專利名稱：微電子光學(xué)倏逝場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于目標(biāo)成分檢測的光學(xué)設(shè)備和包括該光學(xué)設(shè)備的微電子傳感器設(shè)備。
背景技術(shù)：
在不均勻測定中，目標(biāo)生物分子的濃度可以通過測量結(jié)合在傳感器表面的目標(biāo)生 物分子或者代表目標(biāo)生物分子的珠的表面濃度來確定。作為實例，可以想到一種競爭測定， 其中結(jié)合表面(襯底)用目標(biāo)分子覆蓋。珠可用特異性[對于目標(biāo)分子]抗體覆蓋并分散 在包含目標(biāo)分子的流體內(nèi)。樣本內(nèi)的自由目標(biāo)分子與傳感器表面上的固定目標(biāo)分子競爭以 結(jié)合到抗體涂覆的珠。對于低濃度的情形，抗體與傳感器表面處的目標(biāo)分子結(jié)合的機會高 于抗體與溶液內(nèi)的目標(biāo)分子結(jié)合的機會。通過測量結(jié)合在襯底的珠的表面濃度，可以確定 目標(biāo)分子的濃度。然而，濃度的精確測量需要一種對溶液內(nèi)的珠足夠不靈敏的高表面特異 檢測方案。再者，檢測信號應(yīng)不依賴于樣本基質(zhì)，該樣本基質(zhì)可以是全血、全唾液、尿液或者 任何其它生物流體。對于光學(xué)檢測方案，高的表面特異性可以通過減小測量體積來實現(xiàn)。實現(xiàn)這一點 的一種方式是通過共焦成像，其中測量體積減小到典型地幾個波長(例如，1微米)。然而， DNA測序是這樣的一種實例，其中測量體積優(yōu)選地進一步減小，直至與包含單個分子的體積 相當(dāng)?shù)捏w積。在該體積中，通過識別在單個分子的隨后DNA聚合酶反應(yīng)中涉及的標(biāo)記的核 苷酸，可以監(jiān)測和識別實時測序。在這種情況下，US 2006/0098927公開了一種用于研究 DNA分子的方法，其中所謂的納米孔被提供在光學(xué)波導(dǎo)的流體核心的流體通道內(nèi)，以限制在 某一時間單個分子的通過。US7013054為一現(xiàn)有技術(shù)公開，其使用針孔矩陣介質(zhì)來產(chǎn)生倏逝場，而不是使用微 流體通道；然而，此公開設(shè)置了針孔的測量體積與倏逝場之間的關(guān)系。這限制了檢測可能 性，因為測量體積依賴于孔徑寬度。

發(fā)明內(nèi)容
存在提供一種用于檢測目標(biāo)成分的微電子傳感器設(shè)備的期望，其中用于包含目標(biāo) 成分的體積不限制所產(chǎn)生的倏逝場的衰減長度，例如以提供用于DNA測序目的的傳感器設(shè) 備。因此，在本發(fā)明的一個方面中，提供一種用于響應(yīng)于入射輻射，在用于包含介質(zhì)內(nèi)的目 標(biāo)成分的檢測體積內(nèi)提供倏逝輻射的光學(xué)設(shè)備，該檢測體積具有至少一個小于衍射極限的 面內(nèi)尺寸(Wl)，該衍射極限由輻射波長和用于包含目標(biāo)成分的介質(zhì)定義；其中該檢測體積 配置有至少一個電介質(zhì)材料的壁。優(yōu)選地，這種電介質(zhì)材料選自包括聚(四氟乙烯)、Si02、Si3N4、Si0xNy(其中χ和y 代表相對比例)或其組合的群組。在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種檢測光學(xué)設(shè)備的一個或多個檢測體積內(nèi)的介 質(zhì)內(nèi)的目標(biāo)成分的方法，檢測體積具有至少一個小于衍射極限的面內(nèi)尺寸(Wl)，該衍射極
4限由輻射波長和用于包含目標(biāo)成分的介質(zhì)定義，該方法包括發(fā)射入射在光學(xué)設(shè)備上的具 有波長的輻射束；響應(yīng)于入射在光學(xué)設(shè)備的輻射，由光學(xué)設(shè)備在檢測體積內(nèi)提供倏逝輻射； 響應(yīng)于所發(fā)射的入射輻射，檢測來自檢測體積內(nèi)存在的目標(biāo)成分的輻射；以及由電介質(zhì)材 料的至少一個直立壁界定(bound)所述一個或多個檢測體積。在本發(fā)明的再一方面中，提供了一種制造載體的方法，該方法包括在襯底上提供 孔徑定義結(jié)構(gòu)，該孔徑定義結(jié)構(gòu)具有小于衍射極限的最小面內(nèi)孔徑尺寸(W1’)和大于衍射 極限的最大面內(nèi)孔徑尺寸W2并具有面外尺寸D ；用電介質(zhì)材料填充所述孔徑定義結(jié)構(gòu)，以 在該孔徑定義結(jié)構(gòu)上提供頂層，該頂層從所述結(jié)構(gòu)沿面外方向在基本上等于該面外尺寸D 的距離上延伸；在該電介質(zhì)內(nèi)提供與該最大面內(nèi)孔徑尺寸橫切取向的狹縫圖案；以及將該 頂層回刻蝕到該面外尺寸D，從而在該孔徑定義結(jié)構(gòu)內(nèi)提供電介質(zhì)材料的直立壁，用于提供 具有小于衍射極限的面內(nèi)檢測體積尺寸(Wl)的一個或多個檢測體積，衍射極限由輻射波 長和用于包含目標(biāo)成分的介質(zhì)定義。本發(fā)明的這些和其它方面將參考下述實施例而清楚明白并將參考下述實施例予 以闡述。


