集成等离子激元感测装置和设备的制作方法
【专利摘要】集成等离子激元感测装置被单片集成并提供无标记检测(消除对使用萤光或吸收标记的使用)并现场监测每一个检测区域处的条件。集成等离子激元感测装置包括设置在单片集成图像传感器(102)上的等离子激元底板(104)。一个或多个等离子激元散射区域(302)和与等离子激元散射区域横向偏离的一个或多个等离子激元过孔区域(304)设置在等离子激元感测装置中。导向等离子激元模态(414)调节通过等离子激元底板到一个或多个底层图像传感器像素的动力传输。
【专利说明】集成等离子激元感测装置和设备
[0001]相关申请的交叉引用[0002]本申请在35U.S.C.§ 119(e)下主张2011年4月5日提出申请的美国临时专利申请N0.61/472，188和2011年4月5日提出申请的美国临时专利申请N0.61/472，154的权益，其中这些临时申请通过引用在此全文并入供参考。
【技术领域】
[0003]本发明涉及等离子激元传感器和光学传感器的领域，具体地涉及集成光谱等离子激元传感器装置、用于核苷酸和蛋白质分析的集成等离子激元生物传感器装置、以及集成等离子激元传感器，具体地，用于核酸和蛋白质分析的集成等离子激元微阵列装置。
【背景技术】
[0004]光谱计是用于在电磁光谱的一部分上测量光的特性的装置。测量的光的特性包括光的光强度和极化状态。独立变量通常是光的波长或光的光子能量的测量值。光谱计通常采用电磁能源、作为用于将光分散到检测器的光学干涉滤光器的诸如反射镜和光栅的各种光学装置、和检测作为波长的函数的光子能量或光强度的检测器。用于检测光特性的现有装置包括诸如电荷耦合装置(CCD)、CMOS有源像素传感器阵列或焦平面阵列的电子光电检测器。现有光谱计被发现在许多区域中使用，包括分析未知材料的成分。
[0005]用于表达剖面(expressing profiling)的微排列技术是公知的并且当前在染色体研究中被广泛使用。近年来，越来越多的兴趣已经集中在例如由Hacia等人所述的基于高密度核苷酸阵列和荧光分析对DNA芯片的研制。(G.Hacia, L.C.Brody, M.S.Chee.S.P.A.Fodor F.S.Collins in Nature Geneticsl4, Dec.1996)。这种技术的商业化不例中的一个已经是Affymetrix的“基因芯片”,其被研制以处理大量基因信息。Affymetrix技术依赖于光刻处理以在单个芯片上产生数千个检测区域。可选的技术包括自动定位和喷墨印刷，尽管这些技术在微阵列内获得稍微较小的检测区域密度。
[0006]对于共同使用的微阵列共来说，通常通过获取所关心的特定的生物物质或系统、提取其mRNA、并形成这种mRNA的荧光示踪cDNA副本来开始。这种示踪cDNA副本(通常称作目标)然后被杂交(hybridized)到含有由单串DNA(ssDNA)形成的网格或阵列的被称作探头的滑动装置，所述探头已经被安装或放置(即，不能移动)在该网格上的特定检测区域中。类似于普通杂交原理，目标将仅与其互补的探针杂交，即，在双串结构中核酸串往往与其互补物成对。因此，单串cDNA目标分子将在含有大量其它核酸分子的ssDNA的复杂混合物中找出其互补物。因此，核酸探针(例如，基因探针)检测方法专门用于DNA序列。影响两个互补DNA串的杂交或重新缔合(re-association)的因素包括温度、接触时间、盐浓度、基础对序列之间的不匹配度、和目标和探针序列的长度和浓度。假定最简单的程序，对附于诸如消化纤维或尼龙膜或玻璃板的固体表面上的固定探针分子执行杂交。
[0007]萤光标记通常以以下两种方式中的一种被添加给目标:
[0008]⑴当形成mRNA的cDNA副本时使用萤光核苷基料；或[0009](?)生物素化核苷酸首先被合并，然后施加萤光标记标识链亲和素，上述链亲和素将结合到生物素(S.Kohane^Microarrays for integrated genomics〃MIT Press, 2002)。
[0010]基于制造商的具体协议，对微阵列目标探针杂交处理通常发生持续多个小时。所有没有被杂交的对象然后被冲洗掉，并且用激光照射微阵列，并使用共焦显微镜扫描所述对象。数字图像扫描记录对应于具体探针物质的微阵列上每一个网格位置处的亮度水平。亮度水平与原始样品中的HiRNA的绝对数量有关，并通过延伸，基因的表达水平与该mRNA相关联。
[0011]DNA和蛋白质微阵列技术还没有被成功地发展到单片集成的单个芯片装置中，所述芯片装置便利且低成本地捕获、输送和解释信息。当前要理解的是术语“生物芯片”通常为具有检测区域阵列的玻璃载片，且每一个区域都包括具体的探针分子，这需要用于外部激光激发、光学信号的扫描和成像的复杂且笨重的设备。除了与该设备相关联的成本之外，还需要由被高度训练且熟练的技术人员来操作所述设备以确保采集的数据的无误差解释以及发现并修理故障。与生物芯片技术的现有情况相关联的成本和空间的限制当前阻止DNA和蛋白质分析在医院、床边护理和有限资源环境中的广泛使用。
[0012]在过去几年中，已经进行了一些努力以通过将生物芯片与相关联的激光激发和图像扫描设备集成在一起来减少生物芯片的成本和尺寸(Vo-Dinh等人2002年9月的美国专利 N0.6, 448, 064 中的"Integrated circuit biochip microsystem"; Duvenecket等人 2002 年 10 月的美国专利 N0.6，469，785 中的〃Optical detection device basedon semiconductor laser array〃;Bruno-Raimondi 等人在 2002 年 8 月的美国专利 N0.6,437, 345 中的"Sensing unit provided with separated detection lightguiding" ；Neuschafer 等人在 2000 年 6 月的美国专利 N0.6, 078, 705 中的"Sensorplatform and method for parallel detection of a plurality of analytes usingevanescently excited luminescence")。这些文献提出了一种集成电路生物芯片微系统，所述集成电路生物芯片微系统将激光器、检测器、聚焦光学和生物感测元件合并到单个微组件中。在微电子学中，这类集成通常被限定为混合集成，即，通过处理多个单独的基板/晶片然后切割出所述基板/晶片并将其微组装在一起而单独地制造单个元件。虽然相对于笨重的台式装置是有利的，但是这种混合集成生物芯片仍然缺少实际单片集成的成本和性能优点。另外，这些装置需要使用萤光标记，其中萤光标记不必要地使分析过程复杂化并且理想地应该在简单的床边装置(point-of-care )中应该被避免。
[0013]先前已经提出了一种使用光源以用于基于单片集成的介电波导部件确定分子识别事件的光电生物芯片传感器(Bazylenko等人的2010年8月3日的美国专利N0.7，768，650 中的〃Integrated circuit biochip microsystem")。虽然这种传感器通常会满足所使用的传感器的灵敏度要求，但是所述传感器的尺寸受限于所使用的介电波导部件中的衍射效果。这种传感器因此对于与小于数倍的硅基电子部件(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)电路)的集成没有吸引力。
[0014]没有显示与使用光源以确定具体的结合事件相关联的缺陷的激发是所谓的表面等离子极化激元或等离子激元模态激发，即金属-介电界面处的电磁激发。可以使用比同样频率的光量子的波长小得多的结构引导这些激发。例如从Walters等人在2009年12月 6 日的 Nature Materials 中的文章〃Asilicon-based electrical source of surfacePlasmon polaritons"中已知产生这种等离子激元的分离装置。这种等离子激元模态激发提供形成被构造成利用等离子激元源确定分子识别事件的方法和装置的可能性。
[0015]表面等离子激元谐振(SPR)测量系统可以用于检测与包括在所述系统中的SPR传感器相关联的样品的折射率的变化。传统的SPR测量系统包括通过通常包括棱镜的输入光程照射SPR传感器的外部光源。由SPR传感器反射的光传播通过输出光程并被检测器截获。光学路径通常包括望远镜、偏振器、声光偏转装置、及使SPR测量系统的复杂性增加(尤其当SPR传感器包括感测元件阵列时)的其它光学部件。为了容纳感测元件的阵列，输出光程包括将阵列中的每一个感测元件映射到检测器内的相应检测元件的成像系统。由于可以通过典型的成像系统获得的受限配准，成像系统可能会增加SPR测量系统的制造成本，并且可能会限制阵列中的感测元件的物理密度。从Bahl等人在2007年3月8日的US2007/0052049 中的〃Integrated Opto-electric SPR Sensor〃已知一种从通过支撑基板晶片从下面照射的光电SPR生物传感器。Bahl等人的生物传感器由于被蚀刻到基板中的棱柱连接结构而具有易脆性，并且由于引导设计的光线光学原理而具有受限的集成密度。
[0016]传统的SPR技术的进一步已知限制是其相对低灵敏度，所述灵敏度通常在10_3与10_5折射率单位(RIU)之间，尽管在一些情况下灵敏度可以被提高到10_6RIU。然而，用于现代要求生物化学应用来说，大约10_9RIU或更好的敏感度是必需的。因此，更先进的SPR技术已经被应用于生物化学传感器中。这种更先进的SPR技术基于古斯-汉欣(GH)效应的应用。在一些传感器中，GH效应小并且不能用于感测测量值。在其它传感器中，GH效应更加重要并用于提高消散波传播。例如从Potyrailo等人在2008年11月12日的US2008/0280374A1 中的"Methods and systems for detecting biological and chemicalmaterials on a submicron structured substrate〃中已知使用与等离子激兀模态激发相关联的GH效应现象的先进生物传感器。然而，这些建议的生物传感器没有被单片集成并因此需要用于对由萤光标记产生的光学信号进行扫描和成像的笨重且昂贵的外部设备。
【发明内容】
[0017]这里所述的主题包括集成等离子激元感测装置和用于所述集成等离子激元感测装置的相关联的测量设备以及制造所述集成等离子激元感测装置的实用并且成本有效的方法。在一些实施例中，这里所述的主题涉及可以提供无标记检测(消除对使用萤光或吸收标记的需要)检测和现场监测每一个检测区域处的条件的单片集成等离子激元感测装置。使用所述方法和装置，可以在依赖于确定分子识别事件的光学装置的分离元件微组件装置和单片集成光电生物芯片上实现成本/性能比降低，从而获得用于广泛使用用于测量涉及寡核苷酸、蛋白质和小分子的生物化学反应的廉价系统的方法。
[0018]在这里所述的实施例中，检测区域形成在一个或多个相互作用区域(即，表面等离子激元激发模与测试材料相互作用的区域)的表面上，使得等离子激元模态激发的电磁场与测试物质相互作用，其中所述区域包括第一金属层、第二金属层的等离子激元散射特征、和/或过孔区域中的第二金属层。在一些实施例中，检测区域包括通过共价或不共价相互作用束缚到上述能够与目标分子进行选择性的相互作用的金属的有机/无机分子/聚合体。
