
除非另有說明，對于狹縫ll，針對TE偏振光，以2D進行模擬。 然而，通過執行這些模擬得到的結論對于3D孔徑(例如，針孔)也 是有效的，對針孔來說，由于對稱性，是偏振無關的。
在第一模擬中，如圖1中所示，在作為襯底10的300nm厚金層 (折射率n=0.038361519-j*5.074565)中形成寬度w為200nrn的狹縫 11的陣列，從而狹縫陣列11的每個狹縫11的深度d為300nm，用 波長X為700nm的平面波照射狹縫陣列，以便看到狹縫11內部的漸 逝場。為了簡化附圖，在圖l中僅示出狹縫陣列ll的一個狹縫ll。 其不限制本發明。狹縫ll的陣列可以是狹縫ll的周期性陣列，艮P， 相鄰狹縫11之間具有相等距離的陣列。然而，并非必須如此；相鄰 狹縫ll之間的距離也可以不同。在所給出的示例中，狹縫11的陣列 是周期性陣列，其中在襯底10中相鄰狹縫11的中心之間的距離為 2.5pm。將具有狹縫11的多孔性襯底IO浸入諸如水或空氣的浸液12 中。在此示例中，考慮光的TE偏振態，即電分量。
從圖1可以看出，并且從下面的模擬可以看出，當狹縫結構11 的維度小于入射輻射的波長的一半時，幾乎沒有光被狹縫結構11透射。通常，為了使輻射不進入孔徑或狹縫11，需要漸逝波，漸逝波 是空間頻率超出衍射極限的光波。這表明，對于給定的波長X和填充孔徑或狹縫11的介質(例如，傳感器所浸入的介質)的折射率n， 孔徑或狹縫結構ll的最小維度應當小于A/(2^)。因而，如果使用包 括寬度小于浸液12中的衍射極限的孔徑或狹縫11的孔徑或狹縫結構 11 (例如，如果將該結構浸入水中，則對水來說小于270nm(在700nm 激勵波長下)，則漸逝場能夠穿透到孔徑或狹縫11中。圖2示出光(沿 圖1中附圖標記13所示的直線)通過狹縫11傳行進時的強度分布。
在圖2中，可以看到圖1中所示的狹縫11的入口 14與出口 15 之間的漸逝場。當沿圖1中附圖標記13所示的直線通過狹縫11行進 時，強度在大約 180mn范圍內下降1/e2。例如，在緊鄰狹縫11后面， 強度下降到入口 14處強度的3.1%，而在狹縫11后面lMm的距離處， 強度下降到僅為狹縫11的入口 14處強度的0.3%。應當注意，可通 過改變狹縫11的寬度w和深度d，或者更普遍而言，通過改變孔徑 11的寬度w和深度d來調節漸逝場的形狀。
為了使傳感器的結合能力(即，最高表面面積)最佳，優選具有 大的深度d和小的間距，即孔徑或狹縫11之間的距離較小，這決定 了濾光器的空隙率。例如，對于200nm正方形和300nm深的孔11的 情形，濾光器的空隙率為50%，得出每個孔徑11的有效表面面積為 4*200*150=120000nm2。在孔徑11的內部，強度急劇下降，因此，考 慮的有效深度為0.5*300=150nm。在測量有效深度時，也可以取l/eA2 強度(相對于輸入強度)，在此情形中，有效深度為180nm。在濾光 器的輸入端面，每個孔徑11具有200 nm *200 nm =40000nm2的平面 面積?？紤]濾光器的空隙率為50%，則得出等效平面面積為80000 nm2。由此，周長為4*200nm=800nm，并且有效深度為150nm，則得 出每個孔11的面積為800nm"50nm-120000nm2。總計將有效面積增 加120000 nm々80000nm^l.5倍。通過優化孔徑或狹縫11的直徑，可 調整漸逝場的形狀，即在孔徑或狹纟逢11中的穿透深度，并且可改變 和/或優化有效表面面積。
使用漸逝場來激勵發光體，例如熒光體，導致局限于孔徑或狹縫11位置周圍的小激勵體積。實踐中，小激勵體積意味著，孔徑或狹 縫11僅將激勵輻射透射到局限于孔徑或狹縫11的位置周圍的小體積 內?？衫眠@一點對發光輻射進行有限的探測，并且使孔徑或狹縫 11后面產生的發光輻射與孔徑或狹縫11內部產生的發光輻射的比值 最小。發光輻射例如可以為熒光輻射。
在第二模擬中，為了表明也可以使用聚焦的高斯光束來照明如圖 1中所示的狹縫ll，使用與第一模擬中完全相同的參數進行計算，不過此時使用具有腰部的高斯光束，即到與1/e振幅相應的最大值的距 離為0.5pm。圖3和4中示出計算結果。
為了比較第一與第二模擬，圖5示出圖2和4中給出的強度分布， 針對狹縫ll的入口 14處的強度進行歸一化。從圖5可以看出，對于 平面波(模擬1)和高斯光束(模擬2)而言，狹縫11的入口 14后 面的漸逝波幾乎相同?？紤]到優選具有高激勵功率，隨后優選用高斯 光束或具有另外形狀的聚焦光斑進行激勵。聚焦光斑激勵產生幾乎相 同形狀的漸逝場這一事實也表明，該方法對于入射光的角度和形狀并 不是非常敏感。
