专利名称：微电子光学倏逝场传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于目标成分检测的光学设备和包括该光学设备的微电子传感器设备。
背景技术：
在不均勻测定中，目标生物分子的浓度可以通过测量结合在传感器表面的目标生 物分子或者代表目标生物分子的珠的表面浓度来确定。作为实例，可以想到一种竞争测定， 其中结合表面(衬底)用目标分子覆盖。珠可用特异性[对于目标分子]抗体覆盖并分散 在包含目标分子的流体内。样本内的自由目标分子与传感器表面上的固定目标分子竞争以 结合到抗体涂覆的珠。对于低浓度的情形，抗体与传感器表面处的目标分子结合的机会高 于抗体与溶液内的目标分子结合的机会。通过测量结合在衬底的珠的表面浓度，可以确定 目标分子的浓度。然而，浓度的精确测量需要一种对溶液内的珠足够不灵敏的高表面特异 检测方案。再者，检测信号应不依赖于样本基质，该样本基质可以是全血、全唾液、尿液或者 任何其它生物流体。对于光学检测方案，高的表面特异性可以通过减小测量体积来实现。实现这一点 的一种方式是通过共焦成像，其中测量体积减小到典型地几个波长(例如，1微米)。然而， DNA测序是这样的一种实例，其中测量体积优选地进一步减小，直至与包含单个分子的体积 相当的体积。在该体积中，通过识别在单个分子的随后DNA聚合酶反应中涉及的标记的核 苷酸，可以监测和识别实时测序。在这种情况下，US 2006/0098927公开了一种用于研究 DNA分子的方法，其中所谓的纳米孔被提供在光学波导的流体核心的流体通道内，以限制在 某一时间单个分子的通过。US7013054为一现有技术公开，其使用针孔矩阵介质来产生倏逝场，而不是使用微 流体通道；然而，此公开设置了针孔的测量体积与倏逝场之间的关系。这限制了检测可能 性，因为测量体积依赖于孔径宽度。
发明内容
存在提供一种用于检测目标成分的微电子传感器设备的期望，其中用于包含目标 成分的体积不限制所产生的倏逝场的衰减长度，例如以提供用于DNA测序目的的传感器设 备。因此，在本发明的一个方面中，提供一种用于响应于入射辐射，在用于包含介质内的目 标成分的检测体积内提供倏逝辐射的光学设备，该检测体积具有至少一个小于衍射极限的 面内尺寸(Wl)，该衍射极限由辐射波长和用于包含目标成分的介质定义；其中该检测体积 配置有至少一个电介质材料的壁。优选地，这种电介质材料选自包括聚(四氟乙烯)、Si02、Si3N4、Si0xNy(其中χ和y 代表相对比例)或其组合的群组。在本发明的另一方面中，提供了一种检测光学设备的一个或多个检测体积内的介 质内的目标成分的方法，检测体积具有至少一个小于衍射极限的面内尺寸(Wl)，该衍射极
4限由辐射波长和用于包含目标成分的介质定义，该方法包括发射入射在光学设备上的具 有波长的辐射束；响应于入射在光学设备的辐射，由光学设备在检测体积内提供倏逝辐射； 响应于所发射的入射辐射，检测来自检测体积内存在的目标成分的辐射；以及由电介质材 料的至少一个直立壁界定(bound)所述一个或多个检测体积。在本发明的再一方面中，提供了一种制造载体的方法，该方法包括在衬底上提供 孔径定义结构，该孔径定义结构具有小于衍射极限的最小面内孔径尺寸(W1’)和大于衍射 极限的最大面内孔径尺寸W2并具有面外尺寸D ；用电介质材料填充所述孔径定义结构，以 在该孔径定义结构上提供顶层，该顶层从所述结构沿面外方向在基本上等于该面外尺寸D 的距离上延伸；在该电介质内提供与该最大面内孔径尺寸横切取向的狭缝图案；以及将该 顶层回刻蚀到该面外尺寸D，从而在该孔径定义结构内提供电介质材料的直立壁，用于提供 具有小于衍射极限的面内检测体积尺寸(Wl)的一个或多个检测体积，衍射极限由辐射波 长和用于包含目标成分的介质定义。本发明的这些和其它方面将参考下述实施例而清楚明白并将参考下述实施例予 以阐述。
