专利名称：具有包括光栅和偏振器的一维亚衍射极限的孔的生物传感器的制作方法
技术领域：
本申请涉及生物传感器领域，具体涉及使用孔光栅和偏振器的亚波长 生物传感器。
背景技术：
生物传感器技术在本领域是公知的。例如，2005年6月23日提交的标 题为"Luminescence sensors using sub-wavelength apertures or slits"的欧洲专 利申请No.05105599.4 (内部参考案号No. O00585EP1)公开了一种在流体 中工作的具有亚波长空间分辨率的生物传感器。简言之，光在至少一个横 向维度(dimension)小于衍射极限的孔上反射。这在孔内产生渐逝场，使 用该渐逝场来激发所包含的发光体。产生的发光从反射侧和非反射侧两者 上的孔发出，这导致激发辐射与非反射侧上的发光辐射分开。反射效应还 抑制了在孔的激发侧上产生的背景发光。
在前述专利申请中，使用一种类似的生物传感器，其采用狭缝阵列来 代替孔。在这种情况下，狭缝是第一横向(即，在狭缝的平面内)维度小 于衍射极限而第二横向维度大于衍射极限的孔。狭缝的优点在于对光的 抑制变得与偏振相关。在这种情况下，可以通过使用正确的偏振(电场基 本上平行于狭缝的第一横向维度)来抑制激发光，而大部分发光未被抑制， 这是因为它总体上没有被偏振。所得到的额外发光能够到达检测器。2005 年9月22日提交的标题为"Luminescence Sensor Comprising at Least Two Wire Grids"的欧洲专利申请No. 05198773.2 (内部参考案号No.00587EPl) 结合了两个位置大致彼此垂直的孔光栅。孔光栅的这种结合产生了具有孔 生物传感器优点的孔，同时又消除了孔的缺点。
然而，难于以合理的成本使上述专利申请中的生物传感器变得健壮。 因而，业界需要一种设计简单、成本低廉且又具有前述申请的生物传感器 的优点的生物传感器。
发明内容
公开了一种用于检测由至少一个发光体产生的发光辐射的方法和传感 器。在本发明中，公开了一种用于检测由至少一个发光体产生的发光辐射 的方法和传感器。在本发明中，生物传感器包括光栅(120)，其被限定
为孔的阵列，所述孔的第一维度小于激发光(102)在介质中的衍射极限， 并且所述孔的第二维度大于所述激发光(102)在介质中的衍射极限；偏振 器(115);以及发光体(117)，其位于选自下述组的体积内所述光栅(120) 的孔内的体积、狭缝的阵列(120)与偏振器(115)之间的体积、以及延 伸至所述偏振器(115)中的体积，其中所述光栅(120)的透射轴沿第一 方向延伸，所述偏振器(115)的透射轴沿第二方向延伸，所述第一方向和 所述第二方向基本上彼此垂直，其中，所述激发辐射(102)被偏振，使得 它基本上被所述至少光栅(120)和偏振器(115)中的一个抑制，并且基 本上不被所述至少光栅(120)和偏振器(115)中的另一个抑制。
图1A示出了根据本发明原理的生物传感器的第一示例性实施例的横 截面图1B示出了图1A所示的生物传感器的透视图； 图1C示出了根据本发明原理的生物传感器的顶视图； 图1D示出了图1C所示的生物传感器(在截面A-A处)的横截面图； 图2示出了根据本发明原理的生物传感器的第二示例性实施例的横截 面图3示出了根据本发明原理的生物传感器的第三示例性实施例的横截 面图；和
图4示出了根据本发明原理的生物传感器的第四示例性实施例的横截 面图；以及
图5示出了根据本发明原理的生物传感器的第五示例性实施例的横截 面图。
具体实施例方式
应该理解，这些附图仅用于说明本发明的原理，而不是按比例绘制的。 应该意识到，在全文中， 一直使用相同的附图标记来标识相应的部件，在 适当的地方，可能用参考字符对附图标记进行补充。
将参照具体实施例并参照特定附图描述本发明，但是，本发明不限于 此，而仅由权利要求限定。权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为 限制其范围。所描绘的附图仅是示意性的，而非限制性的。在附图中，放 大了某些元件的尺寸，并且为了说明的目的而并未按照比例绘制。本说明 书和权利要求中使用了术语"包括"，它并不是要排除其它元件或步骤。 当提到单个名词时，使用不定冠词或者定冠词，例如"一"或者"一个"， "该"，除非特别说明，其包括多个所述名词。