在第三模擬中，說明孔徑或狹縫11的寬度w對孔徑或狹縫11 后面的光強度的影響。將以狹縫11作為孔徑討論第三模擬。在該模 擬中，使用波長入為700nm的光，以及深度為300nm的狹縫11 。圖 6示出寬度w為O.lpm (曲線16)， 0.2nm(曲線17)， 0.26pm (曲線 18)， 0.3pm (曲線19)， 0.4pm (曲線20)和lpm (曲線21)的狹縫 ll的歸一化強度曲線。從該模擬可以得出，狹縫ll增寬(增加孔徑 或狹縫11的寬度w)，導致光在狹縫11中的穿透深度越大，狹縫11 后面的強度越高(yX).3pm)，狹縫11的輸出或出口 15處的強度越低， 狹縫ll后面的強度越低。為了進行說明，假設浸液是衍射極限為大 約270nm的水，對于充分小于浸液12中的衍射極限的寬度w，即所 示模擬中的曲線16， 17， 18，在狹縫ll的入口后面(y>0 nm)，狹 縫11內部的強度呈指數減小。從而，可以得出，為了在狹縫11后面， 或者通常在孔或狹縫11后面得到充分低的激勵強度，這些孔徑或狹 縫11應當具有低于浸液12中的衍射極限的寬度，或者通常應當具有最小維度。
如所示，在圖7，圖8和圖9中分別示出具有不同寬度w，即w=0.2 pm，『0.26pm和w^pm的孔徑，特別是孔11的強度分布。
除了用于對發光體，例如熒光體進行漸逝激勵以外，孔徑或狹縫 11還具有將所產生的熒光朝向檢測器引導的功能，并且能大大減少 從孔徑或狹縫11以外的位置產生的發光的透射。圖IO示出在存在孔 徑或狹縫ll的情況下，當激勵光來自底部時，用于對發光體例如熒 光體的輻射發射進行2D計算的幾何結構。在計算過程中，用點(電 流)源PT1表示發光體，例如熒光體。計算中所用的波長為700nm， 并且使用光的TE偏振。
圖11示出由定位在針孔11的出射側15處的用PT1指示的熒光 體產生的輻射圖案的具體示例，針孔15具有200nm的寬度。該附圖 示出在基本垂直于紙張平面方向上的電場的實部，與平面波類似，電 場的實部從正變為負。因而，圖中的刻度從較大負值(箭頭22所示) 延續到較大正值(箭頭23所示)。用孔11下面的輻射源來激勵熒光 體PT1。從該附圖可以看出，假定被TE偏振的輻射在孔11平面的法 線方向聚集。這樣能夠使用低數值孔徑(NA)光學裝置來收集發光， 在該示例中假定為熒光發射。流過該附圖上部的總功率流為96.6%， 而流過該附圖下部的總功率流為3.4%。這表明，熒光體PT1向下發 射的所有光此時幾乎都向上發射。由此，發現熒光功率增強1.93 (96.6%/0.5)倍。
圖12示出類似計算，不過此時是在自由空間中，不存在(圖案 化的)狹縫11。正如所預計的，在此情形中，被激勵的熒光體PT1 所產生的功率的50%向上流動，50%向下流動。
實際上，不僅定位在孔徑或狹縫11處的發光體，如熒光體將發 光，而且在孔徑或狹縫11外部以及激勵光束內部的諸如熒光體的發 光體也將發光。在本段落中，將估計孔徑或狹縫11外部產生的發光 (例如熒光)的影響。圖13示出背景熒光體PT1，即離開位于孔ll 的激勵側的狹縫11的距離為lpm處的熒光體PTl的具體示例的強度 分布。該模擬表明，通過孔11可進行很好的抑制，因為僅有0.285%
的熒光功率通過孔11透射到檢測側，比位于孔11入口 14處的熒光 體PT1的振幅低一個量級。這相當于與沒有狹縫ll的情形相比，將 狹縫11后面的熒光功率抑制0.5/0.00285 = 175倍。類似地，圖14示 出位于距孔11的距離為2^m處的熒光體PT1的強度分布。在此情形 中，僅有0.149%的熒光功率透過孔11，與沒有狹縫ll的情形相比， 相當于將熒光功率抑制0.5/0.00149=336倍。在圖13和圖14中都可 以看出，熒光基本上沒有到達檢測側。
從上面所述的有限元模擬， 一般可以得出
1. 照明具有小于浸液12的衍射極限的寬度或最小維度的孔徑或
狹縫ll，或孔徑或狹縫ll的陣列，導致也處于衍射極限維度以下的 小激勵體積被局限于孔徑或狹縫的鄰近。
2. 孔徑或狹縫ll幾乎僅透射孔徑或狹縫ll的鄰近或內部所產生 的發光輻射，例如熒光輻射對遠離孔徑或狹縫U的發光體輻射， 例如熒光體輻射的典型抑制的幅值要優兩個量級。
3. 孔徑或狹縫11將發光，例如熒光聚集在孔徑或狹縫11平面的 法線方向上。
下面，將說明對于通過小孔徑或狹縫11行進的波，明顯地抑制 發光輻射的透射，即對于比狹縫或孔徑維度的20%大的波長，顯著 抑制發光輻射的透射。為了研究深孔徑或狹縫11對光透射的影響， 使用如圖15中所示的具有微孔或孔徑11的100pm厚的硅箔片。測 量針孔箔片的光透射率，并在圖16中示出結果。從該附圖可以看出， 對于更長波長，即對于350nm以上的波長，光透射率保持較低( 0.5%，如對于A1層所預期的)，但是對于小于300nm的UV波長， 在200nm處透射率增加到4.5。/。，此時，密封的A1層，即沒有孔徑或 狹縫11的層，將不具有任何UV透射率。注意，這些結果是針對相 當大的孔( 1.5,)的。對于較小的孔，最小透射率將低于此處的
下面，將描述本發明的實施例。