[0019]在这里所述的一个实施例中，用于测试物质的集成等离子激元感测装置包括多个检测区域和设置在单片集成图像传感器上的等离子激元底板。等离子激元底板包括至少一个等离子激元散射区域和至少一个等离子激元过孔区域，等离子激元散射区域包括第一金属层的至少一部分，等离子激元过孔区域包括第一金属层的至少一部分和在第一金属层上方的第二金属层的至少一部分，以及等离子激元过孔区域还包括在第一金属层的所述一部分与第二金属层的所述一部分之间的介电层。如这里所使用的，设置在单片集成图像传感器上的等离子激元底板表示通过以沉积步骤、光刻步骤、蚀刻步骤、压印光刻步骤和/或化学机械抛光(CMP)的顺序处理基板制造而成的集成等离子激元感测装置，所述集成等离子激元感测装置包括功能性图像传感器，例如诸如电荷耦合装置(CCD)的市场上可买到的图像传感器、包括雪崩光电二极管的光电二极管阵列、或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列，其中所述沉积步骤、光刻步骤、蚀刻步骤、压印光刻步骤和/或化学机械抛光(CMP)的顺序与涉及处理许多(两个或更多)基板然后使由这些基板制造而成的装置对准并连接在一起的混合集成相反。在另一个实施例中，图像传感器可以被实现为半导体薄膜光电检测器，并且在这种情况下，可以使用低成本非半导体基板(例如，玻璃基板)，从而使得与使用半导体基板相比该实施例具有潜在的更大的成本效率选择。半导体聚合物可以用作半导体薄膜材料。可选地，诸如GaN或非晶硅或多晶硅的无机半导体薄膜材料可以用作薄膜光电检测器。单片集成的理想特征在于可以使用光刻对准装置(即，在装置制造的初始阶段通过读取在基板上形成在预定位置的对准标记)使装置的部件相互对准。通过图像传感器的单片集成使用制造等离子激元底板的方法，其中所述等离子激元底板与底层图像传感器相容并且不会损害所述图像传感器的功能。例如，可以以不超过大约425摄氏温度的温度实施该过程，并且刻蚀过程可以被设计成减少侵蚀用于接触图像传感器的现有电极。
[0020]在进一步的实施例中，等离子激元散射区域包括多个等离子激元散射特征和/或等离子激元过孔区域包括多个等离子激元散射特征。这些特征被设计成引导等离子激元模态激发的传播并且可以通过模拟与可以以微波和射频(“RF”)频率控制电磁波的分布式天线阵列有关。控制等离子激元模态激发的等离子激元散射特征与控制电磁波的传播的天线阵列的结构之间的不同是等离子激元散射特征的更小尺寸(通常为次微米)，与相比于微波或RF电磁波的波长要被引导的等离子激元模态激发的更短的实际波长成比例。另一个不同在于在高频率(通常为数百太赫兹)下材料的修改的线性响应，如通常由复数频率相关介电常数所述。在设计这种等离子激元散射特征的结构时，可以使用基于公开数据(例如，"Handbook of optical constants of solids III"，edited by EdwardD.Palik, Academic Press, (1998).)或基于测量值(例如，使用如现有技术已知的薄膜变角光谱椭偏仪测量的值)接近设计频率下的频率相关介电常数的模型。使用这种模型，可以使用已知有限差或有限积分技术和通过特征几何结构和布置几何结构中的变化修改的特性在两个或三个空间尺寸中模拟等离子激元模态激发的传播。
[0021]例如，当在入射光的波长为大约780纳米、入射角大约为50度时试图通过等离子激元底板进行到底层图像传感器的动力传输时，等离子激元散射区域中的等离子激元散射特征的排列可以包括在具有80纳米的典型的最近相邻间距的正方形3X3网格上具有160纳米的直径和50纳米的高度九个圆柱形金特征，而等离子激元过孔区域中的等离子激元散射特征的排列可以包括在具有160纳米的典型的最近相邻间距的正方形3X3网格上具有80纳米的直径和50纳米的高度九个圆柱形金特征，并且当等离子激元底板还包括由100纳米的二氧化硅形成的介电中间层时，入射光沿着等离子激元散射特征的正方形3X3网格排列的行或列被偏振。一般来说，等离子激元散射特征的排列可以是周期性的、准周期性的或非周期性的，并且可以包括一个或多个等离子激元散射特征。
[0022]在公开的主体的又一个实施例中，等离子激元散射区域的等离子激元散射特征由与第二金属层相同的材料形成，所述材料通常为金、银、铝、铜或其合金。例如，当第二金属层是金时，图案化步骤可以在等离子激元散射区域中同时产生金等离子激元散射特征的排列。与使用两个金属喷镀处理以单独形成等离子激元过孔区域的第二金属层和等离子激元散射区域中的等离子激元散射特征的制造过程相比较，这提供了一种简化的制造过程流。使用该技术，等离子激元散射特征由与第二金属层相同的材料形成，并具有类似于第二金属层的厚度的特征厚度。
[0023]在又一个实施例中，等离子激元散射特征具有选自由圆形、正方形、椭圆形和矩形构成的组的覆盖区(footprint)。这些形状可以例如使用如由Ferry等人在2010年6月21的 Optics Express, Vol.18 中的文章 〃Light trapping in ultrathin plasmonic solarcells"中所述的压印光刻技术被形成。等离子激元散射特征的纵横比(特征高度与特征宽度)可以为3:1，但是优选地小于I。
[0024]在又一个实施例中，等离子激元过孔区域的等离子激元散射特征由与第一金属层相同的材料形成，所述材料通常为金、银、铝、铜或其合金。例如，当第一金属层是金时，图案化步骤可以在等离子激元过孔区域中同时产生金等离子激元散射特征的排列。与使用两个金属喷镀处理以单独形成等离子激元散射区域的第一金属层和等离子激元过孔区域中的等离子激元散射特征的制造过程相比较，这提供了一种简化的制造过程流。使用该技术，等离子激元散射特征由与第一金属层相同的材料形成，并具有类似于第一金属层的厚度的特征厚度。
[0025]在进一步的实施例中，等离子激元散射区域包括束缚到第一金属层的金属纳米颗粒，和/或等离子激元散射 区域包括束缚到第二金属层的等离子激元散射特征的金属纳米颗粒，和/或等离子激元过孔区域包括束缚到第二金属层的金属纳米颗粒。在金属纳米颗粒中，入射电磁波可以耦合到金属的导电电子，从而激发局部化表面等离子激兀，例如由 Raether 在 Springer Tracts in Modern Physics.1988; 111: 1-133 中的^Surface-plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings〃所述。例如，具有比光的波长小得多的半径的金和银纳米颗粒通过激发、吸收和可以大于颗粒的物理横截面的数量级的散射横截面强烈地散射可见光。相应地，与入射电磁场相比较，可以显著地增强颗粒周围的局部场。等离子激元纳米颗粒的具体吸收和散射特性取决于其尺寸、形状、成分、和电荷密度以及周围介质的折射率。纳米颗粒等离子激元共振对局部介电环境的依赖性先前已经被用于生物分子检测应用，如由Lai等人在Nature Photonics.2007; 1:641-8中的文章〃Nano-optics from sensing to waveguiding.〃中所述。类似地，具有几纳米的颗粒间距离的纳米颗粒二聚物对已经用于核苷酸杂交事件的检测，如由Sonnichsen等人在 Nature Biotechnology.2005; 23 (6): 741-5 的文章"A molecular ruler based onplasmon coupling of single gold and silver nanoparticles.〃 中所述。当等离子激元散射区域包括束缚到第一金属层的金属纳米颗粒时，所述几何结构类似于导电片上方的点偶极子-电磁问题形式上等效于由静电范围内的两个偶极子形成的系统:初始纳米颗粒和其“图像”电荷或颗粒，如由Le等人在Nano Letters.2005; 5 (10):2009-13中的文章〃Plasmons in metallic nanoparticIe-FiIm system as a tunable impurity problem.〃中所述。因此，束缚到第一金属层的金属纳米颗粒形成在特性上类似于纳米颗粒二聚物系统的系统，但是具有制造过程相容性和规模性的增加的优点。可以选择第一金属层的厚度以支持膜与颗粒之间被强烈局部化的电磁耦合，从而感生天线式响应。类似地，可以选择可以为金纳米颗粒的纳米颗粒的直径以大到足以以高反照率产生强偶极散射且小到足以抑制高阶四极共振。由金属纳米颗粒与第一金属层之间的间距的变化导致的散射效率的大变化可以容易地用于通过导致等离子激元底板的整个透射效率的变化来检测DNA杂交事件。
[0026]在又一个实施例中，等离子激元散射区域包括束缚到第一金属层的发光催化剂，和/或等离子激元散射区域包括束缚到第二金属层的等离子激元散射特征的发光催化剂，和/或等离子激元过孔区域包括束缚到第二金属层的发光催化剂。发光催化剂可以包括诸如荧光素酶系统的酶生物发光系统、诸如量子点系统(例如，CdSe量子点)的荧光系统、有机荧光团系统(例如，荧光素)、萤光蛋白质系统(例如，绿色萤光蛋白质(GFP))、或诸如辣根过氧物酶的化学发光系统。可以优化等离子激元底板的设计以用于在所使用的发光催化剂系统的激发和/或去激发频率下进行操作。例如，可以选择等离子激元散射特征的尺寸和排列从而以发光催化剂系统的去激发频率将功率有效地传递通过等离子激元底板，同时以激发频率拒绝功率。在另一个示例中，可以选择等离子激元散射特征的尺寸和排列以增强发光催化剂的位置处的局部电磁场强度。
[0027]在这里所述的主题的第二方面中，提供了一种制造集成等离子激元感测装置的方法，所述方法包括以下步骤:清洁或以其它方式制备图像传感器基板；使用光刻步骤、沉积步骤、抛光和/或蚀刻步骤的顺序形成图案化金属层；使用光刻步骤、沉积步骤、和/或蚀刻步骤的顺序形成图案化介电中间层，然后使用光刻步骤、沉积步骤、抛光和/或蚀刻步骤的顺序形成第二图案化金属层。在该方法中，等离子激元散射区域和等离子激元过孔区域以及任意等离子激元散射特征可以相互对准。所述方法可以还包括以下步骤:(i)在图像传感器上形成第一金属层；(ii)在第一金属层上形成介电层；(iii)在介电层上形成第二金属层；和(iv)在第一金属层和第二金属层中形成多个等离子激元散射特征。然后可以从基板切割出各个装置并将该各个装置线结合成组件。可以在使用之后设置整个封装装置。
[0028]在这里所述的主题的第三方面中，提供了一种测试物质的方法，所述方法包括以下步骤:将物质设置在包括集成图像传感器和等离子激元底板的集成等离子激元感测装置的检测区域上；接收到达物质上的入射光；及时地改变照射条件，所述照射条件包括极化状态、入射角、波长和照射强度中的一个或多个；检测通过底板传输到图像传感器的能量；根据传输的能量产生图像传感器信号；以及基于从图像传感器接收到的信号确定在检测区域处分子识别事件的发生。可以使用单个一次性集成等离子激元感测装置以及适当的照射设备实施这种方法。
[0029]当使用这里所述的类型的包括多个检测区域的等离子激元感测装置实施这里所述的方法时，所述方法可以有利地允许根据由图像传感器接收到的含有关于每一个检测区域处的分子识别的状态的信息的信号对每一个区域处的条件进行单独监测。包含在由图像传感器接收到的信号中的信息可以由折射率的变化或由萤光标记发射的光强度的变化或由吸收标记产生的衰减的变化而得到。[0030]这里所述的方法的又一个特征在于在将物质设置在检测区域之前检测区域可以经历单独的测试。测试数据可以被存储并用于解释在分子识别期间由相应的检测区域接收到的信息以减小确定分子识别事件时的误差。在测试和监测过程期间，可以以某一频率调节照射强度，然后以所述频率过滤出电输出信号以提高信噪比。
[0031]检测步骤还可以包括基于在图像传感器处接收到的信号由分子识别事件导致的所述信号的变化进行现场检测。例如，在图像传感器处接收到的信号可以源自由包括下述多种机理修改的照射光:与分子识别事件相关联的折射率变化、与分子识别事件相关联的发光、或与分子识别事件相关联的吸收。
[0032]通过监测由单片集成图像传感器接收到的信号，可以在分子识别过程期间重复测量整个检测区域，直到在图像传感器信号中不再观察到进一步的变化为止，其中在图像传感器信号中不再观察到进一步的变化对应于检测区域处的稳态条件。该允许将每一个检测区域处的分子识别条件单独地作为时间以及照射条件的函数来监测。
[0033]这里所述的集成等离子激元感测装置的实施例可以在测试完成之后被设置为单个装置，从而避免了可能会变成当必须重新使用微组件装置的特定部件时(例如，当仅微阵列部分被设计成一次性的时)的问题的交叉污染的风险。
[0034]根据本描述的集成等离子激元感测装置还可以包括与多个检测区域流体连通以用于输送测试物质的流体室。该室可以包括用于使测试液体沿着多个检测区域流动的泵送装置。该流体室还可以通过适当的处理步骤与集成等离子激元感测装置单片集成。在一个可选方案中，该集成流体室可以由微压印或成型聚合物层制成。
[0035]在用于确定分子识别事件的技术中，根据本说明书的等离子激元电磁场检测方法具有等离子激元模态激发仅与靠近等离子激元波导表面的探针目标分子结构相互作用的优点。