图Ia示出根据本发明一个方面的第一示意性实施例；
图Ib示出根据本发明的备选实施例；
图2示出图1的实施例中载体的示意性俯视图和侧视图
图3示意性示出用于提供第一实施例的制造工艺；
图4示出根据本发明一个方面的第二实施例；
图5示出详细描述图4实施例的衰减长度的曲线图6示出图4实施例的备选实施例；以及
图7示出图4实施例的备选实施例。
具体实施例方式根据本发明的微电子传感器设备可用于目标成分的定量或定性检测，其中该目标 成分例如可以是比如生物分子、复合物、细胞片段或者细胞的生物物质。术语"目标成分" 应表示具有某些属性(例如光学密度、磁化率、电荷或发光)的任何颗粒(原子、分子、复合 物、纳米颗粒、微颗粒等)，包含可被检测到的可能标记颗粒，因而(间接地)揭示关联目标 成分的存在。“目标成分"和"标记颗粒"可以是相同的。此外，根据一个方面，微电子传 感器设备可包括下述部件a)载体，具有目标成分可以聚集在那里的结合表面，尽管原则上光学设备可定义 无结合表面的检测体积。术语"结合表面"在此被选择主要是对载体表面特定部分的独特 引用，以及尽管目标成分在许多应用中实际上将结合到所述表面，不过情况不一定是这样 的。目标成分到达结合表面以在那里聚集(典型地具有由与目标成分、目标成分与结合表 面的互作用、目标成分的迁移率等相关联参数确定的浓度)。在传输(transmissive)布置 中，载体优选地具有针对给定光谱范围的光，特别是由将在下面定义的光源发射的光的高 透明性。载体可以例如由玻璃或某些透明塑料制成。载体可以是可渗透的；载体为设置于载体上的孔径定义结构提供承载功能，该孔径定义结构具有小于衍射极限的最小面内孔径 尺寸(Wl)。b)源，用于将在下文中称为"入射光束"的辐射束发射到前述载体内，使得该辐 射束至少在载体的结合表面处的研究区域内被反射。光源可以是例如激光器或发光二极管 (LED)，可选地配置有用于成形和引导入射光束的某些光学元件。"研究区域"可以是结 合表面的子区域或者包括整个结合表面；“研究区域"典型地将具有由该入射光束照射 的基本上圆形斑点的形状。c)检测器，用于响应于来自该源的所发射的入射辐射，检测来自检测体积中存在 的目标成分的辐射。注意，术语“来自目标成分的辐射”包括是可检测的以用于检测目标成 分存在的任何辐射，可能包括任何标记颗粒。不受限制的是，辐射可以是散射、反射或者发 光的类型。检测器可包括例如光电二极管、光敏电阻器、光电池或者光电倍增管的任何合适 的一种传感器或多种传感器，通过传感器可检测到给定光谱的光。在本说明书中使用术语 光或辐射的场合，其意图涵盖所有类型的电磁辐射，特别地，视情况而涵盖可见以及不可见 电磁辐射。d)在结合表面附近提供一种光学结构，用于响应于入射在结合表面的辐射，在由 结合表面界定且在离开结合表面进入样本室的衰减长度上延伸的检测体积内提供倏逝辐 射。注意，给定介质内的术语“倏逝辐射”是指具有大于给定介质的波数的空间频率(即， 在真空中的波数乘以介质的折射率)的非传播波。实例为由全内反射或者由入射在亚衍射 极限孔径而产生的倏逝波。特别地，倏逝波场将以Ι/e衰减长度而衰减，视照射光而定，该 衰减长度典型地为IOnm至500nm。此外注意，光学结构优选地是这样的类型，即倏逝场基本 上不传播到光学结构之后，这意味着孔径定义结构的面外尺寸基本上大于Ι/e衰减长度。微电子传感器设备允许对在结合表面处研究区域内的目标成分灵敏和精确地定 量或定性检测。