在本發明的第一實施例中，提供諸如生物傳感器的傳感器，其包 括設有孔徑ll (在本實施例中可以為孔ll)的晶片襯底IO，因而形成多孔性襯底10。在本發明的實施例中，術語"襯底"可包括任何潛在材料，或者可使用或者在其上可形成設備、電路或外延層的材料， 只要其至少一部分對激勵光不透明即可。在其他可選實施例中，所述"襯底"可包括半導體襯底，諸如摻雜硅，砷化鎵(GaAs)，鎵砷磷 (GaAsP)，磷化銦(InP)，鍺(Ge)或鍺化硅(SiGe)襯底。除半 導體襯底部分以外，所述"襯底"可包括例如諸如Si02或Si3N4層的 絕緣層。因而，術語襯底也包括玻璃上硅，藍寶石上硅襯底。因此， 一般使用術語"襯底"來定義用于處于感興趣的層或部分下面的層的 元件。此外，"襯底"可以是在其上可形成層的任何其他基底，例如 玻璃，塑料或金屬層。主要限制是與孔徑11相鄰的襯底10的材料對 于激勵光不透明，即具有較大衰減。這表明，孔徑ll延伸進去的疊 層(stack)的至少一部分應當對于激勵光不透明。
襯底10中的孔11可具有小于激勵輻射波長的維度，優選比填充 孔徑ll的介質(浸液12)中激勵輻射的波長的50%更小，以便具有 漸逝波激勵，更優選小于填充孔徑11的介質中波長的40%，這也可 以表達為孔11可以具有亞波長尺寸的事實。襯底10可包括孔11的 陣列?？?1的陣列可以是孔11的周期性陣列，即相鄰孔11的中心 之間的距離是相同的。然而，并非必須如此。相鄰孔11之間的距離 也可以不同，從而不形成周期性陣列。
在使用中，可以將具有孔結構11的多孔性襯底10浸入介質12 中，例如諸如水或空氣的液體或氣體中。液體或氣體可包括被傳感器 感測或檢測襯底，例如小珠/分子或被標記的目標分子。
在下面的描述中，將用術語孔和孔結構來表示同一樣東西，即在 晶片襯底10中形成的孔徑11。根據第一實施例，孔11可具有傾斜 的側壁24。然而，本發明不限于此，孔ll也可以具有其他形狀。正 如從圖17可以看出的，在本實施例中例如可以為熒光體25的發光體 25，存在于孔11的內部，例如每個孔11有一個發光體25。將利用 熒光體25和熒光對本實施例進行進一步描述，不過應當理解的是， 這僅僅為了便于說明，而不限制本發明。本發明也可以應用于其他任 何種類的發光體25和發光。
通過激勵光從上部照明襯底10中形成的孔結構11 (箭頭26所 示)。根據本發明，襯底10中的孔11可以具有亞波長尺寸，即低于 激勵輻射波長的維度，其最好低于傳感器所浸入的，或者填充孔徑或 狹縫的浸液12的衍射極限。為了低于可以為液體或氣體的浸液12的 衍射極限，孔徑11具有的維度應當小于填充孔徑11的介質內部的波 長的一半，即<^/(2*11);其中，n為填充孔徑11的介質的折射率，X 為真空波長。
如前面已經討論的，如果孔11的尺寸低于衍射極限，并且更普 遍來說，如果孔11的最小維度小于填充孔11的介質中激勵光26的 波長的一半，則激勵光26不能通過孔11傳播，以便具有漸逝波，即 不能傳播的波。因而，在孔結構11的入口 14處，因為孔11的維度 較小，激勵光26將被反射。從而，在孔ll的內部產生漸逝場，并且 該漸逝場被反射，在孔11內部和后面留下漸逝場。存在于孔11中某 一位置處，因而處于漸逝場中的熒光體25將被激勵，并將發射熒光 輻射(箭頭27所示)。由于該熒光輻射27基本上不能通過孔11，基 本上所有的熒光輻射27都將向下發射，然后被發送到用于測量熒光 信號的檢測單元(附圖中未示出)。可通過任何適當的檢測器，例如 使用電荷耦合設備(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)檢測 器對熒光輻射27，或者更通常而言對發光輻射的強度進行檢測?；?者，可以使用僅得到小成像視圖(imaging view)的掃描方法。可按 照獲得最佳信噪比的方式在光電二極管上采集某一時間的光。這樣可 充分增加傳感器的靈敏度。
注意，任何向上行進的熒光輻射27，即受激勵的熒光體25所產 生的通常不會到達檢測單元的輻射，將遇到孔結構ll，而如上所述， 孔結構ll基本上不透射光。結果，向上的熒光輻射27被反射，這導 致朝向檢測單元引導的總熒光功率大體上被增加2倍，然后熒光輻射 向下指向檢測單元。與沒有傾斜側壁24的情形相比，由于孔ll的側 壁24傾斜，熒光輻射27被集中在更小的空間角中。這表明，對于具 有檢測器和用于對在檢測器上的熒光成像的光學裝置(數值孔徑)的 給定接收角(即空間角)的光學系統，收集額外的熒光輻射28,與基于WO02/059583中所述的檢測器的結果相比，將生物傳感器的靈 敏度增加大約10倍?；蛘撸瑱z測器可用于更低功率的接收角和/或具 有更低數值孔徑(NA)的光學裝置。圖18示出這如何工作。在該附 圖中，附圖標記28所示的箭頭表示熒光體25發射出的熒光。正如可 以看出的，熒光28沿所有方向發射。在與朝向檢測器的方向相反的 方向引導的熒光28，在本例中為向上方向，將被反射到三角形側壁 24上，并改為朝向檢測器的方向引導。朝向檢測器引導的總熒光用 箭頭27來表示。
此外，處于孔結構ll上面，即處于激勵光26之內但并不處于孔 11內部的熒光體25，也被激勵光26激勵。然而，這些熒光體25產 生的熒光27不能通過孔11，從而不會被檢測到。因此，在孔結構ll 上面產生的任何熒光27，基本上對背景信號沒有作出貢獻。對于遠 離孔11的熒光體25發出的輻射的抑制的幅值要優兩個量級。