[0036]在这里所述的等离子激元感测装置和方法的一些应用中，使用萤光标记。在该背景中，集成等离子激元感测装置的另一个实施例允许测试被一个或多个萤光标记所标记的物质。在这种集成等离子激元感测装置中，等离子激元散射特征被调谐到相应萤光标记的激发波长，和/或图像传感器的检测器被调谐到相应萤光标记的激发或发射波长。如先前所述的，可以例如通过调节材料成分、几何结构、或各个等离子激元散射特征的排列来实现波长调谐。当照射波长变化时，可以在相同的检测区域中使用在不同波长下具有吸收谱带和发射谱带的多于一个的萤光标记。
[0037]其它实施例使用与萤光标记相反的吸收标记。根据这些实施例，吸收标记附到测试物质的分子。可以在相同的相互作用区域中使用在不同波长下具有吸收谱带的吸收标记。还可以使用在不同波长下具有吸收谱带的多于一种的吸收标记。在相互作用区域中传播的等离子激元模态激发的电磁场与附于在相互作用区域附近通过共价或不共价相互作用结合的目标分子的吸收标记相互作用，从而使得传输通过等离子激元底板的等离子激元模态激发的强度与通过共价或不共价相互作用结合的目标分子的量成比例地减小。这种强度减小可以在图像传感器处被记录为强度减小。
[0038]可以有益的是在确定分子识别事件中消除对标记(例如，萤光或吸收剂标记)的使用。可以通过记录由分子识别事件产生的折射率的变化来实现这种无标记识别检测。根据这些实施例，与在相互作用区域处所结合的目标分子层相互作用的等离子激元模态激发的电磁场改变相互作用区域附近的有效折射率，从而修改所支持的等离子激元模态的有效波长或传播常数。这里所述的多个实施例通过将与无标记识别事件相关联的折射率的变化平移(或转换)到与图像传感器上的相互作用区域去耦的等离子激元模态激发强度的变化来检测将与无标记识别事件相关联的折射率的这种变化。
[0039]为了减少由于在无标记识别状态的现场监测期间温度的波动导致的噪声，每一个检测区域还可以包括一个或多个参考相互作用区域，所述一个或多个参考相互作用区域与用于监测无标记识别事件的相互作用区域完全相同但是没有表面结合目标分子。通过使用一个或多个参考相互作用区域，由检测区域的温度或芯片总体的温度产生的折射率的变化可以与由无标记识别事件产生的折射率的变化分离开。在所有相关实施例中，可以以某一频率调节照射源的强度，并然后从相对应的图像传感器信号过滤出该频率以提高每一个检测区域处的信噪比。另外，当使用萤光标记时，这种调节可以提供关于特征萤光衰减时间的信息，所述信息又可以提供关于分子识别过程的额外信息。
[0040]在又一个实施例中，等离子激元感测装置包括设置在单片集成图像传感器上的等离子激元底板。等离子激元底板具有包括第一金属层的至少一部分的等离子激元散射区域。等离子激元底板还具有等离子激元过孔区域，所述等离子激元过孔区域包括第一金属层的至少一部分、第一金属层上方的第二金属层的至少一部分、和第一金属层的所述一部分与第二金属层的所述一部分之间的介电层。根据这些实施例，等离子激元散射区域的至少一部分不与等离子激元过孔区域重叠。换句话说，等离子激元散射区域与等离子激元过孔区域横向偏离。
[0041]制造前段中所述类型的等离子激元感测装置的方法包括以下步骤:在图像传感器上形成第一金属层；在第一金属层上形成介电层；以及在介电层上形成第二金属层。根据所述方法，多个等离子激元过孔形成在第一金属层中，并且多个等离子激元散射特征形成在第一金属层和第二金属层中。第二金属层中产生的等离子激元散射特征中的至少一些没有与多个等离子激元过孔中的任一个重叠。
[0042]其它实施例涉及确定入射光的特性的方法，所述方法包括以下步骤:接收到包括集成图像传感器和等离子激元底板的等离子激元感测装置上的入射光。等离子激元底板设置在单片集成图像传感器上，并且包括具有等离子激元散射区域和等离子激元过孔区域的等离子激元底板。等离子激元散射区域包括第一金属层的至少一部分，而等离子激元过孔区域包括第一金属层的至少一部分和在第一金属层上方的第二金属层的至少一部分，且介电层在第一金属层的所述一部分与第二金属层的所述一部分之间。在这些实施例中，等离子激元散射区域的至少一部分不与等离子激元过孔区域重叠。所述方法还包括以下步骤:改变入射光的照射条件，并在横向方向上将等离子激元模态从等离子激元散射区域引导到等离子激元过孔区域。检测通过等离子激元过孔区域传输到图像传感器的能量，并且根据检测到的能量产生图像传感器信号。检测该图像传感器信号，并且使用图像传感器信号确定入射光的特性。
[0043]这里所述的主题还涉及廉价、一次性传感器装置，所述传感器装置可以直接连接到计算机并且可根据操作该传感器装置所需的成本和技术应用于临床环境。为此，这里所述的实施例通过在检测分子识别事件中消除对萤光标记的使用的需要和/或消除冲洗步骤来简化DNA和蛋白质分析过程。另外，为了研究和诊断目的以及减少确定分子识别事件时可能的误差，这里所述的实施例能够在分子识别期间对每一个测量区域处的条件进行连续监测。
[0044]这里所述的主题包括单片集成等离子激元传感器装置及其制造的实际且成本有效的方法。在一些实施例中，这里所述的主题涉及可以提供无标记检测(消除对使用萤光或吸收标记的需要)检测和现场监测每一个检测区域处的条件的等离子激元传感器。使用所述方法和装置，可以在依赖于确定分子识别事件的光学装置的分离元件微组件装置和单片集成光电生物芯片上实现成本/性能比降低，从而获得用于广泛使用廉价的一次性DNA和蛋白质芯片的方法。在示例性实施例中，等离子激元感测装置可以是生物芯片。
[0045]在这里所述的实施例中，用于测试生物或非生物物质的传感器包括上述多个等离子激元感测装置。例如，根据实施例这里所述，用于测试生物物质的传感器包括多个测量区域、被构造成确定每一个测量区域处的分子识别事件的等离子激元装置，其中多个测量区域和等离子激元装置被单片集成到单个芯片中，所述单个芯片被供电并响应于每一个测量区域处的分子识别事件产生电信号。如这里所使用的，术语”单片集成芯片”表示通过以与混合集成化相反的顺序的沉积步骤、光刻步骤、蚀刻步骤、压印光刻步骤、和/或化学机械抛光步骤的顺序在基板上进行处理被制造而成的芯片，其中所述混合集成化涉及处理许多(两个或更多个)基板然后将从这些基板制造而成的芯片对准并连接在一起。单片集成的另一个特征在于使用光刻对准装置(即，在芯片制造的初始阶段通过读取在基板上形成在预定位置中的对准标记)使芯片的所有部件相互对准。
[0046]传感器可以被布置成使得在整个多个测量区域上连续产生响应于每一个测量区域处的分子识别事件的电信号，使得每次仅监测一个测量区域。在分子识别过程期间可以重复整个测量区域的各个测试的这种顺序，直到检测不到测量区域处的条件的进一步变化为止。这允许将每一个测量区域处的分子识别条件单独地作为时间函数来监测。这种单独测试还减小从一个测量区域到另一个测量区域的串扰，以及减小普遍噪声下限或背景强度水平。
[0047]这里所述的单片集成传感器的实施例可以在测试完成之后被设置为单个装置，从而避免了当必须重新使用微组件装置的特定部件时(例如，当仅微阵列部分被设计成一次性的时)可能会变成问题的交叉污染的风险。
[0048]在这里所述的单片集成传感器的实施例中，可以通过表面等离子激元极化激元(“等离子激元源”)的多个电驱动源和多个光电检测器实施确定分子识别事件。例如，一个等离子激元源和一个光电检测器可以与每一个测量区域相关联。可选地，多于一个的等离子激元源和/或多于一个的光电检测器可以与每一个测量区域相关联，一个等离子激元源可以与多于一个的光电检测器相关联，或多于一个的等离子激元源可以与一个光电检测器相关联。另外，多于一个的测量区域可以与一个光电检测器相关联。
[0049]包括等离子激元源的传感器还可以包括连接到多个测量区域以用于输送测试生物物质的流体室。该室可以具有用于使测试液体沿着多个测量区域流动的泵送装置。该流体室还可以通过适当的处理步骤与传感器单片集成。在一个可选方案中，该集成流体室可以由微压印或成型聚合物层制成。
[0050]为了能够控制和监测每一个测量区域处的条件，传感器还可以包括用于单独地控制多个等离子激元源内的每一个等离子激元源的多个第一电动控制装置和用于单独地控制多个光电检测器内的每一个光电检测器的多个第二电动控制装置。这种电动控制装置可 以包括用于将驱动电流输送给等离子激元源并从光电检测器接收电信号的多个电极。这些 电极可以被实施为多层涂敷金属，且中间层介电层在金属层之间，位于彼此顶部。如果需 要，可以使用适当的平坦化步骤以确保多层涂敷金属堆的平坦(平坦化)精加工表面。
[0051]对于作为用于确定分子识别事件的装置的包括多个等离子激元源和多个光电检 测器的传感器来说，存在可以实现所述传感器的多个实施例。在第一这种实施例中，传感器 可以被制造在半导体(例如，硅)基板上，并且光电检测器可以形成在所述基板上。在这 种情况下，光电检测器可以被形成为电荷耦合装置(CCD)、包括雪崩光电二极管的光电二极 管、或如互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。在第二实施例中，光电检测器可以被实现 为半导体薄膜光电检测器，并且在这种情况下，可以使用低成本非半导体基板(例如，玻璃 基板)，从而使得与使用半导体基板相比，该实施例具有潜在的更大的成本效率选择。半导 体聚合物可以用作半导体薄膜材料。可选地，诸如GaN或非晶硅或多晶硅的无机半导体薄 膜材料可以用作薄膜光电检测器。
[0052]类似于以上相对于光电检测器所述的实施例，等离子激元源还可以在半导体基板 (例如，硅)或低成本非半导体基板(例如，玻璃基板)上被实施。例如，有机等离子激元发 射二极管可以被实施为如由Koller等人在2008年9月28日中的Nature Photonics中的 文章〃Organic plasmon-emitting diode〃中所述的等离子激元源。在用于确定分子识别 事件的技术中，等离子激元电磁场方法方法可以具有等离子激元模态激发仅与靠近等离子 激元波导表面的探针目标分子结构相互作用的优点。
[0053]在本公开的保护范围内，等离子激元模态激发相互作用区域(“相互作用区域”) 通常在等离子激元底板上与等离子激元源单片集成，而等离子激元底板又与光电检测器单 片集成。测量区域形成在一个或多个相互作用区域的表面上，使得等离子激元模态激发的 电磁场与测试生物物质相互作用。该相互作用区域由诸如金、银、铜、铝、或这些材料的合金 的纳米结构金属制成。测量区域包括通过共价或不共价相互作用束缚到上述能够与目标分 子进行选择性的相互作用的金属的有机/无机分子/聚合物。
[0054]在一些传感器应用中，需要使用多于一个的萤光标记。在该背景下，传感器的另一 个实施例允许测试被一个或多个萤光标记标记的生物物质。在这种传感器中，存在与每一 个相互作用区域相关联的多于一个的等离子激元源和/或与每一个相互作用区域相关联 的多于一个的检测器。与每一个相互作用区域相关联的等离子激元源和/或光电检测器可 以以不同的波长操作。等离子激元源可以被调谐到相应萤光标记的激发波长，并且检测器 可以被调谐到相应萤光标记的发射波长。可以例如如先前所述的通过调节各个等离子激元 源和光电二极管的材料成分或通过调节等离子激元模态激发过滤区域的几何结构和/或 密封介电层来实现波长调谐。
[0055]其它实施例使用与萤光标记相反的吸收标记。根据这些实施例，吸收标记附到在 测试的生物物质的分子。可以在相同的相互作用区域中使用在不同波长下具有吸收谱带的 吸收标记。还可以使用在不同波长下具有吸收谱带的多于一种的吸收标记。在相互作用区 域中传播的等离子激元模态激发的电磁场与附于在相互作用区域附近通过共价或不共价 相互作用结合的目标分子的吸收标记相互作用，从而使得传输通过相互作用区域的等离子 激元模态激发的强度与通过共价或不共价相互作用结合的目标分子的量成比例地减小。强度的这种减小被光电检测器接收到并用于确定相互作用区域处的分子识别事件。
[0056]在一些实施方式中，有益的是在确定分子识别事件时消除对标记(例如，萤光或 吸收剂标记)的使用。可以通过记录由分子识别事件产生的折射率的变化来实现这种无标 记识别检测。与在相互作用区域处结合的目标分子层相互作用的等离子激元模态激发的电 磁场改变相互作用区域附近的有效折射率，从而修改所支持的等离子激元模态的有效波长 或传播常数。这里所述的多个实施例通过将与无标记识别事件相关联的折射率的变化转化 为与光电检测器上的相互作用区域去耦的等离子激元模态激发强度的变化来检测将与无 标记识别事件相关联的折射率的这种变化。