所述光学检测过程的一个优点包括其精确性，因为倏逝波仅探查小的体积， 该小的体积仅从毗邻载体的孔径端部典型地延伸到孔径内IOnm至30nm，因而避免来自该 体积后面的体材料的干扰(诸如散射、反射、发光)。微电子传感器设备可用于目标成分的定性检测，产生例如关于特定目标分子的简 单二元响应("存在"或者"不存在")。然而传感器设备可包括用于根据所检测到的反 射光而定量确定研究区域内目标成分的量的评价模块。这例如可以基于这样的事实，倏逝 光波中被目标成分吸收或散射的光量与研究区域内这些目标成分的浓度成比例。根据相 关结合过程的动力学，研究区域内目标成分的量进而可指示与孔径连通的样本流体内这些 成分的浓度。在优选实施例中，传感器的结合表面配置有多个孔径定义结构，其具有小于衍射 极限的第一最小面内孔径尺寸(Wl)，该衍射极限(Wmin)由用于包含目标成分的介质通过 下式定义Wmin= λ/(2 * Iimedium) (1)其中λ为在真空中的波长以及Iimralimi为线栅前方的介质的折射率。典型地，波长 将在400nm至800nm的(接近)可见范围内变化；典型地对应于在水中150nm至300nm的 最小孔径。在优选实施例中，孔径定义结构定义与材料块平行的第一和第二面内矢量，该材 料块是不透明的(实例为诸如金(Au)、银(Ag)、铬(Cr)、铝(Al)的金属)。第一(最小)面内孔径尺寸平行于第一面内矢量，第二(最大)面内孔径尺寸平行于第二面内矢量。相应地可以区分下述类型的孔径1.第一面内尺寸Wl小于衍射极限且第二面内尺寸W2大于衍射极限的第一类型的 孔径，存在由第一面内矢量和第三矢量组成的传输平面，该第三矢量垂直于第一和第二面 内矢量。R-偏振入射光(其为具有与传输平面正交的电场的光)基本上被孔径定义结构反 射并在孔径内部产生倏逝场。入射在由第一类型的孔径组成的孔径定义结构上的T-偏振 光(其为具有平行于一个或多个孔径的传输平面的电场的光)基本上被孔径定义结构传输 并在孔径内部产生传播场。2.对于两种面内尺寸均小于衍射极限的第二类型的孔径，我们无法定义传输平 面。任何偏振(诸如线偏振、圆偏振、椭圆偏振、随机偏振)的入射光基本上被孔径定义结 构反射并在孔径内部产生倏逝场。作为实例，对于一个面内尺寸恰好大于衍射极限以及另一个面内尺寸恰好小于衍 射极限的线栅并且假设倏逝衰减长度为30nm，我们发现30X244X244nm3的激发体积(假 设红色激发光632. Snm且导线之间为水)。这与激发体积内部一个分子的0. Qmmolar的浓
度对应。注意，利用全内反射来产生倏逝场也是可能的。依赖于玻璃棱镜的折射率Iiglass、载 体内的入射角θ A以及所使用光的波长λ，倏逝场的幅值可以描述为Qxp(-k^nglass25 η2(θΑ)-ηβΜ2 ■ ζ)ζ为距离界面的距离以及k为波数(2 π/λ)。在相对于检测表面的法线成80度 束角处，在水中的穿透深度((1/e)强度)从对于硅石(折射率为1.45)的IOOnm减小到对 于高折射率玻璃(折射率为2)的35nm。这里假设样本基质具有折射率nfluid = 1. 33 (与水 类似)以及所使用光的波长为650nm(DVD激光)。对于大多数实际应用，倏逝场穿透到位于载体顶部上的样本基质内受限于结合到 衬底的颗粒。穿透深度td_y (倏逝场的Ι/e强度)依赖于棱镜的折射率(Iiglass)和样本基 质(nfluid)以及入射角(α)tdecay = λ/(4· π · V [(nglass. sin(a))2-nfluid2]) (2)作为实例，对于例如30nm的衰减长度，将对应于至少1. 87的棱镜的折射率。