圖Ia示出根據(jù)本發(fā)明一個方面的第一示意性實施例；
圖Ib示出根據(jù)本發(fā)明的備選實施例；
圖2示出圖1的實施例中載體的示意性俯視圖和側(cè)視圖
圖3示意性示出用于提供第一實施例的制造工藝；
圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個方面的第二實施例；
圖5示出詳細描述圖4實施例的衰減長度的曲線圖6示出圖4實施例的備選實施例；以及
圖7示出圖4實施例的備選實施例。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的微電子傳感器設(shè)備可用于目標(biāo)成分的定量或定性檢測，其中該目標(biāo) 成分例如可以是比如生物分子、復(fù)合物、細胞片段或者細胞的生物物質(zhì)。術(shù)語"目標(biāo)成分" 應(yīng)表示具有某些屬性(例如光學(xué)密度、磁化率、電荷或發(fā)光)的任何顆粒(原子、分子、復(fù)合 物、納米顆粒、微顆粒等)，包含可被檢測到的可能標(biāo)記顆粒，因而(間接地)揭示關(guān)聯(lián)目標(biāo) 成分的存在。“目標(biāo)成分"和"標(biāo)記顆粒"可以是相同的。此外，根據(jù)一個方面，微電子傳 感器設(shè)備可包括下述部件a)載體，具有目標(biāo)成分可以聚集在那里的結(jié)合表面，盡管原則上光學(xué)設(shè)備可定義 無結(jié)合表面的檢測體積。術(shù)語"結(jié)合表面"在此被選擇主要是對載體表面特定部分的獨特 引用，以及盡管目標(biāo)成分在許多應(yīng)用中實際上將結(jié)合到所述表面，不過情況不一定是這樣 的。目標(biāo)成分到達結(jié)合表面以在那里聚集(典型地具有由與目標(biāo)成分、目標(biāo)成分與結(jié)合表 面的互作用、目標(biāo)成分的遷移率等相關(guān)聯(lián)參數(shù)確定的濃度)。在傳輸(transmissive)布置 中，載體優(yōu)選地具有針對給定光譜范圍的光，特別是由將在下面定義的光源發(fā)射的光的高 透明性。載體可以例如由玻璃或某些透明塑料制成。載體可以是可滲透的；載體為設(shè)置于載體上的孔徑定義結(jié)構(gòu)提供承載功能，該孔徑定義結(jié)構(gòu)具有小于衍射極限的最小面內(nèi)孔徑 尺寸(Wl)。b)源，用于將在下文中稱為"入射光束"的輻射束發(fā)射到前述載體內(nèi)，使得該輻 射束至少在載體的結(jié)合表面處的研究區(qū)域內(nèi)被反射。光源可以是例如激光器或發(fā)光二極管 (LED)，可選地配置有用于成形和引導(dǎo)入射光束的某些光學(xué)元件。"研究區(qū)域"可以是結(jié) 合表面的子區(qū)域或者包括整個結(jié)合表面；“研究區(qū)域"典型地將具有由該入射光束照射 的基本上圓形斑點的形狀。c)檢測器，用于響應(yīng)于來自該源的所發(fā)射的入射輻射，檢測來自檢測體積中存在 的目標(biāo)成分的輻射。注意，術(shù)語“來自目標(biāo)成分的輻射”包括是可檢測的以用于檢測目標(biāo)成 分存在的任何輻射，可能包括任何標(biāo)記顆粒。不受限制的是，輻射可以是散射、反射或者發(fā) 光的類型。檢測器可包括例如光電二極管、光敏電阻器、光電池或者光電倍增管的任何合適 的一種傳感器或多種傳感器，通過傳感器可檢測到給定光譜的光。在本說明書中使用術(shù)語 光或輻射的場合，其意圖涵蓋所有類型的電磁輻射，特別地，視情況而涵蓋可見以及不可見 電磁輻射。d)在結(jié)合表面附近提供一種光學(xué)結(jié)構(gòu)，用于響應(yīng)于入射在結(jié)合表面的輻射，在由 結(jié)合表面界定且在離開結(jié)合表面進入樣本室的衰減長度上延伸的檢測體積內(nèi)提供倏逝輻 射。注意，給定介質(zhì)內(nèi)的術(shù)語“倏逝輻射”是指具有大于給定介質(zhì)的波數(shù)的空間頻率(即， 在真空中的波數(shù)乘以介質(zhì)的折射率)的非傳播波。實例為由全內(nèi)反射或者由入射在亞衍射 極限孔徑而產(chǎn)生的倏逝波。特別地，倏逝波場將以Ι/e衰減長度而衰減，視照射光而定，該 衰減長度典型地為IOnm至500nm。此外注意，光學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)選地是這樣的類型，即倏逝場基本 上不傳播到光學(xué)結(jié)構(gòu)之后，這意味著孔徑定義結(jié)構(gòu)的面外尺寸基本上大于Ι/e衰減長度。微電子傳感器設(shè)備允許對在結(jié)合表面處研究區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)成分靈敏和精確地定 量或定性檢測。所述光學(xué)檢測過程的一個優(yōu)點包括其精確性，因為倏逝波僅探查小的體積， 該小的體積僅從毗鄰載體的孔徑端部典型地延伸到孔徑內(nèi)IOnm至30nm，因而避免來自該 體積后面的體材料的干擾(諸如散射、反射、發(fā)光)。