感测模块及感测方法与流程

本发明主张2015年7月27日申请的美国临时专利申请案第62/197,532号的优先权，所述专利申请的全部揭示内容均并入本案供参考。

技术领域

本发明涉及一种感测模块及感测方法，尤其涉及一种使用光学共振结构及适于感测单分子的感测模块及感测方法。

背景技术：

在包含DNA定序和DNA微阵列的广泛应用中，萤光是可用于确定分析物的存在及浓度最灵敏的检测和成像的工具之一。检测弱信号的能力对于所需测定的分析物在低浓度下的检测来说是必要的。为了应对此一挑战，研究人员已经开发了许多方法以提高萤光发射和除去不需要的发射，从而改善检测灵敏度和信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。

各种使用萤光检测技术的光电感测器(optical electric sensor，OES)已被研究用于加强萤光信号和降噪的目的。为了滤除噪音的目的，位于感测器和分析物之间的过滤器需要建构成具有足够的厚度，以提供适当的过滤器功能。然而，当感测器和分析物之间的距离因过滤器而增加时，经由感测器测得的萤光量也会减少，因而OES的检测灵敏度也会跟着降低。相对地，如果减小过滤器的厚度以提高灵敏度，则OES的信噪比也将减小。

技术实现要素：

本发明涉及一种具有光学共振层的光电感测模块。

本发明也提供一种具有高灵敏度、高信噪比，以及预防光漂白(photo-bleaching.)的感测模块的感测方法。

在本发明中，提供一种感测模块，包括样本装载层、感测层以及光学共振层。光学共振层位于样本装载层及感测层之间。样本装载层包括至少一样本装载槽。样本装载槽暴露出部分的光学共振层，且样本装载槽是用以装载样本。光学共振层的表面具有多个光学共振结构，且光学共振结构位于样本装载槽的底部旁边或样本装载槽的底部。感测层被配置用以接收光并将光转换为电信号。

在本发明中，提供一种感测方法，包括提供如前述的感测模块、将样本载入感测模块的样本装载区域以及以激发光照射光学共振结构，其中激发光为脉冲激光。

在本发明中，提供一种感测方法，包括提供如前述的感测模块、将样本载入感测模块的样本装载区域以及以多个激发光照射光学共振结构。除了使用特定波长的入射光(该特定波长的入射光能够诱导在样本中的目标成份的萤光)，所述感测方法使用入射光来照射光学共振结构，且在光学共振结构上的共振光会激发样本。

在本发明的一实施例中，样本装载槽包括至少一样本装载井。

在本发明的一实施例中，样本装载槽包括至少一样本装载通道，且样本在样本装载通道中形成一流体。

在本发明的一实施例中，感测模块还包括至少一阻挡层，其设置于样本装载通道的上方。

在本发明的一实施例中，感测层包括至少一感测单元，且感测单元设置于样本装载槽的下方。

在本发明的一实施例中，感测单元为多接面光二极管的半导体装置(semiconductor device of multi-junction photodiode)。

在本发明的一实施例中，光学共振结构为一维周期性光栅结构(1-dimensional periodic grating structures)或二维周期性光栅结构(2-dimensional periodic grating structures)。

在本发明的一实施例中，感测模块还包括至少一光源，光源发射激发光并照射样本装载槽及光学共振结构。

在本发明的一实施例中，激发光的波长范围为480nm至540nm。

在本发明的一实施例中，光源为激光且激发光以共振角度(resonance angle)触发光学共振结构。

在本发明的一实施例中，感测模块满足下列式子：

λ/n_wg≤Λ≤λ，

其中λ为激发光在光学共振层中的波长，n_wg为光学共振层的折射率，以及Λ为光学共振结构的周期。

在本发明的一实施例中，激发光激发在光学共振结构的波导模态共振(waveguide-mode resonance)。

在本发明的一实施例中，感测模块满足下列式子：

d≤0.7h，

其中d为各个光学共振结构的深度(或高度)，以及h为光学共振层的总厚度。

在本发明的一实施例中，感测模块还包括基板，其设置于感测层及光学共振层之间。感测模块满足下列式子：

n_wg＞n_substrate≥n_top，

n_wg为光学共振层的折射率，且n_substrate为基板或相邻层的折射率，且n_top为样本装载层的折射率。

在本发明的一实施例中，具有光学共振结构的表面面向样本装载层。

在本发明的一实施例中，邻近光学共振结构的样本的发射波长比激发光的波长短。

在本发明的一实施例中，激发光的波长范围为800nm至1100nm。

藉由将光学共振层设置于样本装载层及感测层之间，以形成本发明的感测模块。感测模块具有高灵敏度，以及高信噪比的特性。此外，使用前述感测模块的感测方法可以分析样本，并预防样本的光漂白(photo-bleach)，因而提供了高灵敏度和高信噪比的感测功能。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