对于 由诸如聚苯乙烯和聚碳酸酯的低成本材料制成的棱镜，典型折射率分别为1.55和1.58，在 水中的穿透深度被分别限制到最小值65nm以及60nm。转到图la，示出根据本发明一个方面的微电子传感器设备100的一般设置。载体 11可例如由玻璃或者比如聚苯乙烯的透明塑料制成。载体11置为紧邻样本室2且实际上 形成样本室2的多个壁的其中之一，具有待检测目标成分(例如药物、抗体、DNA等)的样 本流体可以被提供在样本室2内。室2还可由直立壁111定义，在优选实施例中该直立壁 连续地重复以形成多个相邻的壁111，形成例如用于微生物测定的孔板。样本进一步包含颗 粒10，例如通常用结合位(例如，抗体)来功能化用以特定地结合前述目标成分的颗粒10。 颗粒可被电学充电或者是荧光颗粒或者具有某些其它可检测特性。载体11和样本室2之间的界面是由称为"结合表面"12的表面形成。此结合表 面12可选地可涂覆有可特异地结合目标成分的捕获单元，例如抗体、配体。传感器设备进一步包括例如激光器或LED的光源21，该光源产生被传输到载体11内的入射光束101。入射光束101到达结合表面12且在此实例中被反射成为"反射光 束"102。反射光束102离开载体11并被例如光电二极管的光检测器31检测。光检测器 31确定反射光束102的功率/能量(例如由在整个光谱或者光谱的某一部分中的此光束 的光强表达)。通过耦合到检测器31的评价和记录模块32，测量结果在一观察阶段上被 评价且可选地被监测。材料块以条(strip) 20的形式提供在载体表面12上，定义具有小于 衍射极限的最小面内孔径尺寸(Wl)的线栅，该衍射极限由波长与包含目标成分10的介质 2的折射率两倍之间的比例定义，其中该材料块是不透明的，优选地为金属(例如金(Au)、 银(Ag)、铬(Cr)、铝(Al))。入射角θ原则上可以从0°变化到90°。由于孔径的衍射极 限性质，在研究区域13中创建了倏逝场，该倏逝场由于载体表面12所结合的或者至少位于 由孔径定义结构20产生的倏逝场范围内颗粒的存在而可以被选择性地干扰。除了条20，还提供电介质材料的直立壁3，该电介质材料例如为折射率介于1.2和 3. 4之间的材料。聚(四氟乙烯)、Si02、Si3N4, SiOxNy (其中χ和y代表相对比例)或其组 合为可使用的电介质材料的非限制性实例。因此形成了测量体积4，其中颗粒10可以通过对入射光束101的光学响应来检测 到。光学响应作为反射光束102被检测到。因此，检测体积被限制到小于衍射极限的最大 面内检测体积尺寸W1。通过用电介质材料3覆盖金属条20，由于金属材料存在引起的荧光 猝灭效应可以显著减少。优选地，为了最优化这种效应，不仅仅金属而且整个检测体积均配 置有电介质材料层。通过实例的方式，在图Ib中说明这种布置，在这种布置中孔径X的所 有壁A-C用电介质材料3涂覆。这具有的附加优点在于，防止了流体在导线之间的一部分 空间上线栅顶部上的择优润湿。大体上，更低的表面张力暗示了更好的流体润湿以及金属 (例如，铝表面张力为871. 03dyne/cm以及氧化铝表面张力为579. 56dyne/cm)和电介质材 料(例如，SiO2表面张力为205. 70dyne/cm)的润湿属性差别很大。根据本发明可以使用的电介质材料优选地具有与水的折射率(1. 33)接近的折射 率，因为检测体积典型地用诸如水的流体填充。假设折射率为1至1. 7，更优选地为1. 2 至1.5。根据本发明使用的电介质材料的实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 为氧化物比例)到 2. 0 (χ =0 ;y = 1)。