此外，在说明书和权利要求中，术语第一、第二、第三等等用于区分 相似元件，并非必然描述顺序或时序。应当理解，这样使用的术语在适当 情况下是可互换的，并且此处所描述的本发明的实施例能够以不同于这里 所描述或说明的其它顺序操作。
而且，在说明书和权利要求书中，术语顶部、底部、上方、下方等用 于说明的目的，并非必然描述相对位置。应当理解，这样使用的术语在适 当情况下是可互换的，并且此处所描述的本发明的实施例能够以不同于这 里所描述或说明的其它方位进行操作。
注意，不应该将权利要求中使用的术语"包括"解释为局限于后面列
出的装置；它不排除其它元件或步骤。从而，将其解释为指定所述特征、 整体、步骤或部件的存在，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、 整体、步骤或部件，或者其组合。因此，语句"包括装置A和B的设备"应 当不局限于仅由部件A和B组成的设备。对于本发明来说，这仅意味着设 备的相关部件为A和B。
图1A示出了根据本发明原理的生物传感器110的第一示例性实施例。 在该示例性实施例中，激发光102照射生物传感器110，该生物传感器IIO 包括偏振器115和孔光栅120。偏振器115和孔光栅120如此放置或定位， 使得它们各自的透射轴基本上相互垂直。
在该示例性实施例中，激发辐射或激发光102被偏振，使得它不会被偏振器115抑制但会被孔光栅120抑制。当通过反射实现了辐射102的抑 制时，最终的反射光束125被引导远离孔光栅120。发光体117包含在偏振 器115和孔光栅120之间。在一个实施例中，发光体117优选地附着到孔 光栅120。在另一个实施例中，发光体117附着到偏振器115的面对孔光栅 120的表面上。如所知道的，通常用发光体对所关注的分子进行标记，并且 所关注的分子附着到特定捕捉分子上，该特定捕捉分子存在于表面上。可 选地，利用辅助捕捉分子来检测附着的目标，其中用发光体对辅助捕捉分 子进行标记，并且辅助捕捉分子附着到固定不动的目标或者附着到部分游 离的捕捉分子上。发光体自身经由附着的目标或者检测分子间接地附着。 发光体可以是有机荧光团、量子点、化学发光分子或者电致发光分子。
来自光102的能量打到发光体117上时，产生全模式的发光，并且仅 一部分光被引向孔光栅120，而一部分光被引向偏振器115。这分别由图1A 的平面中的两个光束130和140表示。在这种情况下，光束140将遇到孔 光栅120，并且被传送到检测器(未示出)。在本发明的一个方面中，当偏 振器115是二向色偏振器时，光束130部分被吸收，而部分由偏振器115 透射。在本发明的另一方面中，当偏振器115是双折射层叠偏振器时，光 束130部分被反射而部分被透射。在这种情况下，被反射的部分光束130 增强了光束140的信号强度。
基于与吸收体相关的定向偏振，可以将孔光栅120和偏振器115选择 为二向色偏振器。例如，可以用二向色染料或者碘晶体来对聚乙烯醇材料
进行改性，以获得期望的特性。可以使用如美国专利申请No._(内
部参考案号No.NL031288)所论述的近晶偏振器(smectic polarizer)来产 生薄膜，在衬底上的数量级为2到6微米。由于它紧密交联，所以可易于 进行进一步的处理步骤，例如光刻步骤，以产生光栅偏振器。可选地，偏 振器115可以是反射偏振器，例如DBEF偏振器。这种偏振器是本领域公 知的，无需在此论述。参见例如美国专利No.5，094,788、 No.5，122，905和 No.5,122，906。
图1B示出了图1A所示的生物传感器110的透视图。在该示例图中， 示出了了发光体117的优选位置。另外示出了孔光栅120，它包括第二维度 (大于衍射极限)显著大于(这里示为从负无穷大延伸到正无穷大)第一
维度(小于衍射极限)的孔(缝隙、狭缝)。
图1C示出了根据本发明原理的生物传感器的顶视图。在该示例图中， 孔光栅120包括多个长方形形状的孔。每个孔的第一维度显著小于第二方 向。在这种情况下，将第一维度选择为小于激发光(102)的衍射极限，同 时将第二维度选择为大于激发光(102)的衍射极限。