優點在于，激勵光束26不必被聚焦一其漸逝場將到達孔或狹縫 結構11內部的發光體25—并且無需采取特殊措施來實現多光斑激 勵。用多光斑激勵意味著，用一個或多個激勵光斑，例如用激勵光斑 陣列照明孔徑或狹縫結構ll。例如，可以使光斑的位置與孔11的位 置相匹配，在孔/光斑中產生更有效的激勵強度。從圖17中可以看出 三角形，即具有傾斜側壁24的孔或孔徑11的存在，導致射線按照這 樣一種方式被重新定向，即使熒光27的更多功率被聚集到給定空間 角度中；這導致對于給定數值孔徑的采集光學裝置和給定接收角度的 檢測器，增加了所采集功率的量。
根據第一實施例，照明寬度或最小維度小于填充孔或孔徑11的 介質中激勵波長的50%，優選小于填充孔或孔徑11的介質中激勵波 長的40%的孔11 (的陣列)，導致激勵體積小于衍射極限
1.對于寬度或最小維度小于衍射極限并且被TE偏振光照明的狹 縫11的陣列，這意味著在狹縫11平面的法線方向以及狹縫11的深 度方向，狹縫內部和后面的激勵體積的維度小于衍射極限，所述衍射 極限為填充狹縫11的介質中波長的一半2D漸逝體積。用TM偏振 光照明時并非如此，狹縫11的陣列主要透射激勵光。
2.對于維度小于衍射極限的孔徑11的陣列，狹縫內部和后面的
激勵體積的維度在所有三個方向都小于衍射極限3D漸逝體積。
多孔性襯底10的厚度無需具有漸逝場穿透深度(penetration depth) 的量級，但是，多孔性襯底IO越厚，則孔11的陣列透射的功率越少。 可以將第二襯底安裝到孔結構11上，反之亦然，可以為現有襯底增 加多孔性結構ll。這可以改變襯底10的機械穩定性。該方法的先決 條件是第二襯底對于激勵波長或發射波長中至少之一是透明的?？蓞?照本發明的第二實施例對此進行說明。
圖19中說明了本發明的第二實施例。第一襯底IO設有具有亞波 長維度的孔11，即維度小于填充孔徑或狹縫11的介質中激勵輻射的 波長，例如小于填充孔徑或狹縫ll的介質中激勵波長的50%，優選 小于填充孔徑或狹縫11的介質中激勵波長的40%，因此形成多孔性 襯底10。在圖19中所示的示例中，多孔性襯底IO被安裝到第二襯 底29的頂部上。然而，應當理解的是，這僅是一個示例，并不限制 本發明。也可以將第二襯底29安裝到多孔性襯底10的頂部上。
如果將第二襯底29定位在多孔性結構10與檢測器30之間，則 第二襯底29對于發射波長應當是透明的。在其他實施例中，將第二 襯底29定位在多孔性結構10與激勵光源之間，第二襯底29對于激 勵波長應當是透明的。對于例如可見光范圍內的激勵波長，第二襯底 24可包括諸如石英、氟化鈣、硼硅酸鹽等的玻璃狀材料。
正如從圖19可以看出，在所示實施例中，箭頭26所示的激勵光 從上面照明多孔性襯底10。在孔11的入口 21a處，由于孔11的小寬 度或最小維度(其小于針對填充孔徑或狹縫ll的介質的衍射極限)， 激勵光20被反射。從而，在孔11的內部產生漸逝場。存在于孔11 中的發光體，在本實施例中可以為熒光體25，將被激勵，并發射熒 光輻射27。由于該熒光輻射27不能穿過孔11，實踐中，僅靠近孔 11的出口21b產生的熒光輻射27 (在給出的示例中處于第二襯底24 一側)將被檢測器30檢測到，條件是多孔性襯底10的厚度足夠厚， 即比漸逝場的衰減長度稍厚。檢測器30可以是電荷耦合設備(CCD) 或互補金屬氧化物半導體(CMOS)檢測器。或者，可使用僅能得到小的成像視圖的掃描方法。在某一時刻，按照獲得最佳信噪比的方式 在光電二極管上采集光。這樣可以充分增加傳感器的靈敏度。
如上面實施例中所述，在使用具有亞波長寬度或最小維度的孔徑 或孔11的多孔性襯底10的生物傳感器中，問題在于在孔徑或孔11 內部產生的發光，例如熒光輻射，在射出孔徑或孔11之前被強烈地 抑制。
在本發明的實施例中，由圓孔ll形成孔徑ll，對光的抑制并不 取決于偏振態。然而，當使用狹縫結構11取代圓孔結構11時，偏振 態變得很重要。下面，將討論偏振態對抑制輻射的影響。下述討論的 目的是分析狹縫11的透射的偏振依賴性，并估計在根據本發明實施 例的發光生物傳感器中如何對此加以利用。
在折射率11=1.3的水環境中，對于電和磁分量，即對TE和TM 偏振，對單狹縫生物傳感器進行分析。在此分析中，在折射率 n=0.038361519-j*5.074565且寬度為200nm的金襯底10中制造狹縫 11。激勵輻射的波長X為700nm。在模擬中，假設狹縫11無限延伸 到與模擬平面垂直的方向。這無意于將本發明限制為上述的模擬值。
通過解出通過狹縫11傳播的基模，可確定衰減長度。在圖20中 對此加以說明，其中，將TE (曲線31)和TM (曲線32)偏振光在 襯底10中的狹縫11中的衰減長度給定為狹縫11的寬度的函數。該 附圖清楚地示出，對于寬度小于水的衍射極限，即低于270nm的狹 縫11的情形，TE偏振基模的傳播的衰減長度明顯小于TM偏振模的 衰減長度。