图1是第一实施例的感测模块的剖面示意图；

图2A是第二实施例的感测模块的上视示意图；

图2B是根据图2A中线段I1的感测模块的剖面示意图；

图3是第四实施例的感测模块的剖面示意图。

附图标记：

100、100A、100B：感测模块；

110、110A：感测层；

112、112A：感测单元；

120、120A、120B：光学共振层；

122、122A、122B、124A：光学共振结构；

130、130A：样本装载层；

132、132B：样本装载井；

134A：样本装载通道；

140A：阻挡层；

142A：光学阻挡表面；

50、50a、50b：样本；

A、B、C：区域；

d1、d2、d3、d4：方向；

L1、L3、L4、L6：激发光；

L2、L5：萤光；

α：角度。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

第一实施例

在本发明的第一实施例中，感测模块适于分析样本，并产生具有良好信噪比(SNR)的信号。

图1是第一实施例的感测模块的剖面示意图。在本发明的第一实施例中，感测模块100包括样本装载层130、感测层110以及光学共振层120。光学共振层120位于样本装载层130及感测层110之间。样本装载层130具有至少一样本装载槽，在本实施例中，样本装载槽包含样本装载井132。样本装载井132暴露出部分的光学共振层120而适于载入样本50。光学共振层120的表面具有多个光学共振结构122，且光学共振结构122位于样本装载井132的底部旁边或样本装载井132的底部下方。感测层110适于接收光并将光转换为电信号。

在本实施例中，具有特定波长入射的激发光L1适于使光学共振结构122产生共振。当具有特定波长的光以共振角度α照射光学共振结构122时，光学共振结构122被配置以与光产生共振，且光学共振层120被配置以在方向d1上引导部分与光学共振层120耦合的光。在激发光L1以入射角度α照射光学共振结构122后，激发光L1被耦合到光学共振层120中。换言之，具有光学共振结构122的光学共振层120在样本50及感测层110之间提供过滤入射光的功能，使得沿方向d2发射的激发光L1无法发射至感测层110，且产生光学共振层120的光学共振结构122的共振模态[或导引模态(guided mode)、泄漏模态(leaky mode)、波导模态(waveguide mode)]，因此，在区域A中的激发光L1的强度会藉由共振而增强。

在本实施例中，光学共振结构122为一维周期性光栅结构，且光学共振结构122是沿着方向d1而设置，但本发明不限于此。在本发明的其他实施例中，感测模块的光学共振结构为二维周期性光栅结构。

第一实施例的感测模块100还包含提供激发光的光源，即本实施例的激发光L1。激发光L1适于使在样本50中的至少一目标成分发出萤光。目标成分的萤光是由于吸收激发光L1的波长辐射所引起的，激发光L1随后几乎立刻以不同的波长再发射(re-radiation)，其能够经由光学共振层120来发射。

更具体来说，激发光的波长(即激发光L1)落入480nm至540nm的范围内，且感测模块100满足式子：λ/n_wg≤Λ≤λ，其中λ为激发光L1在光学共振层120中的波长，n_wg为光学共振层120的折射率，以及Λ为从多个光学共振结构122中的其中一个的中心至相邻的光学共振结构122的中心的距离。换言之，Λ为光学共振结构122的周期。举例来说，当激发光L1的波长为532nm且光学共振层120的折射率n_wg为2时，光学共振层120中的周期Λ落入266nm至532nm的范围内。

另一方面，本实施例的光学共振结构122面向样本装载层130，且本实施例的感测模块100的光学共振结构122满足式子：d≤0.7h，其中d为各个光学共振结构122的深度(或高度)，以及h为光学共振层120至光学共振层120底部的总厚度。因此，对于150nm的光学共振层来说，共振结构的深度小于105nm。