[0057]为了减少由于在分子识别的状态的现场监测期间温度的波动导致的噪声，每一个 区域还可以包括一个或多个参考相互作用区域，所述一个或多个参考相互作用区域与用于 监测无标记识别事件的相互作用区域完全相同但是没有表面结合目标分子。通过使用一个 或多个参考相互作用区域，由测量区域的温度或芯片总体的温度产生的折射率的变化可以 与由无标记识别事件产生的折射率的变化分离开。
[0058]为了更好地利用由等离子激元源发射的等离子激元模态激发，等离子激元源可以 在包括如上所述的另外的参考相互作用区域的多个相互作用区域之间被共用。在这种情况 下，在一些实施例中，虽然不需要，但是相互作用区域和参考相互作用区域可以关于等离子 激元源对称布置。
[0059]在一些实施方式中，多个测量区域内的不同测量区域需要不同的分子识别条件。 因此，进一步的实施例还提出了一种具有用于控制每一个测量区域处的分子识别条件的多 个电极的传感器。这种电极可以通过多级金属喷镀方法以多层布置并且可以在制造期间被 装入到结构中。电极可以用于将电压施加到测量区域以增强分子识别或/和减少不期望的 相互作用，例如通过施加电场除去非特定结合分子。如果电极被布置成薄膜加热器的形式， 则通过这些电极驱动的电流可以用于单独地控制每一个测量区域处的温度。
[0060]为了有助于对每一个测量区域、等离子激元源、相互作用区域、或光电检测器的控 制，一个或多个晶体管可以形成在每一个测量区域、等离子激元源、相互作用区域、或光电 检测器处。如果使用硅基板，则使用CMOS技术形成这种晶体管。
[0061 ] 可选地，这些晶体管可以例如在非晶态硅中被形成为薄膜晶体管，并装入传感器 结构中。
[0062]在所有相关实施例中，可以以某一频率调节由等离子激元源发射的等离子激元模 态激发的强度，并然后从相对应的光电检测器信号过滤出该频率以提高每一个测量区域处 的信噪比。另外，当使用萤光标记时，这种调节可以提供关于特征萤光衰减时间的信息，所 述信息又可以提供关于分子识别过程的额外信息。
[0063]在这里所述的主题的另一方面中，提供可一种制造传感器的方法，所述方法包括 以下步骤:形成相互作用区域、等离子激元源、和光电检测器、以及用于确定分子识别事件 的任何辅助装置，其中所述等离子激元源、光电检测器、相互作用区域和用于确定分子识别 事件的辅助装置通过以蚀刻和沉积步骤的顺序处理单个平坦基板被制造而成。在这些方法 中，等离子激元源、检测器、相互作用区域和用于确定分子识别事件的任何辅助装置可以被 相互对准。所述方法还可以包括以下步骤:(i)形成多个第一电极；(ii)形成至少一个半 导体层；(iii)形成多个第二电极；(iv)形成至少一个相互作用区域；(v)形成等离子激元模态散射区域；以及(Vi)在相互作用区域的表面上形成多个测量区域。然后可以从基板切 割出单个传感器并将所述单个传感器线结合到组件中。在使用之后可以设置整个封装传感 器。
[0064]在这里所述的主题的另一方面中，提供了一种测试生物或非生物物质的方法，所 述方法包括以下步骤:在多个测量区域上设置所述物质；以及检测分子识别事件在每一个 测量区域处的发生。所述方法可以使用单个一次性传感器，所述传感器被电驱动并响应于 每一个测量区域处的分子识别事件产生电信号。所述方法可以有利地允许每一个测量区域 处的条件的单独监测。这种监测可以包括每一个相互作用区域处等离子激元模态激发的顺 序生成、等离子激元模态激发与生物物质的相互作用、和等离子激元模态激发到电信号的 转换，所述电信号含有关于每一个测量区域内的一个或多个相互作用区域中的每一个处的 分子识别的状态的信息。该信息可以由折射率的变化、或由通过萤光标记发射的光强度的 变化、或由通过吸收标记产生的衰减的变化获得。
[0065]这些方法的进一步有利特征在于在设置生物物质之前的相互作用区域可以经历 单独的测试。测试数据因此可以被存储和用于解释在分子识别期间从相应的相互作用区域 接收到的信息以减小在确定分子识别事件时的误差。在测试和监测过程中，可以以某一频 率调节来自每一个等离子激元源的输入等离子激元模态激发，并然后以所述频率过滤出电 输出信号以提高信噪比。
[0066]根据这里所述的实施例形成的传感器包括响应于每一个测量区域处的入射光支 持表面等离子激元激发的变化的多个测量区域。传感器还包括多个光电检测器，且每一个 光电检测器通过能够支撑导向的等离子激元的等离子激元过孔连接到一个或多个测量区 域。这些传感器的多个测量区域和多个光电检测器被单片集成并形成能够响应于每一个测 量区域处的分子识别事件产生电信号的传感器。在具体的实施例中，光电检测器采用形成 在半导体基板中并且测量区域形成位于流体室与光电检测器之间的等离子激元底板的一 部分的图像传感器的形式。在一些实施例中，测量区域与一个或多个光电检测器横向偏离 并通过等离子激元过孔连接到所述一个或多个光电检测器。当采用流体室时，所述流体室 形成在等离子激元底板上，并且至少是半透明的以允许被引导通过流体室的入射光接触多 个测量区域。根据其它实施例，测量区域可以包括用于测试的生物或化学物质的分子识别 的束缚分子。
[0067]上述传感器可以通过提供包括多个光电检测器的基板并将等离子激元底板单片 形成在多个光电检测器中的至少一些上的方法被制造而成。形成的底板支撑由第一介电层 和第一金属层限定的等离子激元散射特征。制造方法还包括限定将等离子激元散射特征连 接到多个光电检测器的等离子激元过孔的步骤。根据这些方法，流体室可以形成在等离子 激元底板上，并且光电检测器可以通过等离子激元过孔连接到测量区域。根据这些方法，测 量区域可以与光电检测器横向偏离并通过等离子激元过孔连接到光电检测器。
[0068]在根据本公开的制造传感器的方法的具体示例中，提供了一种具有多个光电检测 器的图像传感器，并且该图像传感器被涂有介电材料。介电材料被压印以在涂有金属的介 电材料中形成多个特征，从而至少部分地形成具有多个测量区域的等离子激元底板，且每 一个测量区域都具有等离子激元散射特征。所述方法还包括以下步骤:限定将等离子激元 散射特征连接到图像传感器的多个光电检测器的等离子激元过孔。[0069]将要理解的是如果这里提到了任何现有技术公开出版物，则这种引用不会构成公 开出版物形成在任何国家中现有技术中的公知常识的一部分的认可。
[0070]出于说明书的目的，将要理解的是单词“包括(comprising)”表示“包括但不局限 于”，单词“包括(comprises) ”表示“包括但不局限于”。
[0071]将要理解的是如果这里提到了任何现有技术公开出版物，则这种引用不会构成公 开出版物形成在任何国家中现有技术中的公知常识的一部分的许可。
[0072]出于说明书的目的，将要理解的是单词“包括(comprising)”表示“包括但不局限 于”，单词“包括(comprises) ”表示“包括但不局限于”。
[0073]在该说明书中，术语“分子识别”以普通含义使用以描述两个或更多种分子的可 逆、不共价均相或多相缔合(reversible，non-covalent homogeneous or heterogeneous association of two or more molecular species)以及由于上述缔合而出现的不可逆 的单个或顺序酶促或化学反应。以示例而非限制的方式，“分子种类”可以包括:诸如类固 醇、脂肪酸、单糖的小分子；诸如肽、蛋白质、核酸、多聚糖和脂多糖的生物聚合物；包括细 胞膜、细胞壁和病毒衣壳的分子组合。
[0074]出于该说明的目的，要理解的是单词“束缚”包括共价结合和不共价结合 (covalent bonding and non-covalent bonding)。
【专利附图】
【附图说明】
[0075]以下仅以示例的方式参照附图描述这里所述的主题的实施例。
[0076]图1示出了根据这里所述的主题的使用设置在单片集成图像传感器上的等离子 激元底板的集成等离子激元感测装置和可以容纳生物材料的多个流体容纳井的第一实施 例的剖视图；
[0077]图2示意性地示出了根据这里所述的主题的用于相对于集成等离子激元感测装 置控制入射光的照射条件的发热设备；
[0078]图3示出了根据这里所述的主题的等离子激元底板的一个示例性实施例的俯视 图。
[0079]图4示意性地示出了图3的等离子激元底板和根据这里所述的主题的图像传感器 的示例性实施例的剖视图；
[0080]图5示出了根据这里所述的主题的等离子激元底板的示例性可选实施例的特征；
[0081]图6示出了可以被布置成构造等离子激元散射区域和等离子激元过孔区域的等 离子激元散射特征的示例性几何结构；
[0082]图7示出了根据这里所述的主题的等离子激元底板结构的一个示例性实施例；
[0083]图8示出了根据图7的等离子激元底板结构的感测形式(sensing modality)的 一个示例性实施例；
[0084]图9示出了根据这里所述的主题的等离子激元底板结构的第二示例性实施例；
[0085]图10示出了根据图9的等离子激元底板结构的感测形式的一个示例性实施例；
[0086]图lla-1示出了根据这里所述的主题的第二方面的集成等离子激元感测装置的 制造方法；
[0087]图12示出了根据这里所述的主题的第三方面的一种用于测试生物物质的方法，所述方法包括根据图8的感测形式测试生物物质的方法；
[0088]图13示出了根据这里所述的主题的使用等离子激元源、相互作用区域、和单片地 集成在半导体基板上的光电检测器的传感器的第一实施例的剖视图；
[0089]图14示出了根据这里所述的主题的传感器的第二实施例的剖视图，其中所述传 感器基于第一实施例但是使用双向等离子激元源；
[0090]图15示出了图2的传感器的俯视图，其中所述传感器使用交叉指形结构的等离子 激元源和光电检测器；
[0091]图16示出了根据这里所述的主题的使用等离子激元源和薄膜光电检测器的传感 器的第三实施例的剖视图；
[0092]图17示出了根据这里所述的主题的使用等离子激元源和薄膜光电检测器的传感 器的第四实施例的剖视图，其中等离子激元模态激发区域包括四层金属-介电-金属-介 电等离子激元波导；
[0093]图18示出了根据这里所述的主题的使用电磁场激发或相互作用的传感器的通常 实施例的俯视图；
[0094]图18A示出了根据这里所述的主题的使用电磁场激发或相互作用和具有参考路 径的等离子激元源共用方案的传感器的另一个实施例的俯视图；
[0095]图19示出了与用于确定每一个测量区域处的分子识别事件的结构相关联的多个 测量区域的布局；
[0096]图20a_k示出了制造根据这里所述的主题的另一方面的传感器的方法；以及
[0097]图21a_b示出了根据这里所述的主题的另一方面的用于测试生物或非生物物质 的方法。
【具体实施方式】
[0098]参见图1，图1示出了根据这里所述的主题的集成等离子激元感测装置100的第 一实施例的横截面，其中所述集成等离子激元感测装置100使用设置在单片集成图像传感 器102上的等离子激元底板104和可以容纳生物材料的多个流体容纳井114和115。在 本公开中，对生物材料和生物材料的测试进行说明。应该理解的是本公开不局限于应用于 生物材料的装置和办法，而使本公开将这里所述的装置和方法延伸到非生物材料。等离子 激元底板104设置在图像传感器102上，所述图像传感器102包括一个或多个图像传感器 像素106。可以利用公知的处理技术将图像传感器实施为例如光电二极管阵列、互补金属 氧化物半导体(CMOS)传感器阵列或如例如L Adams等人在Sensor and Actuators, Vol.A104, 2003，pp.25-31 中的文章〃Micro fluidic integration on detector arrays for absorption and fluorescence micro-spectrometers〃中所述的电荷f禹合装置(CCD)。A 射光112照射检测区域108和相邻检测区域110，检测区域108和相邻检测区域110可以包 括流体容纳井114和115、等离子激元底板104的底层区域以及多个图像传感器像素106。 流体容纳井可以被井边界116分开，所述井边界116可以由诸如聚二甲硅氧烷(PDMS)的聚 合物材料制成。等离子激元底板104在一些流体容纳井中的表面可以包括可以以凝胶或液 体形成设置而成的生物物质118。生物物质118可以包括共价或不共价地束缚到等离子激 元底板104的分子，并且可以另外包括诸如磷酸盐缓冲盐(PBS)的用于控制pH的含水缓冲液、例如二甲亚砜、酒精、或洗涤剂(即，SDS、Tween-20)的用于辅助溶解的稀释剂的混合 物、以及位于检测区域108或110内的诸如葡萄糖的其它未束缚的有机分子。通过等离子 激元底板104连接并在检测区域108或110内由图像传感器像素106接收到的功率随着包 括入射角、极化状态、波长和照射强度、以及在检测区域内存在于等离子激元底板的表面上 的生物材料的成分的照射条件而改变。