圖21到25示出對于300nm厚狹縫ll及TE偏振光(圖21)和 TM偏振光(圖22)，對于600nm厚狹縫ll和TM偏振光(圖23)， 以及1000nm厚狹縫11和TM偏振光(圖24)，以及1000nm厚狹縫 ll和TE偏振光(圖25)的強度分布。
圖26和27示出沿狹縫11的中心(x=0)的歸一化強度(相對于 x=y=0處的強度進行歸一化)。圖26示出針對寬度為200nm，深度為 1000nm (曲線33)和300nm (曲線34)的狹縫ll，利用TE偏振光 時透射率對于對數刻度[dB]的偏振依賴性；以及針對寬度為200nm、深度為300nm (曲線35)， 600nm (曲線36)和1000nm (曲線37) 的狹縫ll，用TM偏振光時透射率對于對數刻度的偏振依賴性。圖 27示出對于TM偏振光以及深度為300nm (曲線38)， 600nm (曲線 39)和1000nm (曲線40)的狹縫ll，沿狹縫11中心線的強度。
從圖21到27可以得出
1. 對于TM的透射明顯大于對TE偏振的透射。
2. 對TM偏振光的強度圖案看似為駐波(在y方向的干涉圖案)。
3. 對于更長的長度也具有駐波圖案(對于TM偏振)。
4. 看似某種諧振效應(對于600nm厚金層來說狹縫11內部的歸 一化強度高于對于300， 1000nm厚金層的歸一化強度)。
輻射通過單個狹縫ll的透射表現出很強的偏振依賴性對于TE 偏振態(平行于狹縫11的E場)的透射明顯低于對TM偏振態的透 射。狹縫11內部的TM偏振輻射的強度分布為駐波圖案，這表明 Fabry-Perot效應；這也得到針對狹縫高度600nm的更強的最大歸一 化強度，即諧振效應的支持。在狹縫11的后面，強度迅速地下降， 這有助于在狹縫11后面的自由空間中發散(如同TE偏振)。
下面，觀察在所給出的金層的示例中襯底10的厚度的影響，該 襯底IO包括與上面的分析具有相同寬度即200nm的狹縫11的陣列， 并且兩相鄰狹縫11之間的距離為2.5nm。狹縫11的厚度取決于襯底 IO的厚度，并且與襯底10的厚度相同。圖28示出對于具有700nm 波長的TE偏振光，狹縫ll陣列的透射(曲線41)和總反射(曲線 42)。圖29示出對于具有700nm波長的TM偏振光，金襯底10中狹 縫ll陣列的總透射(曲線41)和總反射(曲線42)。圖29中的曲線 43表示透射+反射。所使用的模擬工具為GSOLVER420c工具。
正如前面已經觀察到的，在所給出的金襯底10的示例中，對于 TM偏振光可以得出(從圖28和29)，狹縫ll的透射(曲線41)和 反射(曲線42)按照周期的方式隨襯底10的厚度而定對于厚度為 860nm的襯底10產生最大透射，其相當于透射9.7%，對于厚度為 740nm的襯底IO產生最小透射，其相當于透射3.9%。注意，在這些 計算中，對于TE偏振包括+A11衍射級(diffraction order),對于TM
偏振包括+/-51衍射級。對于TE偏振光，隨著襯底厚度的增加，透射 減小，并且直到某一襯底厚度反射都增加，此后反射恒定。
作為狹縫11的密集陣列的一個示例，考慮相鄰狹縫11的中心之 間距離為0.4pm的陣列的情形，狹縫ll具有的寬度為0.2pm。圖30 和31示出在給出厚度的金層示例中，對于TM偏振光，狹縫ll的周 期性陣列以襯底10的厚度為函數的透射，透射隨金層或襯底10的厚 度周期性地改變。透射曲線的包絡線隨金層的厚度呈指數下降，這是 因為在金層中發生了損失。TM偏振光具有 62pm的穿透((1/e) a2 透射)深度，其明顯大于對于TE偏振光(大約150nm)的穿透深度。 圖32示出對于TE偏振光，狹縫11的周期性陣列以金層或襯底11 的厚度為函數的透射。
應當注意，本發明不限于上面所述的狹縫11的周期性陣列。
從上面的討論，以及從分別針對TE偏振光和TM偏振光示出對 于300nm厚狹縫11的強度分布的圖21和22可以看出，TE偏振光 得到很強的抑制，并且基本上不會到達狹縫ll的出口 15，而TM偏 振光能透射狹縫ll。必須注意， 一小部分TE偏振光依然能到達狹縫 11的出口15，如模擬所示。由于狹縫ll內部的TE偏振光呈指數衰 減，狹縫11后面的部分隨狹縫11的深度增加而減小。TE偏振光的 衰減常數隨狹縫11寬度的減小而增加。
在圖33中，描述根據本發明的傳感器的第三實施例的基本原理。 根據第三實施例的傳感器包括至少具有一個狹縫11的襯底10，在狹 縫ll中具有至少一個發光體25，例如熒光體。在該實施例中，使用 TE偏振激勵光44來激勵發光體25，例如熒光體，其存在于襯底IO 中狹縫ll的內部，其中襯底10可以由不透明材料，即由對于激勵輻 射不透明的材料制造而成。由于激勵光44具有TE偏振，其不會透 過狹縫ll，僅利用漸逝場激勵發光體25，例如熒光體。