微電子傳感器設(shè)備可用于目標(biāo)成分的定性檢測，產(chǎn)生例如關(guān)于特定目標(biāo)分子的簡 單二元響應(yīng)("存在"或者"不存在")。然而傳感器設(shè)備可包括用于根據(jù)所檢測到的反 射光而定量確定研究區(qū)域內(nèi)目標(biāo)成分的量的評價模塊。這例如可以基于這樣的事實，倏逝 光波中被目標(biāo)成分吸收或散射的光量與研究區(qū)域內(nèi)這些目標(biāo)成分的濃度成比例。根據(jù)相 關(guān)結(jié)合過程的動力學(xué)，研究區(qū)域內(nèi)目標(biāo)成分的量進而可指示與孔徑連通的樣本流體內(nèi)這些 成分的濃度。在優(yōu)選實施例中，傳感器的結(jié)合表面配置有多個孔徑定義結(jié)構(gòu)，其具有小于衍射 極限的第一最小面內(nèi)孔徑尺寸(Wl)，該衍射極限(Wmin)由用于包含目標(biāo)成分的介質(zhì)通過 下式定義Wmin= λ/(2 * Iimedium) (1)其中λ為在真空中的波長以及Iimralimi為線柵前方的介質(zhì)的折射率。典型地，波長 將在400nm至800nm的(接近)可見范圍內(nèi)變化；典型地對應(yīng)于在水中150nm至300nm的 最小孔徑。在優(yōu)選實施例中，孔徑定義結(jié)構(gòu)定義與材料塊平行的第一和第二面內(nèi)矢量，該材 料塊是不透明的(實例為諸如金(Au)、銀(Ag)、鉻(Cr)、鋁(Al)的金屬)。第一(最小)面內(nèi)孔徑尺寸平行于第一面內(nèi)矢量，第二(最大)面內(nèi)孔徑尺寸平行于第二面內(nèi)矢量。相應(yīng)地可以區(qū)分下述類型的孔徑1.第一面內(nèi)尺寸Wl小于衍射極限且第二面內(nèi)尺寸W2大于衍射極限的第一類型的 孔徑，存在由第一面內(nèi)矢量和第三矢量組成的傳輸平面，該第三矢量垂直于第一和第二面 內(nèi)矢量。R-偏振入射光(其為具有與傳輸平面正交的電場的光)基本上被孔徑定義結(jié)構(gòu)反 射并在孔徑內(nèi)部產(chǎn)生倏逝場。入射在由第一類型的孔徑組成的孔徑定義結(jié)構(gòu)上的T-偏振 光(其為具有平行于一個或多個孔徑的傳輸平面的電場的光)基本上被孔徑定義結(jié)構(gòu)傳輸 并在孔徑內(nèi)部產(chǎn)生傳播場。2.對于兩種面內(nèi)尺寸均小于衍射極限的第二類型的孔徑，我們無法定義傳輸平 面。任何偏振(諸如線偏振、圓偏振、橢圓偏振、隨機偏振)的入射光基本上被孔徑定義結(jié) 構(gòu)反射并在孔徑內(nèi)部產(chǎn)生倏逝場。作為實例，對于一個面內(nèi)尺寸恰好大于衍射極限以及另一個面內(nèi)尺寸恰好小于衍 射極限的線柵并且假設(shè)倏逝衰減長度為30nm，我們發(fā)現(xiàn)30X244X244nm3的激發(fā)體積(假 設(shè)紅色激發(fā)光632. Snm且導(dǎo)線之間為水)。這與激發(fā)體積內(nèi)部一個分子的0. Qmmolar的濃
度對應(yīng)。注意，利用全內(nèi)反射來產(chǎn)生倏逝場也是可能的。依賴于玻璃棱鏡的折射率Iiglass、載 體內(nèi)的入射角θ A以及所使用光的波長λ，倏逝場的幅值可以描述為Qxp(-k^nglass25 η2(θΑ)-ηβΜ2 ■ ζ)ζ為距離界面的距離以及k為波數(shù)(2 π/λ)。在相對于檢測表面的法線成80度 束角處，在水中的穿透深度((1/e)強度)從對于硅石(折射率為1.45)的IOOnm減小到對 于高折射率玻璃(折射率為2)的35nm。這里假設(shè)樣本基質(zhì)具有折射率nfluid = 1. 33 (與水 類似)以及所使用光的波長為650nm(DVD激光)。對于大多數(shù)實際應(yīng)用，倏逝場穿透到位于載體頂部上的樣本基質(zhì)內(nèi)受限于結(jié)合到 襯底的顆粒。穿透深度td_y (倏逝場的Ι/e強度)依賴于棱鏡的折射率(Iiglass)和樣本基 質(zhì)(nfluid)以及入射角(α)tdecay = λ/(4· π · V [(nglass. sin(a))2-nfluid2]) (2)作為實例，對于例如30nm的衰減長度，將對應(yīng)于至少1. 87的棱鏡的折射率。對于 由諸如聚苯乙烯和聚碳酸酯的低成本材料制成的棱鏡，典型折射率分別為1.55和1.58，在 水中的穿透深度被分別限制到最小值65nm以及60nm。轉(zhuǎn)到圖la，示出根據(jù)本發(fā)明一個方面的微電子傳感器設(shè)備100的一般設(shè)置。載體 11可例如由玻璃或者比如聚苯乙烯的透明塑料制成。載體11置為緊鄰樣本室2且實際上 形成樣本室2的多個壁的其中之一，具有待檢測目標(biāo)成分(例如藥物、抗體、DNA等)的樣 本流體可以被提供在樣本室2內(nèi)。室2還可由直立壁111定義，在優(yōu)選實施例中該直立壁 連續(xù)地重復(fù)以形成多個相鄰的壁111，形成例如用于微生物測定的孔板。樣本進一步包含顆 粒10，例如通常用結(jié)合位(例如，抗體)來功能化用以特定地結(jié)合前述目標(biāo)成分的顆粒10。 顆?？杀浑妼W(xué)充電或者是熒光顆?；蛘呔哂心承┢渌蓹z測特性。載體11和樣本室2之間的界面是由稱為"結(jié)合表面"12的表面形成。