[0099]检测区域典型的横向尺寸在10微米至10毫米的范围内。等离子激元底板的厚度 通常在100纳米与2微米之间。照射波长通常在400纳米与1100纳米之间，优选地大约为 780纳米。照射入射角当从表面发现测量时通常在-90度至+90度的范围内。照射通常以 任意角度被线性偏振。
[0100]图2示意性地示出了根据这里所述的主题的用于相对于集成等离子激元感测装 置100控制入射光112的照射条件的发热设备。光源200可以包括激光器、发光二极管、或 光纤耦合光源。在具体的非限制性实施例中，选择光源以提供在直径大约为I厘米的平行 光束中提供大约780纳米的圆形偏振光，或可选地在平行光束中提供波长可调谐光源(例 如，具有声光可调谐滤光器(AOTF)的光子晶体超连续谱光纤激光器)。偏振滤光器201可 以用于选择期望的偏光条件。这些部件安装在照射臂202上，所述照射臂202旋转以提供 期望的入射角。照射臂可以被一配重平衡以最小化旋转点处的扭矩。由集成等离子激元 感测装置感测到的电磁功率可以通过传感器头板204被转换成数字信号，所述传感器头板 204可以利用套筒(socket)或套管电连接到可移除集成等离子激元感测装置。传感器头 板可以通过接口电缆205连接到提供数据分析的计算机系统和仪器控制装置，所述接口电 缆205可以是通用串行总线(USB)电缆。集成等离子激元传感器装置100优选地被定位在 照射臂202的偏心旋转的点处。可以通过能够例如使用测微计驱动十字滚柱轴承机构线性 平移台在一个或多个维度上平移集成等离子激元感测装置100和传感器头板204的对准台 206提供与偏心旋转点的对准。用于分析的样品可以通过流体输入装置210在溶液中被引 入到流动单元208,所述流动单元208被构造成将所述样品引导到集成等离子激元感测装 置的检测区域附近。来自流动单元的流出废料可以被集中在流体返回装置212的输出处。 仪器壳体203可以被设置成装入部分或所有设备。
[0101]图3示出了根据这里所述的主题的等离子激元底板104的一个示例性实施例的俯 视图。等离子激元底板包括等离子激元散射区域302和等离子激元过孔区域304的棋盘图 案并且在集成等离子激元感测装置的每一个检测区域的表面上沿X轴方向308和Y方向 310延伸。相邻的等离子激元散射区域305被示出为在等离子激元过孔区域304的右侧。 等离子激元散射区域包括一个或多个等离子激元散射特征306的结构。可以选择等离子激 元散射区域和等离子激元过孔区域的尺寸以对应于一个或多个底层图像传感器像素106。 在等离子激元散射区域和/或等离子激元过孔区域横跨对应于大于一个图像传感器像素 的区域的情况下，优选地使用诸如中位数过滤以及并入区域加权函数的稳固的统计技术， 合并来自底层大于一个的图像传感器像素的信号以提高信噪比。在另一个实施例中，选择 等离子激元散射区域和/或等离子激元过孔区域尺寸以对应于单个底层图像传感器像素。 等离子激元散射区域和等离子激元过孔区域在X轴方向上的示例性非限制尺寸在500纳米 与50微米之间，而在Y方向上的示例性非限制尺寸在500纳米与50微米之间。在又一个 实施例中，等离子激元散射区域和等离子激元过孔区域的尺寸被选择为要足够大以确保等离子激元过孔区域中心附近的底层图像传感器像素的区域可以用作提供与没有照射相对 应的信号的参考区域。横截面312在图4中被示意性地绘出。
[0102]图4示意性地示出了图3的等离子激元底板104和根据这里所述的主题的图像传 感器102的示例性实施例的横截面。等离子激元底板104设置在图像传感器102上，所述 图像传感器102包括图像传感器像素106。等离子激元底板104包括在图像传感器102上 的散射阻挡层402，所述散射阻挡层402可以由二氧化硅制成。金属I层404设置在散射阻 挡层402上2。介电中间层406设置在金属I层404上。金属II层408设置在介电中间 层406上。金属层可以由金、银、铜、铝、或这些金属的合金制成，但是优选地由金或银制成。 介电中间层406可以氧化物或氮化物材料制成，优选地由二氧化硅制成。等离子激元散射 区域302包括一个或多个等离子激元散射特征306的排列，所述一个或多个等离子激元散 射特征306可以由与金属II层408和等离子激元底板的底层相同的材料形成。等离子激 元过孔区域304包括等离子激元过孔区域的一个或多个等离子激元散射特征420排列，所 述一个或多个等离子激元散射特征420可以由与金属I层404、和等离子激元底板的覆盖层 和底层相同的材料形成。
[0103]当入射光112照射底板104时，所述入射光112通过一个或多个等离子激元散射 特征306的排列被转换成导向的等离子激元模态(plasmon mode)414。从入射光传递到导 向等离子激元模态的功率随着包括入射角、极化状态、波长和照射强度以及等离子激元散 射区域附近的材料的成分的照射条件而变化。在一些实施例中，功率另外被传递给表面等 离子激元极化激元(plasmon polaritons) 415,所述表面等离子激元极化激元415然后可 能会导致与相邻等离子激元散射区域305发射的导向的等离子激元模态的干涉。在这种 情况下，到达等离子激元散射区域的表面等离子激元极化激元的功率和相位随着包括入射 角、极化状态、波长和照射强度、以及等离子激元过孔区域的表面附近的材料的成分的照射 条件而变化。导向的等离子激元模态414通过等离子激元过孔区域的一个或多个等离子激 元散射特征420的排列耦合到图像传感器像素底层过孔区域412，从而提供从光源112通过 等离子激元底板传递的整个功率的测量值。散射区域410的相邻图像传感器像素提供可以 被解释为参考测量值的另外的信号。要注意的是可以通过等离子激元过孔区域的一个或多 个等离子激元散射特征的排列产生寄生内表面等离子激元极化激元(polariton) 416,但是 由于适当的设计可能会被大大抑制。例如，过孔区域412中的等离子激元散射特征420可以 被布置成为寄生内表面等离子激元极化激元416提供解构干涉，和/或散射阻挡层402可 以包括在散射阻挡层402与金属I层404的界面处的等离子激元吸收材料。等离子激元吸 收材料可以由钛、铬、钯、或其它过渡金属制成，优选地由铬制成，并且还可以用于金属I层 404的粘附层。散射阻挡层402与金属I层404之间的界面处的等离子激元吸收材料层的 示例性非限制厚度在I纳米与100纳米之间。
[0104]金属I层与金属II层的厚度可以在10纳米至I微米的范围内。介电中间层的厚 度可以在30纳米与300纳米之间。散射阻挡层402的厚度可以小于500纳米。散射阻挡 层402可以另外包括在如上所述的散射阻挡层402与金属I层404之间的界面处的等离子 激元吸收材料。应该理解的是上述尺寸是示例性非限制值。
[0105]在图5中，与上述图中所示的特征共有的特征由相同的附图标记表示并且不再描 述。图5示出了根据这里所述的主题的等离子激元底板104的示例性可选实施例的特征。要理解的是这些特征可以部分或任意组合使用。等离子激元散射区域502的可选设计包括 限定在金属II层408和底层介电中间层406两者中的等离子激元散射特征，所述等离子激 元散射特征可以通过在包括对应于等离子激元散射特征的图案的金属II层408上形成铬 硬掩模、使用定向蚀刻处理蚀刻穿过金属II层和介电中间层、并且化学地移除铬硬掩模而 形成。等离子激元散射区域504的第二可选设计包括限定在金属II层408中与金属I层 404接触的等离子激元散射特征。该结构可以通过使用光刻和化学蚀刻在露出等离子激元 散射区域内的金属I层404的一部分或整个的介电中间层406中产生图案、通过物理汽相 淀积沉积金属II层、在包括与等离子激元散射区域504中的等离子激元散射特征相对应的 图案的最终的非平坦化金属II层408上形成铬硬掩模、以及使用定向蚀刻处理蚀刻掉金属 II层的一部分以产生等离子激元散射特征而形成。对于一些申请，可能有利的是使用密封 层508将金属II的表面的一部分或整个密封在等离子激元过孔区域506中，所述密封层 508可以由氧化物或氮化物材料或由有机材料或生物材料形成。该过程用于形成具有密封 层506的等离子激元过孔区域，所述密封层506可以在随后的制造阶段使用以用于控制生 物材料的连接位置。
[0106]图6示出了可以被布置成构造等离子激元散射区域和等离子激元过孔区域的等 离子激元散射特征的示例性几何结构。这些等离子激元散射特征可以使用公知的沉积、光 刻和蚀刻技术形成。在横截面603和上部602中示出了示例性圆形几何形状。特征侧壁角 度610优选地为90度，但是可以从10度变化到90度，这取决于设计和制造方法。与底层 611的特征接触角度由所使用的材料的润湿特性和处理条件确定，但是优选地为0度。本 领域所公知的粘合层(例如铬或钛膜)可以用于改变接触角度。然而，这样的薄膜由于对 于导向等离子激元模态和表面等离子激元极化激元来说导致另外的扩展损失而可能会降 低性能。在另一个实施例中，等离子激元散射特征可以具有横截面605和顶部604中所示 的方形几何形状。在又一个实施例中，上述几何形状可以在X或Y方向上延伸以形成横截 面607和上部606所示的椭圆形几何形状，或横截面609和上部608所示的矩形几何形状。 应该理解的是上述圆形、方形、椭圆形和矩形形状是示例性非限制示例，并且等离子激元散 射特征的其它形状包括三角形、圆柱形、多边形、十字形、梯形、圆锥形、环形及其结合。
[0107]等离子激元散射特征的示例性横向尺寸在10纳米到I微米的范围内。等离子激 元散射特征的示例性厚度在10纳米至500纳米的范围内。优选地，散射特征体积被选择以 大到足以提供具有高反照率的强散射且小到足以抑制高阶共振。
[0108]在图7中，与上述图中所示的特征共有的特征由相同的附图标记表示并且不再描 述。图7示出了根据这里所述的主题的等离子激元底板结构的一个示例性实施例。在该实 施例中，等离子激元散射区域706可以包括通过生物材料束缚结构710被束缚到等离子激 元散射特征的表面的一个或多个金属纳米颗粒708。在第二实施例中，等离子激元过孔区 域704可以包括通过生物材料束缚结构被束缚到金属II层408的一个或多个金属纳米颗 粒。在又一个实施例中，其中已经移除或省略等离子激元散射特征的排列的等离子激元散 射区域702可以包括通过生物材料束缚结构被束缚到金属I层404的一个或多个金属纳米 颗粒。在这些实施例中，金属纳米颗粒708本身可以被认为是等离子激元散射特征。金属 纳米颗粒可以由金、银、铜、铝或其合金形成，优选地由金形成，并且可以是球形或椭圆形形 状或其它形状。金属纳米颗粒的示例性尺寸在10纳米至200纳米的范围内。可以使用本领域所公知的合成化学方法、进一步被本领域所公知的溶液或固态相化学功能化、然后通 过特定的共价或不共价反应被引导到等离子激元底板的表面上以形成生物材料束缚结构 来制造金属纳米颗粒。
[0109]在图8中，与上述图中所示的特征共有的特征由相同的附图标记表示并且不再描 述。图8示出了根据图7的等离子激元底板结构的感测形式的一个示例性实施例。金属纳 米颗粒708与可以为有机硫醇化合物的粘附连接结构808和可以为链亲和素的生物素粘合 结构809共轭。可以为金属I层表面、等离子激元散射特征或金属II层表面的金属表面 806与核苷酸结构810共轭，所述核苷酸结构810包括可以为硫醇部分的第二粘附连接结构 811、可以为单串DNA的核苷酸812、和生物素部分(biotin moiety) 813。根据图7中所示 的等离子激元底板结构，核苷酸结构810可以被引导以与共轭金属纳米颗粒反应以形成生 物材料束缚结构710。该结构可以用于执行对目标核苷酸802的核苷酸感测形式，所述目标 核苷酸802可以是具有与核苷酸812互补的顺序的单串DNA。通过将核苷酸812专门粘合 到互补的核苷酸802以形成杂交核苷酸804来实现感测，其中所述杂交核苷酸804可以包 括双串DNA。核苷酸812与互补核苷酸802的特定粘合导致金属表面806与金属纳米颗粒 708之间的平均间距的变化。金属表面806与金属纳米颗粒708之间的距离相关的电磁耦 合导致散射效率的改变，所述散射效率作为从光源通过等离子激元底板到图像传感器所传 递的整个功率的变化。这提供了一种用于检测互补核苷酸802的存在的第一机构。在又一 个实施例中，互补核苷酸802可以被诸如本领域所公知的萤光标记的另外的标记标示。在 这种情况下，金属纳米颗粒708和金属表面806在萤光标记附近产生增强的局部场，从而当 以萤光标记的激发波长照射系统时使得激发效率提高。在这种情况下，萤光标记的去激发 被耦合到等离子激元模态激发，所述等离子激元模态激发有助于将来自萤光标记的功率通 过等离子激元底板传递给图像传感器。这提供了一种用于检测当互补核苷酸802被一个或 多个萤光标记标示时检测互补核苷酸802的存在的第二机构。