在激勵之后，發光體25，例如熒光體發射包括TE和TM偏振的 非偏振的發光輻射45。如果狹縫11較深，即如果狹縫11具有的深 度大于衰減長度的兩倍，則實際上僅TM偏振的發光輻射46能夠射 出狹縫11 (大約為發射出的熒光輻射的50%)。 TE偏振的發光受到很強的抑制。對于深度為衰減長度兩倍的狹縫ll，在狹縫ll的中心中熒光體25發射出的TE偏振輻射得到衰減狹縫11底部的強度僅 為熒光體25的中心處強度的13%。
第三實施例相對于本發明的第一和第二實施例來說具有優點和 缺點。
一個優點是更容易采集發射出的發光，例如熒光。如果狹縫11 較深，這表明大約50%的發光，例如熒光能夠射出狹縫11，而具有 相同深度的孔或間隙或其他孔徑11將不允許發光(例如熒光)射出。 這樣能夠產生被測量的額外的發光，例如熒光，因而產生更好的信號 背景比。
另一優點是狹縫ll中受激勵發光體25，例如熒光體的數量可能 更高，這是因為在狹縫11的方向該結構本質上是開放的，從而預期 可發射出更多的熒光。
第三實施例的缺點在于，在發射出的發光例如熒光中，僅有50% 是TM偏振的，并且在該TM發光例如熒光中，僅有50%被朝向狹縫 11的出口指向，其他50°/。向后朝向激勵光束的起點。這意味著所發 射的發光例如熒光中僅有25%最終被檢觀〗。這表明對于存在的相同量 的發光體25，檢測到更低功率。因此，必須將這一缺點與更容易采 集的優點的效應進行權衡，以便確定對于特定的應用，是否需要例如 孔的孔徑或狹縫11。這至少取決于孔徑或狹縫11的深度。
與第一和第二實施例類似，第三實施例也能夠通過使用改變輻射 方向的傾斜壁24，對于給定的光學裝置的數值孔徑和檢測器30的接 收角采集額外的發光，例如熒光，因此將輻射聚集到狹縫11的更小 空間角度內。
在狹縫11的激勵側產生的TM偏振的背景發光，例如熒光，能 夠透射過狹縫ll，并且有助于形成背景信號。這導致背景信號增加， 除非采取抑制該背景發光例如熒光的步驟。這可通過將激勵光束聚焦 到狹縫11上來進行?；蛘?，正如現有技術，可進行洗滌步驟，通過 洗掉未結合的發光體25，來減小背景發光的量。這兩種選項都使第 三實施例與第一和第二實施例相比更加復雜，而并非必須如此。
本發明的所有實施例表現出非常小的激勵體積。然而，在第一和 第二實施例中這是以三維進行的，而在當前的實施例中，僅以二維進 行。不過，第三實施例允許使用深狹縫11，與第一和第二實施例中 的結構相比，其具有的優點是激勵表面(或體積)明顯更大。
取決于必須使用傳感器，例如生物傳感器或化學傳感器的應用的 種類，必須考慮優點和缺點，以便確定上述哪個實施例最適于執行該 特定應用。
在上述實施例中，通過使用聚焦到孔徑或狹縫11上的多光斑光
束，能夠更有效地實現對發光體25，例如熒光體的照明或激勵。此 夕卜，上述實施例可同時用于不同波長。為了使用不同波長，如果孔尺 寸足夠小，即如果例如孔的孔徑或狹縫11的最小維度小于激勵輻射 的波長，例如小于波長的50%,優選小于激勵輻射波長的40%，或 者如果孔徑或狹縫11的最小維度小于填充孔徑或狹縫11的介質的衍 射極限，則僅需要改變激勵頻率或波長。例如，當用折射率為1.3的 水填充孔徑或狹縫ll時，這表明對于真空中700nm的波長，衍射極 限為269nm (即真空中波長/2*水的折射率)。在根據本發明的其他實 施例中，可使用尺寸從1到10nm的熒光納米粒子(量子點)。通常， 介于200和400nm之間的激勵波長將導致多色發射，發射波長取決 于粒子直徑。
在另外的實施例中，可使用電化學或化學發光標記。在此情形中， 可通過電化學或化學進行激勵。
所有上述實施例都提供了在諸如水或空氣的流體內部工作的具 有3D (孔徑ll，例如孔的陣列)或2D (狹縫ll的陣列)激勵體積 的傳感器，特別是生物傳感器。在這些實施例中，流體通道可包括薄 膜，例如薄金屬薄膜。然而，包括薄薄膜的結構特別易碎。這可以通 過將狹縫或孔徑11的陣列或多孔性襯底10'夾在，第一或上板47與 第二或下板48 (看起來更遠)之間來克服。第一和第二板47， 48優 選由透明材料制造而成。此外，對于較深狹縫或孔徑11，即對于深 度為幾個，例如3個衰減長度的狹縫或孔徑11，為了檢測狹縫或孔 徑11后面或前面的發光，例如熒光，所產生的發光例如熒光當通過第一或第二板47， 48傳播時得到抑制，這導致與狹縫或孔徑ll的后 面或前面相比熒光信號明顯更低。例如，在孔徑或狹縫深度為3個衰 減長度的情形中，可以抑制成初始強度的0.002。其解決方法是檢測 通過上和/下板47， 48的發光，例如熒光，這導致板47， 48后面的 發光(例如熒光)信號明顯大于狹縫或孔徑11后面或前面的發光(例 如熒光)信號。
在根據本發明的第四實施例中，提供納米流體通道以及形成這種 納米流體通道的方法。圖34示出了納米流體通道陣列的橫截面。根 據該示例，通道長度在y方向是均勻的。納米流體通道可包括夾在第 一或上板42與第二或下板43之間的、具有狹縫或孔徑11的多孔性 襯底IO。上和下板優選由透明材料形成。襯底10可以是半導體例如 Si，或例如金的金屬襯底，只要其對于激勵輻射不透明即可。在狹縫 11中可存在流體，例如水。