在本实施例的感测模块100中，光学共振层120的折射率高于样本装载层130的折射率，且光学共振层120的折射率也高于在光学共振层120和感测层110之间的材料的折射率。换言之，本实施例的感测模块100可还包含位于光学共振层120和感测层110之间的基板，且感测模块100满足式子：n_wg＞n_substrate≥n_top，其中n_wg为光学共振层120的折射率，且n_substrate为位于光学共振层120和感测层110之间的基板的折射率，且n_top为样本装载层130的折射率。因此，光学共振层120的波导共振模态可以经由激发光L1激发。

感测层110包含感测单元112，适于接收光并将光转换为电信号，且感测单元112设置于样本装载井132的下方。详细而言，感测单元112被配置用以接收目标成分的萤光L2，以产生样本50的分析结果。更详细来说，激发光L1触发光学共振层120的光学共振结构122，并产生至少一个光学共振结构122的共振模态。激发光L1耦合于光学共振层120而激发邻近样本装载井132底部的样本50，而使在样本50中的目标成分发出萤光。感测单元112接收萤光L2，并产生有关于样本装载井132中的样本50的电萤光信号。在本实施例中的感测单元为多接面光二极管，其中多接面光二极管被配置用以接收多种波长的光并根据每种光的强度而产生多种信号，但本发明并不限定于各种感测单元。在本发明的其他实施例中，感测模块的感测单元为单接面光二极管的半导体装置(semiconductor device of single junction photodiode)。

在第一实施例的感测模块中，由于激发光L1耦合于光学共振层120，且只有样本50的萤光L2可以到达感测单元112，光学共振层120提供在样本50和感测单元112之间的良好的入射光过滤功能。并且，光学共振层120的共振模态可以增加对于邻近样本装载井132底部的样本50的激发强度。因此，感测单元112可以产生具有高信噪比的电信号。

前述所提到的样本50的目标成分，可例如为，嵌入至质体的染料(dye intercalated into plasmids)、DNA、核苷酸、蛋白质、葡萄糖或是任何其他的被嵌入物质的样本50，所述物质是指当入射光触及其上可以发出萤光的物质，但本发明并不限定于各种目标成分。

光学共振结构122包含在方向d1上排列的光栅，且激发光L1例如为横向磁性(transverse magnetic，TM)或横向电性(transverse electric，TE)偏振光(polarized light)。因此，具有特定入射角度的激发光L1可以产生光学共振层120的共振模态。共振模态不仅可以防止感测单元112被激发光L1照射，同时也增强了在样本装载井132底部中的样本的辐射强度。换言之，光学共振层120，特别是结合了过滤器和光学增强结构的功能，可以减少感测模块100的厚度，且信号的信噪比可以获得改善。

在本发明实施例中的样本装载层和光学共振层并不限于样本装载层130和光学共振层120。在本发明的其他实施例中，每个样本装载井具有邻近于光学共振层的光学共振结构的底部，且入射光能够通过底部发射并照射光学共振层的光学共振结构，但本发明并不限定于各种样本装载井。

第二实施例

在本发明的第二实施例中，感测模块分析样本或分析物并产生具有更好信噪比的信号，且样本在分析后可以保持几乎相同的状态。

图2A是第二实施例的感测模块的上视示意图。图2B是根据图2A中线段I1的感测模块的剖面示意图。在本发明的第二实施例中，感测模块100A包括样本装载层130A、感测层110A以及光学共振层120A。光学共振层120A位于样本装载层130A及感测层110A之间。样本装载层130A包含样本装载槽，本实施例的样本装载槽包含样本装载通道134A，且感测层110A包含感测单元112A，适于接收光并将光转换为电信号。

样本50a在样本装载通道134A中形成一流体。在本实施例中，样本在方向d4上流经样本装载通道134A，且感测模块100A还包含阻挡层140A，其位于样本装载通道134A的上方，其中，阻挡层140A具有光学阻挡表面142A适于阻挡入射的激发光L3。因此，在样本装载通道134A中的样本50a就不会直接暴露于入射激发光L3的辐射下。

在本实施例中，成对的光学共振结构122A、光学共振结构124A位于样本装载通道134A的底部旁边。光学共振层120A包含成对的光学共振结构122A、光学共振结构124A，且一部分的样本装载通道134A位于每一对光学共振结构122A、光学共振结构124A之间。光学共振结构122A在方向d3上排列，且光学共振结构124A在垂直于方向d3的另一方向上排列，且样本装载通道134A底部的区域B位于光学共振结构122A之间。