[0110]在图9中，与上述图中所示的特征共有的特征由相同的附图标记表示并且不再描 述。图9示出了根据这里所述的主题的等离子激元底板104结构的第二示例性实施例。在 该实施例中，等离子激元散射区域906可以包括通过夹心化验结构910被束缚到等离子激 元散射特征的表面的一个或多个发光催化剂908。在第二实施例中，等离子激元过孔区域 904包括通过夹心化验结构被束缚到金属II层的一个或多个发光催化剂。在又一个实施例 中，其中已经移除或省略等离子激元散射特征的排列的等离子激元散射区域902可以包括 通过夹心化验结构被束缚到金属I层的一个或多个发光催化剂。发光催化剂可以包括诸如 荧光素酶系统的酶生物发光系统、诸如量子点系统(例如，CdSe量子点)的荧光系统、有机 荧光团系统(例如，荧光素)、萤光蛋白质系统(例如，绿色萤光蛋白质(GFP))、或诸如辣根 过氧物酶的化学发光系统。可以自定义等离子激元底板的设计以用于在所使用的发光催化 剂系统的激发和/或去激发频率下进行操作。例如，可以选择等离子激元散射特征的尺寸 和排列从而以发光催化剂系统的去激发频率将功率有效地传递通过等离子激元底板，同时 以激发频率拒绝功率。
[0111]图10示出了根据图9的等离子激元底板结构的感测形式的一个示例性实施例。可 以为金属I层表面、等离子激元散射特征、或金属II层表面的金属表面1002与可以为硫醇 基的粘连结构1004和可以为链亲和素的生物素结合结构1006共轭。与生物素化一级抗体1008、目标抗原1010和发光催化剂共轭的二级抗体1012的顺次反应形成夹心式结构910， 生素夹心式结构束缚等离子激元底板附近的发光催化剂908，使得在去激发时近场相互作 用可以优先产生发光催化剂产生表面等离子激元极化激元和导向的等离子激元模态。从入 射光到表面等离子激元极化激元和导向等离子激元模态的功率传递提供一种用于检测目 标抗原1010的存在的机构，例如，导向等离子激元模态耦合到响应于接收到的耦合等离子 激元模态产生信号的图像传感器。
[0112]在图lla-1中，与上述图中所示的相同特征的特征由相同的附图标记表示并且不 再描述。图lla-1示出了根据这里所述的主题的第二方面的集成等离子激元感测装置的制 造方法。该实施例中所示的等离子激元底板包括一个或多个等离子激元散射区域和一个或 多个等离子激元过孔区域，其中导向等离子激元模态形成将功率传递到包括一个或多个图 像传感器像素的底层单片集成图像传感器的中间过孔。
[0113]包括一个或多个图像传感器1102的基板首先被化学处理以从其表面除去任意颗 粒或残留物。(图1la)这种化学处理可以包括暴露到氧等离子体和/或机械磨蚀和/或在 有机溶剂恒温浴中的超声处理以除去通常形成在图像传感器上的组织微型透镜层从而增 强光收集。除去微型透镜层为等离子激元底板的制造提供大致平坦表面。然后形成硅石溶 胶层，并使该硅石溶胶层被压印有印记以制造包括将限定等离子激元过孔区域的等离子激 元散射特征和等离子激元散射区域的部件的结构的图案化硅石模板层1104。这些区域可以 以图3所示的行和列排列。(图1lb)诸如金层的第一金属层1106然后通过物理汽相淀积 形成在图案1104上。(图lie)化学机械抛光(CMP)处理然后用于平坦化芯片的表面，从而 形成金属I层404。(图1ld)与图lib、图1lc和图1ld —起通过对半导体集成电路制造 领域所公知的铜镶嵌处理的模拟示出了“金镶嵌”处理。介电中间层406然后例如通过物 理汽相淀积形成在金属I层404和其余硅石模板层1104上。图1lf、图llg、和图1lh示出 了通过如先前所述的金镶嵌处理形成金属II层408。为了功能化根据图7(生物束缚)或 图9 (与粘连结构共轭)所示的结构的等离子激元底板，包括共价或不共价地束缚到金属II 层408并且可以另外包括诸如磷酸盐缓冲盐(PBS)的用于控制pH的含水缓冲液、诸如二甲 亚砜、酒精、或洗涤剂(即，SDS、TWeen-20)的用于辅助溶解的稀释剂的混合物、以及诸如葡 萄糖的其它未束缚的有机分子的生物材料118通过可获得的技术中的一种(例如，自动定 位、喷墨印刷或光刻)形成在顶部等离子激元底板上。(图1li)包括一个或多个集成等离 子激元感测装置1110的处理基板然后被切割成单个集成等离子激元感测装置，所述单个 集成等离子激元感测装置可以是结合到用于单片集成图像传感器的电读取的组件的线，其 中所述组件可以是陶瓷无铅芯片载体(CLCC)组件。可选地，在封装各个图像传感器芯片之 后可以施加生物材料118。
[0114]在图12中，与上述图中所示的特征共有的特征由相同的附图标记表示并且不再 描述。图12示出了根据这里所述的主题的第三方面的一种用于测试生物物质的方法，所述 方法包括根据图8的感测形式测试生物物质的方法。集成等离子激元感测装置100放置在 图2所示的设备的传感器头板204中。可以包括互补核苷酸目标分子的样品通过流体输入 装置210被设置在缓冲液中，并且在流动单元208中在集成等离子激元感测装置100的表 面上朝向流体返回装置212流动，在所述流体返回装置中，流出物作为废料被收集。通过 接口电缆205监测由接收到图像传感器接收到的功率，同时修改照射条件。通过旋转照射臂202修改入射角1202，优选地以正弦曲线图案修改入射角1202。同时，偏振滤光器201 旋转以改变入射光112的偏振角度。光源200可以包括具有声光可调滤光器的超连续谱光 纤激光器(AOTF)，从而允许入射光的颜色及时地变化。在测量时间段期间监测每一个图像 传感器像素，并且软件算法用于对每一个等离子激元散射区域跟踪并内插最大功率照射条 件。可以以某一频率调节入射光，并且然后可以从图像传感器信号过滤出该频率以提高信 噪比。
[0115]另外，优选地使用例如中位数过滤和并入区域(areal)加权函数的稳固统计技术 可以结合来自一个或多个图像传感器像素的信号。对于根据入射光偏振角度使等离子激元 散射区域将光耦合到导向的等离子激元模态的等离子激元散射特征的结构来说，可以以某 一频率调节入射光的偏振角度，并且然后可以从合并的图像传感器信号过滤出该频率以进 一步提高信噪比。例如，等离子激元散射特征在方形网格上的排列可以对于第一偏振角度 可以优先发出在X轴方向上的导向的等离子激元模态，而对于垂直偏振角度可以优先发出 在Y方向上的导向的等离子激元模态。在第二示例中，等离子激元散射特征在六边网格上 的排列对于三个相应的偏振角度可以优先发出在三个基本方向上的导向的等离子激元模 态。
[0116]参见图13，示出了使用等离子激元源150和单片集成在半导体基板17上的光电探 测器16的传感器10的第一实施例的横截面。以下描述参照生物芯片实施例进行；然而，所 述主题的这方面不局限于与生物材料一起使用。所述实施例的传感器可用于测试固态和流 体形式的非生物材料。通过等离子激元源150发射入射等离子激元模态激发154，所述等离 子激元源150包括有机半导体p_n双层、底部电极152和顶部电极13。顶部电极和底电极 可以由金制成，或可选地，顶部电极可以由银金双层制成和/或底部电极可以由金银双层 制成以减少吸收并提高性能。这些入射等离子激元模态激发在相互作用区域14中在测试 11下与生物物质相互作用。测试11下的生物物质标准可以以凝胶或液体形式被设置。当 测试的生物物质包括萤光标记时，通过入射等离子激元模态激发测试的生物物质中被激发 的发光耦合到二级等离子激元模态激发156，所述二级等离子激元模态激发156然后通过 等离子激元模态散射区域15耦合到光电检测器16。等离子激元模态散射区域可以包括一 个或多个共振等离子激元散射特征160的排列。等离子激元模态散射区域被设计成以与激 发波长不同的发光波长耦合等离子激元模态激发并且可以使用传统的电磁模拟软件被优 化。等离子激元模态过滤区域158也可以形成在底部电极152中以通过局部地反射由发光 产生的二级等离子激元模态激发而提高性能，其中所述发光包括一个或多个共振等离子激 兀散射特征160的排列。在又一个实施例中，可以通过可以形成在光电检测器16的表面上 的薄膜干涉滤光器(图13中未示出)进一步增强入射等离子激元模态激发相对于由发光 产生的二级等离子激元模态激发的拒绝。
[0117]当测试的生物物质包括吸收标记时，入射等离子激元模态激发与附于在相互作用 区域附近通过共价或不共价作用结合的目标分子的吸收标记相互作用，这导致通过相互作 用区域传输的等离子激元模态激发的强度减小。传输的等离子激元模态激发的强度的减小 与相互作用区域附近的目标分子的量成比例。减小强度的等离子激元模态激发通过等离子 激元模态散射区域耦合到前段所述的光电检测器。
[0118]当测试的生物物质没有标记时，可以从相互作用区域中由分子识别事件产生的折射率的变化得到在相互作用区域处的分子识别事件的状态。由于由相互作用区域的范围限 定的空腔中的多次反射等离子激元模态激发的修改的相长干涉或解构干涉，相互作用区域 中由分子识别事件产生的折射率的变化使得通过相互作用区域传输的等离子激元模态激 发的强度减小或增强。传输的等离子激元模态激发的强度的减小或增强与相互作用区域附 近的目标分子的量成比例。减少增强强度的等离子激元模态激发通过等离子激元模态散射 区域15耦合到前述光电检测器16。
[0119]等离子激元源150的示例性宽度在100纳米与10微米之间，相互作用区域的示例 性宽度在100纳米与10微米之间，以及等离子激元模态散射区域15的示例性宽度通常在 100纳米与10微米之间。等离子激元模态过滤区域158的示例性宽度在50纳米与5微米 之间，以及顶部电极152和底部电极13的示例性厚度在10纳米至I微米的范围内。半导 体双层12的示例性厚度在50纳米与300纳米之间。应该理解的是所述尺寸仅是非限制性 示例，并且可以使用落入所述范围之外的尺寸。
[0120]半导体基板17可以由娃制成,并且可以使用例如在M.L Adams等人在Sensor and Actuators, Vol.A104, 2003，pp.25-31 的文章〃Microfluidic integration on detector arrays for absorption and fluorescence micro-spectrometers"中所述的光电二极管、 互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器、或电荷耦合装置(CCD)结构中公知的处理技术实现 光电探测器16。如图13中所示，光电检测器16可以被定位成使得光电检测器16不与相互 作用区域14对准。例如，在图13中，光电检测器16不在相互作用区域14下方，而使从相互 作用区域14横向偏移。可以使用例如在D.M.Koller等人在Nature Photonics2, 684(2008) 的文章〃Organic plasmon emitting diode〃中所述的已知的处理技术将等离子激元源150 实施为有机发光二极管。介电层19可以用于将等离子激元源150和等离子激元模态散射 区域15密封在光电检测器区域上。可以使用自旋硅石溶胶或铝层制成介电层19，其中使 用核层沉积来沉积所述旋硅石溶胶或铝层。相互作用区域14可以在顶部电极13的制造期 间被形成。半导体P_n双层12使用包括双层12以及电极152和13的等离子激元源通过 在电极152与13之间施加电压以产生模激发而操作。光电检测器通过在电极18与基板17 之间施加电压而操作。