下面，將討論這種納米流體通道的制造方法。在第一步驟中，可 以將襯底材料10沉積到第一或上板47上(或者沉積到第二或下板 48上)。然后，將襯底材料10圖案化，以在板47或48的頂部形成 孔徑或狹縫11的陣列?？衫帽绢I域技術人員公知的技術，例如顯 微光刻法對襯底材料10進行圖案化。在下一步驟，可以將第二或下 板48 (或第一或上板47)結合或粘接到狹縫或孔徑11的陣列的頂部 上。在粘接的情形中，膠水可能滲透到納米通道中。應當防止發生這 種情形。因此，優選在透明度，潤濕性和粘度的基礎上選擇所使用的 膠水。
可通過上板47或通過下板48實現對溶解在存在于狹縫或孔徑11 中的流體中的發光體25 (例如熒光體)的激勵。圖35說明通過上板 47激勵溶解在狹縫或孔徑11中的流體中的發光體25，例如熒光體。 該示例不限制本發明，也可以通過下板48來進行激勵。在圖35中， 附圖標記49表示可通過上板47發送的激勵光。激勵輻射49可以是 TM或TE偏振的。在激勵輻射49是TM偏振的情形中，不產生漸逝 場，且激勵輻射49通過狹縫11傳播到下板48。如果激勵輻射49是 TE偏振的，則可產生漸逝場，且激勵輻射49基本上不會通過狹縫ll傳播，條件是狹縫ll足夠深，即具有幾個衰減長度，例如3個衰 減長度的深度。從而，可通過上板47 (箭頭50所示)和通過下板48 (箭頭51所示)來檢測所產生的發光50， 51，例如熒光。發光輻射 50， 51，例如熒光輻射，主要是TM偏振的。
可以將板47， 48制造成，使發光輻射50， 51，例如熒光輻射， 被更好地準直，并且使更大部分(更大視角)可到達檢測器(未示出)。 為此，如圖36所示，可分別將板47， 48圖案化。圖案化可使得得到 具有傾斜側壁52的板47, 48，這能夠將發光輻射50， 51采集到更 小立體角內。
在使用狹縫11和漸逝激勵體積(evanescent excitation volume)的情 形中，TE偏振激勵光優于TM偏振光，這是因為其在狹縫ll內的穿 透深度明顯更小。另一方面，在具有圓形針孔ll的情形中，TE偏振 與TM偏振等效。因此，在其他實施例中，利用足夠小的穿透深度， 通過經由一個板47， 48激勵并通過另一個板47， 48檢測發光(例如 熒光)，可以將激勵光與發光(例如熒光)分離。
第四實施例的一個可能的缺點是，激勵和發光路經，例如熒光路 經沿相同方向。在長穿透深度的情況下，這意味著通過狹縫或孔徑 11不能分離激勵輻射49和發光輻射50， 51，例如熒光輻射，正如從 圖35可以看出的。在另一實施例中，可通過沿平行于板47， 48 (即 y方向)的方向進行激勵來避免該情況。因此，在狹縫或孔徑ll中， 可提供沿基本平行于板47， 48，即沿y方向引導的光斑53。在圖37 中表示出此情形。光斑35也可以是沿y方向傳播的平面波。優選地， 使通過上和下板47， 48的激勵光的量最小。本實施例的原理是，在 假設狹縫或孔徑11例如延伸到紙張中時，使用沿垂直于紙張平面的 方向引導的激勵輻射49。由此，可以將激勵輻射49(圖37中未示出) 與發光輻射50， 51 (例如熒光輻射)分離。
從而，第四和第五實施例示出，可使用如上在第一和第二實施例 中所述的狹縫或孔徑結構11來制造具有改進機械強度和發光(例如 熒光)激勵的納米流體通道。此外，根據本發明形成納米流體通道的 方法廉價、簡單。
在根據本發明的實施例中，通過使用可識別一個或多個感興趣目 標(也稱作被分析物)的表面固定配體，可改善傳感器，例如生物傳 感器或化學傳感器的選擇性。在需要檢測不止一個被分析物的情形 中，傳感器可包括不同配體的陣列。適當配體的例子可以為蛋白質， 抗體，核酸適配體，縮氨酸，低(聚)核苷酸，糖，植物凝血素等。例 如，可通過適當的表面化學性質將配體固定到孔徑或狹縫11的內表面壁(圖19中由附圖標記58所示)上。表面化學性質的選擇僅取決 于內表面壁58的化學成分。
例如，當以諸如金，銀，Cu或Al的金屬形成孔徑或狹縫11時， 可以例如使用包括第一反應基團的反應物將自組裝的單體沉積到內 表面壁58上，所述的第一反應基團例如適于結合到孔徑或狹縫11的 內表面壁58上的硫氫(sulfUrhydryl)基團和/或羧基基團。此外，反 應物應當包括可用于固定配體的第二反應基團。例如，第二反應基團 可以是能夠被化學激活以結合到水溶液中的配體的主氨基的羧基基 團。對于多種不同化學表面的其它固定策略在本領域中是公知的。
在本發明的實施例中，可以將包括被分析物的溶解擠壓通過孔徑 或狹縫11,以便于例如通過泵送將被分析物結合到配體。這種泵送 可以被重復若干次?；蛘?，可使用橫向流動，使一部分流體通過孔徑 或狹縫ll。