此結(jié)合表 面12可選地可涂覆有可特異地結(jié)合目標(biāo)成分的捕獲單元，例如抗體、配體。傳感器設(shè)備進一步包括例如激光器或LED的光源21，該光源產(chǎn)生被傳輸?shù)捷d體11內(nèi)的入射光束101。入射光束101到達結(jié)合表面12且在此實例中被反射成為"反射光 束"102。反射光束102離開載體11并被例如光電二極管的光檢測器31檢測。光檢測器 31確定反射光束102的功率/能量(例如由在整個光譜或者光譜的某一部分中的此光束 的光強表達)。通過耦合到檢測器31的評價和記錄模塊32，測量結(jié)果在一觀察階段上被 評價且可選地被監(jiān)測。材料塊以條(strip) 20的形式提供在載體表面12上，定義具有小于 衍射極限的最小面內(nèi)孔徑尺寸(Wl)的線柵，該衍射極限由波長與包含目標(biāo)成分10的介質(zhì) 2的折射率兩倍之間的比例定義，其中該材料塊是不透明的，優(yōu)選地為金屬(例如金(Au)、 銀(Ag)、鉻(Cr)、鋁(Al))。入射角θ原則上可以從0°變化到90°。由于孔徑的衍射極 限性質(zhì)，在研究區(qū)域13中創(chuàng)建了倏逝場，該倏逝場由于載體表面12所結(jié)合的或者至少位于 由孔徑定義結(jié)構(gòu)20產(chǎn)生的倏逝場范圍內(nèi)顆粒的存在而可以被選擇性地干擾。除了條20，還提供電介質(zhì)材料的直立壁3，該電介質(zhì)材料例如為折射率介于1.2和 3. 4之間的材料。聚(四氟乙烯)、Si02、Si3N4, SiOxNy (其中χ和y代表相對比例)或其組 合為可使用的電介質(zhì)材料的非限制性實例。因此形成了測量體積4，其中顆粒10可以通過對入射光束101的光學(xué)響應(yīng)來檢測 到。光學(xué)響應(yīng)作為反射光束102被檢測到。因此，檢測體積被限制到小于衍射極限的最大 面內(nèi)檢測體積尺寸W1。通過用電介質(zhì)材料3覆蓋金屬條20，由于金屬材料存在引起的熒光 猝滅效應(yīng)可以顯著減少。優(yōu)選地，為了最優(yōu)化這種效應(yīng)，不僅僅金屬而且整個檢測體積均配 置有電介質(zhì)材料層。通過實例的方式，在圖Ib中說明這種布置，在這種布置中孔徑X的所 有壁A-C用電介質(zhì)材料3涂覆。這具有的附加優(yōu)點在于，防止了流體在導(dǎo)線之間的一部分 空間上線柵頂部上的擇優(yōu)潤濕。大體上，更低的表面張力暗示了更好的流體潤濕以及金屬 (例如，鋁表面張力為871. 03dyne/cm以及氧化鋁表面張力為579. 56dyne/cm)和電介質(zhì)材 料(例如，SiO2表面張力為205. 70dyne/cm)的潤濕屬性差別很大。根據(jù)本發(fā)明可以使用的電介質(zhì)材料優(yōu)選地具有與水的折射率(1. 33)接近的折射 率，因為檢測體積典型地用諸如水的流體填充。假設(shè)折射率為1至1. 7，更優(yōu)選地為1. 2 至1.5。根據(jù)本發(fā)明使用的電介質(zhì)材料的實例包括但不限于聚四氟乙烯(1.29-1.31)、 SiO2 (1. 46)和 SiOxNy。SiOxNy 折射率介于 1. 48 (χ = 1，y = 0 ;x 為氧化物比例)到 2. 0 (χ =0 ;y = 1)。所描述的微電子傳感器設(shè)備100應(yīng)用光學(xué)裝置31來檢測顆粒10以及所實際感興 趣的目標(biāo)成分。為了消除或者至少最小化背景(例如，諸如唾液、血液等的樣本流體)的 影響，檢測技術(shù)優(yōu)選地是表面特異的。盡管本發(fā)明可以應(yīng)用在周期性結(jié)構(gòu)(周期為λ的光柵結(jié)構(gòu))中，但是不必如此， 實際上該結(jié)構(gòu)也可以是非周期性或者準(zhǔn)周期性的。最小尺寸的孔徑尺寸Wl或者在適用時 的光柵周期Λ典型地小于衍射極限，該衍射極限由入射光束的主波長或波段以及用于包 含目標(biāo)成分的介質(zhì)定義。優(yōu)選地，入射光束101排他地由波長大于衍射極限的輻射構(gòu)成。具 有此處上文定義和在圖2-1上描述的諸如線柵技術(shù)的第一類型孔徑的孔徑定義結(jié)構(gòu)20的 良好屬性在于，通過切換輸入光的偏振，可以非常容易地將孔徑內(nèi)部的光從倏逝模式切換 到傳播模式，這使得既能夠進行表面特異測量又能夠進行體測量。轉(zhuǎn)到圖2，示出了其上配置有條20以提供倏逝輻射的載體11的沿著截面X-X的俯 視圖(A)和側(cè)視圖(B)。條20根據(jù)此處上文描述的第一(I)和第二(II)孔徑類型而定制(dimensioned)。特別地，圖2_1示出具有這樣的孔徑的實施例，該孔徑的第一面內(nèi)尺寸Wl 小于針對入射輻射的衍射極限(見圖la)且第二面內(nèi)尺寸W2具有大于衍射極限的尺寸；在 圖中，W2沿著方向Y延伸。優(yōu)選地，至少一個面內(nèi)檢測體積尺寸小于250nm，甚至更優(yōu)選地 小于50nmo相反，實施例2-II示出一種針孔變型，其具有小于衍射極限的面內(nèi)尺寸Wl和W2。 更具體地，在此實施例中，納米孔4具有約50nm或更小的直徑，確保平均起來對于微摩爾 (micro-molar)濃度而言，激發(fā)體積內(nèi)僅具有單個核苷酸。