[0121]在图14中，与图13中所示的生物芯片的特征相同的特征由相同的附图标记表示， 并且不再描述。在图14中，相对于图13如上所述的相同原理被延伸到提供从等离子激元 源150发射以在两个方向21和22上被引导并在通过两个相互作用区域之后由两个光电探 测器23和24接收到的等离子激元模态激发154。这里，等离子激元模态过滤区域被省略。 除了较好地利用由单个等离子激元源发射的等离子激元模态激发之外，该结构也很好地适 于相对于图15所述的交叉指形结构的实现。
[0122]图15显示了等离子激元源33和光电检测器32的交叉指形结构。如图15中所示， 与单个测量区域36内的等离子激元源33和光电检测器32相关联的电极31和35形成为 交叉指形梳形式，且连接到相同驱动电极31、35的每一个梳朝向生物芯片的周边延伸。
[0123]在图16中，与图13中所示的生物芯片的特征相同的特征由相同的附图标记表示， 并且不再描述。图16显示了类似于相对于图13所述的生物芯片的10的横截面，但是其中 与在半导体基板上形成不同光电检测器40以薄膜形式被实现。这种光电检测器40包括半 导体p-n双层41、底部电极43、和顶部电极42,并且可以以K.S.Narayan等人在Thin SolidFilms Vol.417，2002，pp.75-77 的文章〃Novel strategies for polymer based light sensors"中半导体聚合物材料被实现。光电检测器半导体双层41可以与等离子激元源半 导体双层12分开形成。可选地，由于源/探测器可逆性，光电检测器40可以以与等离子激 元源150相同的半导体聚合物层制造而成。在这种情况下，等离子激元源和探测器区域可 以简直地由顶部电极和底部电极的光刻限定形成。这种可选方案的优点在于显著地简化制 造过程并相应地降低生物芯片制造成本。例如，可以使用低成本玻璃或陶瓷基板44。为了 克服可能的电串扰问题并提高性能，可以使用如图16中所示的入射等离子激元模态激发 过滤区域158和二级等离子激元模态激发过滤区域。
[0124]在图17中，与图16中所示的生物芯片的特征相同的特征由相同的附图标记表示， 并且不再描述。图17显示了类似于相对于图16所述的生物芯片的生物芯片的横截面，但 是其中相互作用区域14包括4层金属-介电-金属-介电等离子激元波导51，其中等离 子激元模态激发被限制在所述等离子激元波导51中以在下述三个金属介电界面的排列上 传播:测试11中的生物物质和与顶部电极13或42相对应的金属(其可以优选地在相互作 用区域14中较薄)、对应于顶部电极13或42的金属和介电夹芯层52、和对应于底部电极 152或43的金属和介电夹芯层52。这种几何结构可以提供用于形成等离子激元源和薄膜 光电检测器的半导体双层优越的密封。介电夹芯层52可以由娃石溶胶形成。可选地,介电 夹芯层可以以与等离子激元源相同的半导体聚合物层和/或与薄膜光电检测器相同的半 导体聚合物层制造而成。这种可选方案的优点在于显著地简化制造过程并相应地降低生物 芯片制造成本。这种可选方案的缺点在于增加了来自介电夹芯层52中的等离子激元模态 激发的能量的吸收。
[0125]在前述实施例中，由等离子激元源发射的波长的控制可以通过适当地选择p-n双 层材料来实现。耦合到相互作用区域的等离子激元模态激发的波长的另外选择可以源自被 适当设计的入射等离子激元模态激发过滤区域。在当测试的生物物质被萤光标记来标记时 的情况下，等离子激元源和入射等离子激元模态激发过滤区域被调谐以在萤光标记的激发 波长发射等离子激元模态激发，并且对于萤光标记的发射波长调谐光电检测器和二级等离 子激元模态激发过滤区域。在一个测量区域处使用多于一个的萤光标记的情况下，等离子 激元源和光电检测器的相应数量可以与一个测量区域相关联，并且每一个另外的源/检测 器对可以被调谐到在该测量区域处所使用的每一个另外的萤光标记的激发/发射波长。
[0126]图18示出了通过相互作用区域63连接并与多个测量区域的每一个测量区域64 相关联的等离子激元源60/光电检测器68对的俯视图。所述对包括等离子激元源60的底 部61电极和顶部62电极、相互作用区域63 (如上所述)、形成在相互作用区域表面上的测 量区域64、和包括顶部电极67和底部电极66的薄膜光电检测器68。由等离子激元源60 发射的等离子激元模态激发耦合到相互作用区域，在所述相互作用区域中，等离子激元模 态激发场与生物物质65在测量区域64上相互作用，然后从相互作用区域耦合到薄膜光电 检测器68。
[0127]图18A示出了等离子激元源/光电检测器结构的另一个可选方案的俯视图，其中 一个等离子激元源650在8对相互作用区域654/光电检测器652之间被共用。该结构包 括形成在八个相互作用区域中的四个相互作用区域的顶部上的测量区域656，而四个剩余 相互作用区域用作参考路径。这些参考路径能够分离与在测量区域中的每一个处的结合事件相关联的发光、吸收率或折射率变化和在分子识别期间由于温度变化而导致的发光、吸 收率或折射率变化。当芯片的温度线性上升或下降时，这种参考路径允许在不同的位置连 续监测分子识别，并且能够确定具有非特定结合分子的测量区域，其中所述非特定结合分 子往往在特定特征温度以上去耦，而特定结合分子则在该温度以上保持该结合。具有参考 路径的这种等离子激元源共用结构还允许消除等离子激元源操作中作为检测分子识别事 件中的误差的可能原因的不稳定性。要理解的是图18A中所示的图案可以被复制到2D阵 列，并且连线可以以顶部电极和底部电极的形式被提供给等离子激元源和光电检测器。
[0128]图19示出了生物芯片的另一个实施例的布局。所述生物芯片由与每一个测量区 域相关联的多个测量区域75和等离子激元源77/检测器78对构成。生物芯片以行和列布 置而成。每一行共用等离子激元源77的公共顶部电极72和光电检测器78的公共顶部电 极73。每一列共用等离子激元源的公共底部电极71和光电检测器的公共底部电极74。通 过将信号施加给适当的行和列，每次可以激活一个等离子激元源/光电检测器对。
[0129]图20a_k示出了根据这里所述的主题的生物芯片的制造方法的一个实施例。该实 施例中所示的生物芯片在每一个测量区域处都包括等离子激元源、入射等离子激元模态激 发过滤区域、用于通过检测吸收或萤光分子确定生物物质中的分子识别事件或通过检测折 射率变化在无标记生物物质中确定分子识别事件的相互作用区域、二级等离子激元模态激 发过滤区域、和薄膜检测器。
[0130]具有光学质量抛光的玻璃基板81首先被化学处理以从其表面除去任何颗粒或残 留物。(图20a)例如通过形成溶胶并被压印有印记以制造图案化层82而形成硅石图案化 层，其中所述图案化层82包括将形成用于等离子激元源和光电检测器的底部电极列、入射 等离子激元模态激发过滤区域、相互作用区域、和二级等离子激元模态激发过滤区域的结 构。(图20b)这些区域如图19中所示成列布置。诸如金和银金属双层的底部电极83通过 诸如金和银的物理汽相淀积的已知技术形成到硅石图案化层上。(图20c)使用诸如化学 机械抛光(CMP)的已知技术对金属双层进行平坦化。(图20d)半导体小分子有机p-n双 层 85(例如，75nm 的 n，n’_ 联苯-n，N’_ 双(3-甲苯基)_(1，I’_ 联苯)_4，4’- 二胺(TPD) 和75nm的三(8_羟基喹啉)铝(Alq3))然后被蒸发在平坦化表面上。(图20e)形成的半 导体双层将随后用于形成等离子激元源和薄膜光电检测器两者。诸如银金金属双层的顶部 电极86然后被沉积在半导体双层的顶部上。(图20f)接下来，沉积铬层852，之后光刻蚀 刻掩模87被图案化以形成用于等离子激元源88和光电检测器89的顶部电极行和相互作 用区域850。(图20g)这些区域如图19所示成行布置。化学上蚀刻处理用于将图案转移 到铬硬掩模层。(图20h)定向等离子蚀刻处理除去材料以露出金底部电极表面以限定相 互作用区域。(图20i)然后使用正投影淀积处理，之后在生物芯片以一角度安装并旋转以 产生阴影掩模结果的情况下，进行定向蚀刻或使用定向物理淀积处理，来施加密封介质膜 851。(图20j)为了完成生物芯片，晶片处理分子识别剂(探头)853然后通过诸如自动定 位、喷墨印刷或光刻法的可获得的技术形成在相互作用区域的顶部上以形成一个或多个测 量区域。(图20k)生物芯片晶片然后可以被切割成单个芯片，所述单个芯片然后线结合成 组件以用于等离子激元源/光电检测器对的顶部电极和底部电极的单独寻址。
[0131]图21a和图21b示出了这里所述的主题的生物芯片的第三方面的一个实施例，其 中包括测试生物物质的方法。生物物质设置在多个测量区域上，藉此可以在杂交处理期间在任一点处独立于其它测量区域单独询问和监测每一个测量区域。
[0132]图21a显示了通过由施加在电极92与93之间的信号激活等离子激元源并从光电 检测器电极91和94接收含有关于位置95处的分子识别状态的信号对测量区域95(第二 行中的第一个)的监测。图21b显示了通过激活等离子激元源电极97和98并从光电检测 器电极96和99接收反馈的另一个测量区域950(第三行中的第二个)的监测。除了图21a 和21b中所示的电极之外，可以具有与每一个测量区域相关联以用于控制诸如控制温度的 加热器的分子识别条件的另外的电极。加热器可以由铬制成并位于密闭在诸如二氧化硅的 介电层中的测量区域下方。要理解的是在图21a和图21b中所示的布局中，可以如本说明 书先前所述的可以使用用于在每一个测量区域处确定分子识别事件的多个可选装置。
[0133]在其中在测试材料不与等离子激元感测装置接触的情况下等离子激元感测装置 用作用于确定入射在装置上的光的特性的装置的应用中实现上述等离子激元感测装置的 实施例。在这种实施例中，测试材料不需要在检测区域中与所述装置接触。例如，测试材料 可以被定位在装置的表面的上方、下方或与所述表面相邻，但不与所述表面接触。在这种实 施例中，查询光被施加到测试材料，并且由集成等离子激元装置的图像传感器接收到功率 随着照射条件以及测试材料的成分而变化。变化的照射条件包括上述条件，例如，入射角、 极化状态、波长和照射强度。由等离子激元感测装置接收到的光包括在与测试材料相互作 用之后的光。入射在测试材料上的光可以被所述材料吸收、被所述材料透射、被所述材料反 射、从所述材料或与测试材料相关联的其它物质激发发光响应。由等离子激元装置接收到 的光如上所述激发等离子激元激发模，所述等离子激元激发模通过等离子激元底板被传输 到基于接收到的功率产生可检测得到的图像传感器信号的图像传感器。
[0134]本领域技术人员要认识的是可以在不背离本发明的如宽泛地所述的精神或保护 范围的情况下对这里所述的如具体实施例中所示的主题进行多种改变和/或修改。因此在 所有示例性方面且不受限制地考虑本实施例。
[0135]可以结合上述各种实施例以提供又一些实施例。可以修改实施例的多个方面，必 要时使用本领域所公知的原理并提供又一些实施例。
[0136]总之，在以下权利要求中，所使用的术语将不会被解释为将权利要求限制到说明 书和权利要求中所公开的具体实施例，而使应该被解释为包括所有可能的实施例以及该权 利要求所赋予的所有等效形式的保护范围。因此，权利要求不受限于该公开。
【权利要求】
1.一种等离子激元感测装置，包括: 设置在单片集成图像传感器上的等离子激元底板，其中等离子激元底板包括等离子激元散射区域和等离子激元过孔区域， 其中等离子激元散射区域包括第一金属层的至少一部分，而等离子激元过孔区域包括第一金属层的至少一部分和在第一金属层上方的第二金属层的至少一部分，以及其中等离子激元过孔区域还包括在第一金属层的所述一部分与第二金属层的所述一部分之间的介电层。
2.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括多个等离子激兀散射特征。
3.根据权利要求2所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元过孔区域包括多个等离子激兀散射特征。
4.根据权利要求3所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域的等离子激元散射特征形成在第二金属层中。
5.根据权利要求3所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射特征具有选自由圆形、正方形、椭圆和矩形构成的组的覆盖区。
6.根据权利要求3所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元过孔区域的等离子激兀散射特征形成在第一金属层中。