應當理解的是，盡管此處針對根據本發明的傳感器系統已經討論 了優選實施例，特定結構和配置以及材料，不過在不偏離本發明范圍 和精神的條件下可對形式和細節作出多種改變或變更。例如，本發明 也可以采用不使用光學激勵的方法，而是例如使用電激勵。在此情形 中，該方法并沒有得益于小激勵體積的優點，而得益于傳感器前面所 產生的發光與傳感器內部或后面產生的輻射之間的分離。此外，本發 明還應用于非漸逝激勵。在此情形中，依然具有小激勵體積的優點(例 如，對于孔而言，孔平面內的感測體積依然受孔維度的限制)。此外， 該結構依然相對封閉(僅在孔徑ll處開口，因而通?？煞忾]該結構 的至少50%)的事實，依然導致生物傳感器前面產生的發光與其他位 置產生的發光之間的 <一些'分離。
權利要求
1.一種發光傳感器系統，包括激勵輻射源，檢測器和具有彼此相對的第一和第二側的傳感器，以及設有以下部件的襯底(10)-至少一個具有最小維度的孔徑或狹縫(11)，和-在所述至少一個孔徑或狹縫(11)中由具有某一波長的激勵輻射激勵的至少一個發光體(25)，所述至少一個孔徑或狹縫(11)填充有介質，并且所述至少一個孔徑或狹縫(11)的最小維度小于所述介質中所述激勵輻射的波長，其中，所述激勵輻射源定位在所述第一側，且所述檢測器定位在所述第二側。
2. 根據權利要求1所述的發光傳感器系統，其中，所述至少一 個孔徑或狹縫Ol)的最小維度小于所述介質的衍射極限。
3. 根據權利要求2所述的發光傳感器系統，其中，所述至少一 個孔徑或狹縫(11)的最小維度小于填充所述至少一個孔徑或狹縫(11)的介質中所述激勵輻射波長的50%,優選小于填充所述至少一 個孔徑或狹縫(11)的介質中所述激勵輻射波長的40%。
4. 根據權利要求2所述的發光傳感器系統，其中，所述的最小 維度小于水的衍射極限。
5. 根據權利要求1所述的發光傳感器系統，其中，所述襯底(IO) 包括至少一個孔(11)。
6. 根據權利要求5所述的發光傳感器系統，其中，所述至少一 個孔(11)具有傾斜的側壁(24)。
7. 根據權利要求1所述的發光傳感器系統，其中，所述襯底(IO) 包括至少一個狹縫(11)。
8. 根據權利要求1所述的發光傳感器系統，包括孔徑或狹縫(ll) 的陣列。
9. 根據權利要求8所述的發光傳感器系統，其中，所述孔徑或 狹縫(11)的陣列是周期性陣列。
10. 根據權利要求1所述的發光傳感器系統，其中，將設有至少 一個孔徑或狹縫(11)的所述襯底(10)定位在另一襯底(29)上。
11. 根據權利要求IO所述的發光傳感器系統，其中，所述另一襯 底(29)對激勵輻射(26)和/或發光輻射(27)是透明的。
12. 根據權利要求1所述的發光傳感器系統，其中，將設有至少 一個孔徑或狹縫(11)的所述襯底(10)定位在第一或上板(47)與 第二或下板(48)之間。
13. 根據權利要求12所述的發光傳感器系統，其中，將所述第 一或上板(47)和/或第二或下板(48)圖案化。
14. 根據權利要求1所述的發光傳感器系統，其中，所述檢測器 (30)是CCD或CMOS檢測器。
15. 根據權利要求1所述的發光傳感器系統，所述至少一個孔徑 或狹縫(11)包括內表面壁(58)，其中，將配體固定在所述至少一 個孔徑或狹縫(11)的內表面壁(58)上。
16. 根據權利要求1所述的發光傳感器系統，其中，所述發光傳 感器系統是發光生物傳感器系統。
17. 根據權利要求16所述的發光傳感器系統，其中，所述發光 生物傳感器系統是熒光生物傳感器系統。
18. —種用于檢測襯底(10)中至少一個孔徑或狹縫(11)中至 少一個熒光體(25)所產生的發光輻射的方法，所述至少一個孔徑或 狹縫(11)具有最小維度，所述至少一個孔徑或狹縫(11)填充有介 質，該方法包括-利用處于所述襯底(10)的第一側的激勵輻射激勵所述至少一 個發光體(25)，在填充所述孔徑或狹縫(11)的介質中，所述激勵 輻射具有的波長大于所述至少一個孔徑或狹縫(11)的最小維度，并 且-檢測來自處于所述襯底(10)的第二側的至少一個受激勵的發 光體(25)的發光輻射，所述第二側與第一側相對。
19. 根據權利要求18所述的方法，其中，在填充所述孔徑或狹 縫(11)的介質中激勵輻射的波長至少比所述至少一個孔徑或狹縫(11)的最小維度大2倍。
20. 根據權利要求19所述的方法，其中，所述激勵輻射包括TE 偏振光。
21. 根據權利要求18所述的方法，所述至少一個孔徑或狹縫(11) 包括內表面壁(58)，其中，該方法還包括將配體固定到所述至少一 個孔徑或狹縫(11)的內表面壁(28)上。
全文摘要
本發明提供一種使用亞波長孔徑或狹縫結構，即使用最小維度小于填充孔徑或狹縫結構的介質中激勵輻射波長的孔徑或狹縫結構的定性或定量發光傳感器，例如生物傳感器或化學傳感器。本發明還提供用于檢測這種發光傳感器中孔徑或狹縫結構中存在的一個或更多個發光體所產生的發光輻射的方法。
文檔編號G01N21/55GK101203743SQ200680022497
公開日2008年6月18日 申請日期2006年6月16日 優先權日2005年6月23日
發明者D·J·W·克隆德, H·R·施塔伯特, M·M·J·W·范赫佩恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