線柵的導(dǎo)線之間的倏逝衰減長度 典型地為30nm。優(yōu)選地，電介質(zhì)材料3具有與材料2的折射率近似相同的折射率，該材料 2 (例如水，見圖1)填充納米孔4從而避免散射。聚四氟乙烯(TEFLON)可以是具有與水相 似的折射率的良好候選。優(yōu)選地，電介質(zhì)材料3具有防止緩沖溶液中存在的核苷酸或其它 分子附著在表面上的屬性。用這種材料3覆蓋金屬導(dǎo)線20可進一步減小襯底和溶液之間 的互作用。線柵20可具有周期(Λ)以及如圖2-II所示定義孔徑Wl和厚度D。衍射極限典 型地可定義為兩倍于最小孔徑尺寸的介質(zhì)中的波長。作為備選，圖2-1的第一類型的線柵20可用第二類型的2D亞衍射極限孔徑陣列 來取代，后者也稱為針孔結(jié)構(gòu)(見圖2-11)。在這種情況下，孔徑定義結(jié)構(gòu)是由此處上述 的第二類型孔徑組成。因此這些陣列具有針對任何偏振的高的反射(以及孔徑內(nèi)部的倏逝 場)。在圖2中因此提供檢測體積4，該檢測體積可以成形到例如生物分子，特別是待測 序DNA分子的單分子檢測體積。對于這些應(yīng)用而言重要的是，單個分子被提供在檢測體積 內(nèi)以恰當(dāng)?shù)刈R別特定標(biāo)記成分的隨后混雜(hybridization)。特別地，測量體積可以是由 下述尺寸定義的體積檢測表面12的50納米面內(nèi)方形，以及約150納米的條20形式的光 學(xué)結(jié)構(gòu)的高度D，得到對于在真空中650nm的波長，延伸到用于包含目標(biāo)成分的介質(zhì)內(nèi)20nm 至40nm的測量體積轉(zhuǎn)到圖3，在將配置有檢測體積4的光學(xué)結(jié)構(gòu)20的前視圖和俯視圖中說明后續(xù)步 驟。在第一步驟301中可以看出，襯底11配置有如圖2中指代的狹縫結(jié)構(gòu)或孔徑定義結(jié) 構(gòu)20，特別地具有孔徑的面外厚度D和第一面內(nèi)尺寸W1。在圖3a的步驟302可示出，例如 TEFLON的電介質(zhì)材料3設(shè)置于狹縫結(jié)構(gòu)20上，具有與狹縫結(jié)構(gòu)20的面外厚度基本上尺寸 相同的面外厚度。在后續(xù)步驟303中，通過沿橫切狹縫20的方向沖壓條來提供圖案310，這 示意性地由步驟303中的孔4說明。在步驟304中，將電介質(zhì)層3回刻蝕到面外厚度D，使 得直立壁3被提供且檢測體積4至少部分地由電介質(zhì)材料3圍繞。為了減小散射或反射效 果，優(yōu)選地電介質(zhì)材料3匹配介質(zhì)2的介質(zhì)衍射率，該介質(zhì)2設(shè)置于載體11的頂部上(見 圖1)。選擇的材料可以是聚四氟乙烯、SiO2, Si3N4, SiOxNy (其中χ和y代表相對比例)或 其組合。檢測體積4的面內(nèi)尺寸是由在電介質(zhì)材料中定義的納米孔的尺寸確定。檢測體積 4的面外尺寸由激發(fā)強度的倏逝衰減長度確定，例如激發(fā)強度的倏逝衰減長度約為30nm。 對于具有IOOnm厚的導(dǎo)線(面外尺寸)和相鄰導(dǎo)線之間間距為50nm的線柵，對于波長為 632. 8nm的TE偏振激發(fā)光和14 * 50 * 50 = 35000nm3的激發(fā)體積，得到14nm的倏逝衰減 長度。對于平均起來在激發(fā)體積內(nèi)部具有單個核苷酸而言，對于多至47微摩爾的濃度，該體積可以是足夠小的；對于10微摩爾的濃度，沖模的條的寬度可以增加到230nm。圖4說明利用通過入射束101和反射束102的全內(nèi)反射的實施例，這里頂透明層3 由電介質(zhì)介質(zhì)提供，用孔4來圖案化以提供檢測體積。電介質(zhì)層3和載體層11定義層界 面401，其中下透明層11折射率大于頂電介質(zhì)層3。在這種布置中，通過全內(nèi)反射，生成在 衰減長度上衰減的倏逝輻射403，該衰減長度優(yōu)選地尺寸等于或小于電介質(zhì)厚度層3。在一 個方面，目標(biāo)成分在光學(xué)上不同于該介質(zhì)折射率，因此具有與介質(zhì)折射率不同的(復(fù))折射 率。因此棱鏡11具有比樣本介質(zhì)2的反射率大的反射率NPA，電介質(zhì)材料3 (折射率 為nd)用具有亞衍射極限面內(nèi)尺寸的納米孔4來圖案化。透鏡系統(tǒng)404、406被提供以檢測 來自顆粒10的光學(xué)響應(yīng)，例如熒光或另外的光學(xué)響應(yīng)(散射)。在熒光201被檢測的情形 中，散射輻射光101可以被濾波器5阻擋且熒光202可被傳輸。檢測器7檢測作為入射束 203被聚焦在檢測器7上的熒光202。對于在水中例如30nm的強度衰減長度以及650nm的波長，棱鏡的折射率可以為 1.87或更大。使用諸如聚苯乙烯和聚碳酸酯的低成本材料，典型折射率分別為1.55和 1.58，將在水內(nèi)的穿透深度分別限制為65nm和60nm。因此，此實施例公開全內(nèi)反射(通過 使用棱鏡11)。根據(jù)一個方面，表面電介質(zhì)材料3用納米孔圖案化且具有介于襯底(11)和 樣本(2)的折射率之間或者等于樣本介質(zhì)2折射率的折射率。