7.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括束缚到第一金属层的金属纳米颗粒。
8.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括在第一金属层上方的第二金属层和束缚到第二金属层的金属纳米颗粒。
9.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子过孔区域包括束缚到第二金属层的金属纳米颗粒。
10.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括束缚到第一金属层的发光催化剂。
11.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括在第一金属层上方的第二金属层和束缚到第二金属层的发光催化剂。
12.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元过孔区域包括束缚到第二金属层的发光催化剂。
13.一种在图像传感器上制造等离子激元感测装置的方法，所述方法包括以下步骤: 在图像传感器上形成第一金属层； 在第一金属层上形成介电层； 在介电层上形成第二金属层；和 在第一金属层和第二金属层中形成多个等离子激元散射特征。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤:将金属纳米颗粒束缚到第一金属层。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤:将金属纳米颗粒束缚到第二金属层。
16.根据权利要求15所述的方法，其中金属纳米颗粒被束缚到第二金属层的等离子激元散射特征。
17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤:将发光催化剂束缚到第一金属层。
18.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤:将发光催化剂束缚到第二金属层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中发光催化剂被束缚到第二金属层的等离子激元散射特征。
20.一种测试物质的方法，包括以下步骤: 将物质设置在等离子激元感测装置上，所述等离子激元感测装置包括集成图像传感器和等离子激元底板； 接收到达物质上的入射光； 及时地改变入射光的照射条件； 检测通过底板传输到图像传感器的功率； 根据检测到的功率产生图像传感器信号； 根据检测到的功率检测图像传感器信号；以及 基于包含在图像传感器信号 中的信息确定分子识别事件， 其中被及时改变的照射条件选自由极化状态、入射角、波长和照明强度构成的组。
21.根据权利要求20所述的方法，其中检测步骤进一步包括分子识别事件的现场检测。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述信息包括与分子识别事件相关联的折射率的变化。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述信息包括与分子识别事件相关联的发光。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述信息包括与分子识别事件相关联的吸收。
25.一种等离子激元感测装置，包括: 设置在单片集成图像传感器上的等离子激元底板，其中等离子激元底板包括等离子激元散射区域和等离子激元过孔区域， 其中等离子激元散射区域包括第一金属层的至少一部分，而等离子激元过孔区域包括第一金属层的至少一部分和在第一金属层上方的第二金属层的至少一部分， 其中等离子激元过孔区域进一步包括在第一金属层的所述一部分与第二金属层的所述一部分之间的介电层，和 其中等离子激元散射区域的至少一部分不与等离子激元过孔区域重叠。
26.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域不与等离子激元过孔区域重叠。
27.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元底板还包括多个等离子激元散射区域。
28.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元底板还包括多个等离子激元过孔区域。
29.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括第二金属层的至少一部分。
30.根据权利要求29所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域还包括在第一金属层的所述一部分与第二金属层的所述一部分之间的介电层。
31.根据权利要求29所述的等离子激元感测装置，其中散射区域的第一金属层接触散射区域的第二金属层。
32.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括多个等离子激元散射特征。
33.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元过孔区域包括多个等离子激元散射特征。
34.一种在图像传感器上制造等离子激元感测装置的方法，所述方法包括以下步骤: 在图像传感器上形成第一金属层； 在第一金属层上形成介电层； 在介电层上形成第二金属层； 在第一金属层中形成多个等离子激元过孔； 在第一金属层和第二金属层中形成多个等离子激元散射特征，其中第二金属层中的等离子激元散射特征中的至少一些没有与多个等离子激元过孔中的任一个重叠。
35.一种等离子激元感测装置，包括:设置在单片集成图像传感器上的等离子激元底板，等离子激元底板包括等离子激元过孔区域，所述等离子激元过孔区域包括第一金属层的至少一部分和形成在第一金属层中的多个等离子激元散射特征。
36.一种确定入射光的特`性的方法，包括以下步骤: 接收到达等离子激元感测装置上的入射光，所述等离子激元感测装置包括集成图像传感器和等离子激元底板， 其中等离子激元底板设置在单片集成图像传感器上，并且等离子激元底板包括等离子激元散射区域和等离子激元过孔区域， 其中等离子激元散射区域包括第一金属层的至少一部分，而等离子激元过孔区域包括第一金属层的至少一部分和在第一金属层上方的第二金属层的至少一部分， 其中等离子激元过孔区域进一步包括在第一金属层的所述部分和第二金属层的所述部分之间的介电层，以及 其中等离子激元散射区域的至少一部分不与等离子激元过孔区域重叠； 改变入射光的照射条件； 在横向方向上将等离子激元模态从等离子激元散射区域引导到等离子激元过孔区域； 检测传输通过等离子激元过孔区域到达图像传感器的能量； 根据检测到的能量产生图像传感器信号； 检测图像传感器信号；以及 使用图像传感器信号确定入射光的特性。
37.根据权利要求36所述的方法，其中改变照射条件的步骤包括:及时地改变照射条件。
38.根据权利要求36所述的方法，其中照射条件是选自极化状态、波长、和照射强度的至少一个条件。
39.根据权利要求38所述的方法，其中改变照射条件的步骤包括:改变入射光的波长。
40.根据权利要求36所述的方法,其中入射光源自选自激光器、发光二极管、突光材料以及发光材料的光源。
41.根据权利要求36所述的方法，进一步包括以下步骤: 将等离子激元模态从等离子激元散射区域通过介电层和等离子激元过孔区域的第一金属层引导到集成图像传感器。
42.根据权利要求36所述的方法，其中入射光的被确定的特性与分子识别事件有关。
43.一种用于测试物质的单片集成传感器，包括: 多个测量区域； 表面等离子激元激发的多个源，所述表面等离子激元激发的多个源用于确定每一个测量区域处的分子识别事件；和 多个光电检测器； 其中多个测量区域，表面等离子激元激发的多个源、和多个光电检测器被单片集成到被供电并响应于每一个测量区域处的分子识别事件产生电信号的芯片中。
44.根据权利要求43所述的传感器，其中表面等离子激元激发的源是电驱动等离子激元源，并且至少一个电驱动等离子激元源和至少一个光电检测器与每一个测量区域相关联。
45.根据权利要求44所 述的传感器，还包括用于单独控制每一个电驱动等离子激元源的多个第一电极和用于单独控制每一个光电检测器的多个第二电极。
46.根据权利要求44所述的传感器，其中电驱动等离子激元源和光电检测器中的任一个或两者都在薄膜半导体层中被实现。
47.根据权利要求46所述的传感器，其中电驱动等离子激元源和光电检测器在相同半导体薄膜层被实现。
48.根据权利要求46所述的传感器，其中半导体薄膜材料包括半导体聚合物。
49.根据权利要求44所述的传感器，其中光电检测器形成在半导体基板中。
50.根据权利要求49所述的传感器，其中半导体基板由硅制成。
51.根据权利要求43所述的传感器，还包括至少一个等离子激元模态激发相互作用区域、在与测试的生物物质相互作用的等离子激元模态激发相互作用区域中传播的等离子激元模态激发的电磁场。
52.根据权利要求43所述的传感器，还包括位于等离子激元模态激发相互作用区域内或所述等离子激元模态激发相互作用区域附近的至少一个等离子激元模态散射区域，其中等离子激元模态激发通过等离子激元模态散射区域被耦合到等离子激元模态激发相互作用区域或从上述等离子激元模态激发相互作用区域被去耦。
53.根据权利要求44所述的传感器，其中一个电驱动等离子激元源在多个测量区域之间被共用。
54.根据权利要求43所述的传感器，其中参考路径设置在每一个测量区域处以用于误差校正。
55.根据权利要求43所述的传感器，还包括用于控制测量区域处的条件的电极。
56.根据权利要求55所述的传感器，其中所述电极是形成在测量区域下方的电阻加热器电极。
57.根据权利要求44所述的传感器，其中传感器形成在硅基板上，所述硅基板包括与测量区域相关联以便于控制电驱动等离子激元源或光电检测器的一个或多个晶体管。
58.根据权利要求44所述的传感器，其中一个或多个薄膜晶体管与测量区域相关联以便于控制电驱动等离子激元源和光电检测器。
59.根据权利要求55所述的传感器，其中传感器形成在硅基板上，所述硅基板包括与控制测量区域处的条件的电极相关联的一个或多个晶体管。
60.根据权利要求55所述的传感器，其中一个或多个薄膜晶体管与用于控制测量区域处的条件的电极相关联。
61.根据权利要求43所述的传感器，还包括与多个测量区域流体连通的流体室。
62.一种制造传感器的方法，所述传感器包括电驱动等离子激元源、光电检测器和多个测量区域，所述方法包括以下步骤: 以沉积步骤、光刻步骤和蚀刻步骤的顺序处理单个平坦基板以提供电驱动等离子激元源、光电检测器和多个测量区域。
63.根据权利要求62所述的制造传感器的方法，所述方法包括以下步骤: (i)形成多个第一电极； (?)形成至少一个半导体层； (iii)形成多个第二电极； (iv)形成至少一个等离子激元模态激发相互作用区域； (v)形成等离子激元模态散射区域；以及 (vi)在等离子激元模态激发相互作用区域的表面上形成多个测量区域。
64.一种测试物质的方法，包括以下步骤: 将物质设置在多个测量区域上；以及 使用设置在传感器中的电驱动等离子激元源检测测量区域中的分子识别事件，所述传感器是被供电的并被构造成响应于分子识别事件产生电信号。
65.根据权利要求64所述的方法，其中检测步骤还包括:现场检测分子识别事件。
66.根据权利要求65所述的方法，其中现场检测还包括以下步骤: 在每一个测量区域处生成等离子激元信号，然后从每一个测量区域接收含有关于等离子激元信号与生物物质在每一个测量区域处相互作用的信息的相应的电信号。
67.根据权利要求66所述的方法，其中所述信息包括与分子识别事件相关联的折射率的变化。
68.根据权利要求66所述的方法，其中所述信息包括与分子识别事件相关联的发光。
69.根据权利要求66所述的方法，其中所述信息包括与分子识别事件相关联的吸收。
【文档编号】G01N21/64GK103502798SQ201280021910
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年4月5日 优先权日:2011年4月5日
【发明者】罗伯特·约瑟夫·华特丝 申请人:集成等离子光子学公司