当激发光L3例如以入射共振角度触发光学共振结构122A时，会产生光学共振结构122A的共振模态，且部分耦合于光学共振层120A中的激发光L3沿着方向d3被引导。在样本装载通道134A底部的区域B中的样本50a会被导引激发光L4激发，且样本50a中的目标成分在导引激发光L4的激发下发出萤光。感测单元112A能够接收来自样本50a的萤光，并产生有关于区域B中的样本50a的电萤光信号。在本实施例中，光学共振结构122A、光学共振结构124A中的其中之一会被TM偏振光照射，而另一个则是被TE偏振光照射，且激发光L3包含TM偏振光及TE偏振光。

在本实施例中，由于光学共振结构122A、光学共振结构124A的共振模态皆能够经由激发光L3所产生，因此耦合于光学引导共振层中的激发光L3的量会增加，且在区域B中的样本50a可被来自光学共振结构122A、光学共振结构124A的导引激发光L4辐射，而在区域B中的导引激发光L4的强度是足够的。并且，阻挡层140A可使样本50a不被激发光L3直接照射，因此所有样本50a的状态不会被激发光L3影响。换言之，感测模块100A不仅可以防止感测单元112A被激发光L3触发，同时还可以防止样本50a直接被激发光L3触发，而能够预防光学效应(例如样本50a的光漂白)，且信号的品质(例如信噪比)同时也能够获得改善。

在其他实施例中，藉由使用激发光L3能够在不照射样本装载通道134A的情况下，直接照射光学共振结构122A、光学共振结构124A，而在样本装载通道134A的上方可以不具有阻挡层，但本发明并不限定于各种样本装载通道。

第三实施例

在本发明的第三实施例中，使用感测模块100或感测模块100A的感测方法可以预防样本的光学效应(例如光漂白)。参照图1，本实施方式的感测方法例如可应用于感测模块100上。除了使用连续波作为激发光L1，所述感测方法使用脉冲激光照射样本50及光学共振结构122。

使用脉冲激光作为激发光L1可以减少样本50暴露于激发光L1的持续时间，而可以减少对于样本50状况的影响。由于激发光L1适于产生光学共振结构122的共振模态，激发光L1的共振可以补偿在区域A中入射光的强度，并且在区域A中的激发光L1的强度不会因辐射的持续时间减少而减少。换言之，在本实施方式中的感测方法可藉由在光学共振层上触发的脉冲激光来分析样本50。在没有激发光L1的连续辐射下，可以减少样本50中的光学效应。

第四实施例

图3是第四实施例的感测模块的剖面示意图。在本发明的第四实施例中，使用上述感测模块的感测方法可以预防样本的光学效应(例如光漂白)。参照图3，本实施方式的感测方法例如可应用于感测模块100B上，且感测方法也可应用于上述感测模块100、感测模块100A上。除了使用特定波长的激发光L1能够诱导样本50b中的目标成分发出萤光，所述感测方法使用较长波长的激发光L6触发样本50b及光学共振结构122B。

更具体来说，激发光L6的波长是样本50b中的目标成分的激发波长的两倍，且光学共振层120B的光学共振结构122B的共振模态被配置为被激发光L6共振。并且，样本50b中的目标成分的发光波长比激发光L6的波长短。

具有高强度在样本装载井132B底部的区域C中的激发光L6的辐射强度，以及藉由在光学共振结构122B中的激发光L6的共振更进一步增强强度，可以在样本50b中的目标成分上达到双光吸收条件(two-photo absorption condition)。因此，区域C外的样本50b是由较长波长的激发光L6照射，并且可以防止光学效应(例如光漂白)。

综上所述，本实施例的感测模块包含具有光学共振结构的光学共振层，且光学共振结构的共振模态适于由激发光激发，因此围绕光学共振结构的光强度增加，以照射在样本装载层的样本装载槽底部的样本。由于激发光的光强度可藉由光学共振结构的共振模态来增加，且激发光可以在感测层之前进行过滤，样本的萤光也可以在激发光照射后而增加，而使感测模块的灵敏度及信噪比也能够获得改善。本实施例的感测方法可应用于上述的感测模块，且感测方法的激发光可以防止样本的光漂白。因此，所述感测方法可以提供高灵敏度、信噪比以及良好的样本保护。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。