替代使電介質(zhì)材料(2)直接位于棱鏡上，也可以將層2沉積在平坦襯底上并將此 襯底置于棱鏡頂部上。優(yōu)選地，在襯底和棱鏡之間使用折射率匹配流體使得能夠?qū)⒐鈨?nèi)耦 合到襯底內(nèi)而不需要襯底和棱鏡之間的接觸，這防止了在棱鏡-襯底界面的反射。圖5示出一典型實例，其涉及由LaSF9(折射率為1.85)制成的棱鏡，632. Snm的激 發(fā)波長、水樣本(折射率為1.33)以及在棱鏡頂部上作為圖案化電介質(zhì)材料的SiO2 (折射 率為1. 45)，依賴于入射角的倏逝衰減長度(Ι/e強度)的最小值為40nm至50nm。假設(shè)核 苷酸/標(biāo)記濃度為10微摩爾，與單個核苷酸/標(biāo)記相當(dāng)?shù)捏w積將為1. 66X 105nm3。結(jié)果， 柱形納米孔的直徑可小于70nm。圖6示出一備選實施例，其中倏逝輻射403通過全內(nèi)反射產(chǎn)生。使用環(huán)形激發(fā)斑 點與具有亞衍射極限納米孔4的圖案化層3的組合來照射物鏡。替代使用如圖4中的棱鏡，為了產(chǎn)生倏逝場，還可以在物鏡和高折射率材料塊 (11)之間使用具有折射率匹配流體(從而避免寄生全內(nèi)反射)的物鏡/透鏡(404)來產(chǎn)生 倏逝場。這種情況下，優(yōu)選的是物鏡/透鏡(404)和塊(11) 二者具有相同的折射率(np)， 該折射率大于樣本介質(zhì)(2)的折射率。為了產(chǎn)生倏逝斑點(20)，通過使用光學(xué)元件(609) 將平行輸入束(105)轉(zhuǎn)換成環(huán)形斑點(104)。光學(xué)元件(609)可以是阻擋斑點的中心部分 的掩模，不過更優(yōu)選地是將“均勻”斑點轉(zhuǎn)換成環(huán)形斑點的衍射元件。二向色鏡(8)可用于 使環(huán)形斑點的光學(xué)路徑與熒光(202)的光學(xué)路徑部分地疊加以及用于除去所反射的激發(fā) 光。為了照射襯底的更大部分，可以除去光學(xué)元件(609)和將激發(fā)光(105)聚焦在物 鏡的后焦面上。阻擋濾波器5、聚焦透鏡6和檢測器7可以與圖4所述實施例相似地設(shè)計以 形成熒光于檢測器7上。圖7示出一實施例，其中倏逝場706是由在波導(dǎo)頂部上具有圖案化覆層2的光學(xué)
10波導(dǎo)712產(chǎn)生，該圖案化覆層2具有亞衍射極限納米孔4。特別地電介質(zhì)2使用折射率(π3)的納米孔4來圖案化。優(yōu)選地該折射率與樣本 (介質(zhì)2)匹配。波導(dǎo)700包括具有折射率(nl)的透明襯底711和具有折射率(n2 > nl, n3, n4) 的透明核心層712。核心材料的良好選擇可以是Si3N4，其具有高的折射率且發(fā)現(xiàn)其為低損 耗的材料。在電介質(zhì)層2中，波導(dǎo)700具有位于核心層712外部的倏逝尾706。原理類似于先前的實施例；這里波導(dǎo)712用于產(chǎn)生倏逝場706 (1_D亞衍射極限激 發(fā)體積)，且與使用納米孔4來圖案化的電介質(zhì)2組合，這樣得到3D亞衍射極限激發(fā)體積4。 與用斑點照射樣本相比(如實施例I)相比，使用波導(dǎo)712的優(yōu)點是波導(dǎo)中的更高強度(波 導(dǎo)的典型模態(tài)面積約為幾μπι2，對于ImW模態(tài)功率，這得到的強度約為lO-lOOkW/cm2)以及 這樣的事實，模式正被傳播使得我們?nèi)匀豢梢约ぐl(fā)大的面積對于10微米寬的模式，我們 需要Imm的傳播長度以激發(fā)等于100X IOOmm2的面積。透鏡4、6，阻擋濾波器5和檢測器7 的設(shè)計與圖4和6所述實施例相似。所描述的光學(xué)讀出的優(yōu)點可以為下述優(yōu)點-用于多分析物測試的大的復(fù)用可能性試劑盒(cartridge)內(nèi)的結(jié)合表面12可 以在大面積上被光學(xué)掃描。備選地，允許大檢測陣列的大面積成像是可能的。這種陣列 (置于光學(xué)透明表面上)可以通過例如將不同的結(jié)合分子噴墨印刷在光學(xué)表面上來制成。通過使用多個束和多個檢測器以及多個致動磁體(或者是機械移動或者是電磁 致動)，該方法還使得能夠在孔板內(nèi)進行高吞吐量測試。-由于指數(shù)(exponentially)下降的倏逝場，該系統(tǒng)是真正表面靈敏的。-界面簡單盒與讀取器之間無需電學(xué)互連。檢測該盒的唯一需求是光學(xué)窗口。因 此可以進行無接觸的讀出。-低噪聲的讀出是可能的。在實驗室環(huán)境中，典型地使用包括許多樣本室(“孔")的陣列的孔板，在這些樣 本室內(nèi)可以并行地進行不同測試。這些(一次性)孔的制作非常簡單和廉價，因為單一注 射成型步驟就足夠。盡管在上文參考具體實施例描述了本發(fā)明，但是各種調(diào)整和延伸是可能的，例 如-除了分子測定，還可以使用根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備來檢測更大的部分 (moiety)，例如細胞、病毒、或者細胞或病毒的片段、組織提取液等。-可以將傳感器元件相對于傳感器表面進行掃描或不掃描來進行檢測。-測量數(shù)據(jù)可以作為終點測量，以及通過動態(tài)或間歇地記錄信號來導(dǎo)出。-用作標(biāo)記的顆?？梢酝ㄟ^感測方法來直接檢測。再者，顆?？梢栽跈z測之前進一 步處理。進一步處理的實例是添加材料或者對標(biāo)記的(生物)化學(xué)或物理屬性進行調(diào)整以 利于檢測。-該設(shè)備和方法可以與若干種生物化學(xué)測定類型一起使用，例如結(jié)合/非結(jié)合測 定、夾心測定、競爭測定、置換測定、酶測定等。該設(shè)備和方法特別適于DNA檢測，因為大規(guī) 模復(fù)用是容易可行的且不同寡糖(oligo)可以經(jīng)由噴墨印刷在光學(xué)襯底上而被認(rèn)出。-該設(shè)備和方法適于傳感器復(fù)用(即，并行使用不同傳感器和傳感器表面)，標(biāo)記