图1D示出了图1C所示的孔光栅在截面A-A处的横截面图。该图示出 了如何在材料中蚀刻出孔以形成孔光栅120。还示出了位于孔的体积 (volume)内的发光体117。
图2示出了本发明的第二示例性实施例。在示出的这种情况下，交换 了孔光栅120和偏振器115的位置，并且激发光102由偏振器115抑制。 如前所述，发光体117位于孔光栅120和偏振器115之间，并且在本例中， 发光体117附着在偏振器115的表面，或者非常接近偏振器115的表面。
激发体积(即，激发光的强度高到足以产生可察觉的发光的体积)由 偏振器115中的吸收速率决定。其优点在于发出的发光增强，这是由于光 从孔光栅120向检测器反射。
在本发明的一个方面中，无论是图1A所示的实施例还是图2所示的实 施例，偏振器115所使用的二向色染料都具有窄的吸收带。可以如此选择 该吸收带，以使得它吸收激发光102的波长的能量，但是透射出发射光束 140的波长的能量。在这种情况下，光束140的强度可以得到进一步增强。
在本发明的另一方面中，偏振器层115可以包括对激发光102的波长 最优的四分之一波长薄膜、和由胆甾型网络(cholestericnetwork)组成的薄 膜。胆甾型网络选择性地反射光束102的未使用部分，并且透射出除了部 分反射光130之外的所有发出的光140。胆甾型网络的优点在于它具有非常 陡的反射带，从而可以区分出激发波长和发光波长。
图3示出了本发明的第三示例性实施例，其中在偏振器115和孔光栅 120之间引入了玻璃板310。
图4示出了本发明的第四示例性实施例，其中引入玻璃板410，使其与 孔光栅120接触。在这种情况下，孔光栅120 (至少)夹在偏振器115和玻 璃板410之间，并且形成了流动通道，通过该通道，可以将发光体117引 入到孔光栅120的缝隙之间。
图5示出了本发明的另一个示例性实施例，其中在与孔光栅120的缝 隙520相对应的区域内，对偏振器115进行蚀刻。本发明的这个实施例是 有利的，原因在于蚀刻所产生的额外体积510具有全激发功率，并且该额 外体积510可以通过改变蚀刻的深度来调节。
在本发明的另一方面中，可以选择性地包括附加的滤波器件，如偏振 器和/或附加的带通滤波器(未示出)。可以使用附加的偏振器和/或带通滤 波器来抑制背景光或者滤除激发波长和发射波长。
虽然这里已经显示、描述并指出了本发明的基本新颖性特征(同样适 用于优选实施例)，但是应该理解，本领域技术人员可以在不偏离本发明精 神的条件下对所描述的装置、所公开设备的形式和细节以及它们的操作做 出各种省略、替代和改变。
在此明确指出，基本上以相同方式执行基本相同功能从而获得相同结 果的这些部件的所有组合都落入本发明的保护范围内。还旨在并意图用所 述一个实施例的部件代替另 一个实施例的部件。
权利要求
1、一种发光传感器，包括光栅(120)，其被限定为孔的阵列，所述孔的第一维度小于激发光(102)在介质中的衍射极限，并且所述孔的第二维度大于所述激发光(102)在介质中的衍射极限；偏振器(115)；以及发光体(117)，其位于选自下述组的体积内所述光栅(120)的孔内的体积、狭缝的阵列与偏振器(115)之间的体积、以及延伸至所述偏振器(115)中的体积，其中所述光栅(120)的透射轴沿第一方向延伸，所述偏振器(115)的透射轴沿第二方向延伸，所述第一方向和所述第二方向基本上彼此垂直。
2、 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括 位于所述偏振器(115)与所述光栅(120)之间的玻璃板(310)。
3、 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括 与所述光栅(120)接触的玻璃板(410)。
4、 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括 蚀刻进所述偏振器(115)中的多个区域，所述多个区域对应于所述光栅(120)中的孔。