11復(fù)用(即，并行使用不同類型的標(biāo)記)以及室復(fù)用(即，并行使用不同反應(yīng)室)。-該設(shè)備和方法可以用作用于小樣本體積的快速的、具有魯棒性的以及易于使用 的現(xiàn)場檢驗(point-of-care)生物傳感器。反應(yīng)室可以是與緊湊讀取器一起使用的一次性 用品，包括一個或多個場發(fā)生裝置和一個或多個檢測裝置。此外，本發(fā)明的設(shè)備、方法和系 統(tǒng)可以在自動化高吞吐量測試中使用。這種情況下，反應(yīng)室為例如孔板或者比色皿，裝配到 自動化儀器內(nèi)。此外，根據(jù)某些方面，提供電介質(zhì)直立壁可提供下述優(yōu)點1)對于檢測體積具有小于衍射極限的面內(nèi)尺寸的線柵傳感器，與針孔生物傳感器 構(gòu)思中相似的激發(fā)體積是可行的，而不損失該線柵生物傳感器的特定優(yōu)點；熒光收集效率 更高，因為熒光的一個偏振分量幾乎不受抑制，以及通過改變激發(fā)光的偏振態(tài)而從倏逝激 發(fā)改變到非倏逝激發(fā)。2)與金屬針孔生物傳感器相比，檢測體積由電介質(zhì)材料而不是金屬圍繞，這可引 起熒光猝滅的減小。3)定義倏逝激發(fā)場的衰減長度的面內(nèi)檢測體積尺寸可以實際上不依賴于面內(nèi)孔 徑尺寸而受控制。本領(lǐng)域技術(shù)在實踐所主張的發(fā)明時，通過研究圖示、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求書， 可以理解和達成所公開實施例的其它變型。最后指出，在本申請中術(shù)語"包括"不排除其 它元件或步驟，“一"或"一個"不排除多個，單個處理器或其它單元可實現(xiàn)若干裝置的 功能。本發(fā)明在于各個和每個新穎的特性特征以及各個和每個特性特征的組合。再者，權(quán) 利要求書中的參考符號不應(yīng)解讀為是對其保護范圍的限制。
權(quán)利要求
一種用于響應(yīng)于入射輻射，在用于包含介質(zhì)內(nèi)的目標(biāo)成分的檢測體積內(nèi)提供倏逝輻射的光學(xué)設(shè)備，所述檢測體積具有至少一個小于衍射極限的面內(nèi)尺寸(W1)，所述衍射極限由該輻射波長和用于包含目標(biāo)成分的介質(zhì)定義；其中所述檢測體積配置有至少一個電介質(zhì)材料的壁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中該檢測體積的壁配置有電介質(zhì)材料層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中該電介質(zhì)材料具有1.0至1. 7的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中該電介質(zhì)材料選自包括聚(四氟乙烯)、Si02、 Si3N4, SiOxNy或其組合的群組，其中χ和y代表相對比例。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中該檢測體積定制為用于包含單個目標(biāo)分子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中至少一個該面內(nèi)檢測體積尺寸小于250nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，包括孔徑定義結(jié)構(gòu)，該孔徑定義結(jié)構(gòu)具有小于衍射極 限的最小面內(nèi)孔徑尺寸(W1’)并圍繞每個檢測體積。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的光學(xué)設(shè)備，其中所述孔徑定義結(jié)構(gòu)定義最大面內(nèi)孔徑尺寸W2；其 中所述最大面內(nèi)孔徑尺寸大于衍射極限。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的光學(xué)設(shè)備，其中所述孔徑定義結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于該載體上的金屬介質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，進一步包括由室壁定義的樣本室，用于包含含有該目 標(biāo)成分的介質(zhì)，該樣本室的至少一個室壁是由該光學(xué)設(shè)備形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，包括使用孔圖案化的頂透明電介質(zhì)層以提供所述檢 測體積，所述透明電介質(zhì)層定義與折射率大于頂電介質(zhì)層的下透明層的層界面，從而通過 在該層界面處和所述檢測體積內(nèi)的全內(nèi)反射來提供倏逝輻射。
12.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備的微電子傳感器，進一步包括用于發(fā)射入射在光學(xué)設(shè)備上的具有波長的輻射束的源；以及用于響應(yīng)于來自該源的所發(fā)射的入射輻射，檢測來自該光學(xué)設(shè)備內(nèi)檢測體積內(nèi)存在的 目標(biāo)成分的輻射的檢測器。
13.—種微電子傳感器，其中該源作為環(huán)形束而被提供，其中提供光學(xué)系統(tǒng)以將該束聚 焦朝向檢測斑點。
14.一種檢測光學(xué)設(shè)備的一個或多個檢測體積內(nèi)介質(zhì)內(nèi)的目標(biāo)成分的方法，該檢測體 積具有小于衍射極限的至少一個面內(nèi)尺寸(Wl)，該衍射極限由該輻射波長和用于包含目標(biāo) 成分的介質(zhì)定義，該方法包括發(fā)射入射在該光學(xué)設(shè)備上的具有波長的輻射束；響應(yīng)于入射在該光學(xué)設(shè)備的輻射，由該光學(xué)設(shè)備在該檢測體積內(nèi)提供倏逝輻射；響應(yīng)于所發(fā)射的入射輻射，檢測來自該檢測體積內(nèi)存在的目標(biāo)成分的輻射；以及由電介質(zhì)材料的至少一個直立壁界定所述一個或多個檢測體積。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中該介質(zhì)內(nèi)的目標(biāo)成分濃度被提供為與該檢測體積內(nèi) 的單個分子相當(dāng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中該倏逝輻射是由設(shè)置于該結(jié)合表面上的孔徑定義結(jié) 構(gòu)提供，該孔徑定義結(jié)構(gòu)具有小于衍射極限的最小面內(nèi)孔徑尺寸(W1’)和大于衍射極限的 最大面內(nèi)孔徑尺寸W2 ；其中來自該源的入射輻射是R偏振的，即，具有與該孔徑的傳輸平面正交的電場的光。
17.—種制造載體的方法，包括在襯底上提供孔徑定義結(jié)構(gòu)，該孔徑定義結(jié)構(gòu)具有小于衍射極限的最小面內(nèi)孔徑尺寸 (Wl')和大于衍射極限的最大面內(nèi)孔徑尺寸W2并具有面外尺寸D ；用電介質(zhì)材料填充所述孔徑定義結(jié)構(gòu)，以在該孔徑定義結(jié)構(gòu)上提供頂層，該頂層從所 述結(jié)構(gòu)沿面外方向在基本上等于該面外尺寸D的距離上延伸；在該電介質(zhì)內(nèi)提供與該最大面內(nèi)孔徑尺寸橫切取向的狹縫圖案；以及 將該頂層回刻蝕到該面外尺寸D，從而在該孔徑定義結(jié)構(gòu)內(nèi)提供電介質(zhì)材料的直立壁， 用于提供被界定到小于衍射極限的最大面內(nèi)檢測體積尺寸(Wl)的一個或多個檢測體積， 該衍射極限由該輻射波長和用于包含目標(biāo)成分的介質(zhì)定義。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述目標(biāo)成分布置成與生物分子結(jié)合。
全文摘要
提供了一種用于檢測結(jié)合表面(12)附近的目標(biāo)成分(10)的微電子傳感器設(shè)備(100)，該設(shè)備包括用于發(fā)射入射在結(jié)合表面(12)的具有一波長的輻射束(101)的源(21)；位于結(jié)合表面(12)附近的光學(xué)結(jié)構(gòu)(11)，用于響應(yīng)于入射在結(jié)合表面(12)的輻射，在由結(jié)合表面(12)界定的且在從離開結(jié)合表面(12)到樣品室(2)內(nèi)的衰減長度上延伸的檢測體積(4)內(nèi)提供倏逝輻射；以及用于響應(yīng)于來自源(21)的所發(fā)射的入射輻射(101)，檢測來自檢測體積(4)內(nèi)存在的目標(biāo)成分(101)的輻射(102)的檢測器(31)，其中結(jié)合表面(12)配置有電介質(zhì)材料(3)的直立壁，用于提供一個或多個檢測體積(4)，該檢測體積被界定到小于衍射極限的最大面內(nèi)檢測體積尺寸(W1)，衍射極限由輻射波長和用于包含目標(biāo)成分(10)的介質(zhì)(2)定義。
文檔編號G01N21/64GK101952710SQ200880114706
公開日2011年1月19日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月5日
發(fā)明者C·R·M·德威茨, D·J·W·克倫德, E·M·H·P·范迪克, R·W·I·德博爾, R·彭特曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司