5、 根据权利要求4所述的传感器，其中所述蚀刻的深度是可变的。
6、 根据权利要求1所述的传感器，其中，当利用激发辐射(102)照 射所述传感器时，所述激发辐射(102)被偏振，使得它基本上被所述至少 光栅(120)和偏振器(115)中的一个抑制，并且基本上不被所述至少光 栅(120)和偏振器(115)中的另一个抑制。
7、 根据权利要求6所述的传感器，其中，所述激发辐射(102)被偏 振，使得它基本上被最远离所述激发辐射源的所述偏振器(115)抑制，并 且基本上不被最接近所述激发辐射源的所述光栅(120)抑制。。
8、 根据权利要求1所述的传感器，所述偏振器(115)具有顶面，其 中所述光栅(120)位于所述偏振器(115)的所述顶面上。
9、 根据权利要求1所述的传感器，其中，所述偏振器(115)具有用 于吸收已知波长的能量的吸收带。
10、 根据权利要求1所述的传感器，其中，所述偏振器(115)是四分 之一波长薄膜和胆甾型网络。
11、 一种用于检测发光辐射的方法，所述方法包括下述步骤 利用激发辐射(102)来照射发光传感器，其中所述发光传感器包括 光栅(120)，其被限定为孔的阵列，所述孔的第一维度小于激发光(102)在介质中的衍射极限，并且所述孔的第二维度大于所述激发光(102)在介 质中的衍射极限；偏振器(115);以及发光体(117)，其位于选自下述组的体积内所述光栅(120)的孔内 的体积、狭缝(120)的阵列与偏振器(115)之间的体积、以及延伸至所 述偏振器(115)中的体积，其中所述光栅(120)的透射轴沿第一方向延 伸，所述偏振器(115)的透射轴沿第二方向延伸，所述第一方向和所述第 二方向基本上彼此垂直，其中所述激发辐射(102)被偏振，使得它基本上 被所述至少光栅(120)和偏振器(115)中的一个抑制，并且基本上不被 所述至少光栅(120)和偏振器(115)中的另一个抑制。
12、 根据权利要求11所述的方法，其中所述激发辐射(102)基本上 不被所述光栅(120)抑制，但是基本上被所述偏振器(115)抑制。
13、 根据权利要求ll所述的方法，还包括检测所产生的发光辐射。
14、 根据权利要求ll所述的方法，其中所述传感器还包括位于所述偏振器(115)与所述光栅(120)之间的玻璃板(310)。
15、 根据权利要求ll所述的方法，其中所述传感器还包括 与所述光栅(120)接触的玻璃板(410)。
16、 根据权利要求ll所述的方法，其中所述传感器还包括-蚀刻进所述偏振器(115)中的多个区域，所述多个区域对应于所述光栅(120)中的孔。
17、 根据权利要求1所述的传感器，还包括选自下列组的滤波器件偏振器、偏振光束分光器和带通滤波器。
18、 根据权利要求ll所述的方法，其中所述发光传感器还包括 选自下列组的滤波器件偏振器、偏振光束分光器和带通滤波器。
全文摘要
公开了一种用于检测由至少一个发光体产生的发光辐射的方法和传感器。在本发明中，生物传感器包括光栅(120)，其被限定为孔的阵列，所述孔的第一维度小于激发光(102)在介质中的衍射极限，并且所述孔的第二维度大于所述激发光(102)在介质中的衍射极限；偏振器(115)；以及发光体(117)，其位于选自下述组的体积内所述光栅(120)的孔内的体积、狭缝的阵列(120)与偏振器(115)之间的体积、以及延伸至所述偏振器(115)中的体积，其中所述光栅(120)的透射轴沿第一方向延伸，所述偏振器(115)的透射轴沿第二方向延伸，所述第一方向和所述第二方向基本上彼此垂直，其中，所述激发辐射(102)被偏振，使得它基本上被所述至少一个光栅(120)和偏振器(115)中的一个抑制，并且基本上不被所述至少一个光栅(120)和偏振器(115)中的另一个抑制。
文档编号G01N21/63GK101341394SQ200680047776
公开日2009年1月7日 申请日期2006年12月11日 优先权日2005年12月20日
发明者D·J·W·克隆德, D·J·布勒尔, E·佩特斯, H·R·施塔伯特, M·范赫佩恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司