所描述的微电子传感器设备100应用光学装置31来检测颗粒10以及所实际感兴 趣的目标成分。为了消除或者至少最小化背景(例如，诸如唾液、血液等的样本流体)的 影响，检测技术优选地是表面特异的。尽管本发明可以应用在周期性结构(周期为λ的光栅结构)中，但是不必如此， 实际上该结构也可以是非周期性或者准周期性的。最小尺寸的孔径尺寸Wl或者在适用时 的光栅周期Λ典型地小于衍射极限，该衍射极限由入射光束的主波长或波段以及用于包 含目标成分的介质定义。优选地，入射光束101排他地由波长大于衍射极限的辐射构成。具 有此处上文定义和在图2-1上描述的诸如线栅技术的第一类型孔径的孔径定义结构20的 良好属性在于，通过切换输入光的偏振，可以非常容易地将孔径内部的光从倏逝模式切换 到传播模式，这使得既能够进行表面特异测量又能够进行体测量。转到图2，示出了其上配置有条20以提供倏逝辐射的载体11的沿着截面X-X的俯 视图(A)和侧视图(B)。条20根据此处上文描述的第一(I)和第二(II)孔径类型而定制(dimensioned)。特别地，图2_1示出具有这样的孔径的实施例，该孔径的第一面内尺寸Wl 小于针对入射辐射的衍射极限(见图la)且第二面内尺寸W2具有大于衍射极限的尺寸；在 图中，W2沿着方向Y延伸。优选地，至少一个面内检测体积尺寸小于250nm，甚至更优选地 小于50nmo相反，实施例2-II示出一种针孔变型，其具有小于衍射极限的面内尺寸Wl和W2。 更具体地，在此实施例中，纳米孔4具有约50nm或更小的直径，确保平均起来对于微摩尔 (micro-molar)浓度而言，激发体积内仅具有单个核苷酸。线栅的导线之间的倏逝衰减长度 典型地为30nm。优选地，电介质材料3具有与材料2的折射率近似相同的折射率，该材料 2 (例如水，见图1)填充纳米孔4从而避免散射。聚四氟乙烯(TEFLON)可以是具有与水相 似的折射率的良好候选。优选地，电介质材料3具有防止缓冲溶液中存在的核苷酸或其它 分子附着在表面上的属性。用这种材料3覆盖金属导线20可进一步减小衬底和溶液之间 的互作用。线栅20可具有周期(Λ)以及如图2-II所示定义孔径Wl和厚度D。衍射极限典 型地可定义为两倍于最小孔径尺寸的介质中的波长。作为备选，图2-1的第一类型的线栅20可用第二类型的2D亚衍射极限孔径阵列 来取代，后者也称为针孔结构(见图2-11)。在这种情况下，孔径定义结构是由此处上述 的第二类型孔径组成。因此这些阵列具有针对任何偏振的高的反射(以及孔径内部的倏逝 场)。在图2中因此提供检测体积4，该检测体积可以成形到例如生物分子，特别是待测 序DNA分子的单分子检测体积。对于这些应用而言重要的是，单个分子被提供在检测体积 内以恰当地识别特定标记成分的随后混杂(hybridization)。特别地，测量体积可以是由 下述尺寸定义的体积检测表面12的50纳米面内方形，以及约150纳米的条20形式的光 学结构的高度D，得到对于在真空中650nm的波长，延伸到用于包含目标成分的介质内20nm 至40nm的测量体积转到图3，在将配置有检测体积4的光学结构20的前视图和俯视图中说明后续步 骤。在第一步骤301中可以看出，衬底11配置有如图2中指代的狭缝结构或孔径定义结 构20，特别地具有孔径的面外厚度D和第一面内尺寸W1。在图3a的步骤302可示出，例如 TEFLON的电介质材料3设置于狭缝结构20上，具有与狭缝结构20的面外厚度基本上尺寸 相同的面外厚度。在后续步骤303中，通过沿横切狭缝20的方向冲压条来提供图案310，这 示意性地由步骤303中的孔4说明。在步骤304中，将电介质层3回刻蚀到面外厚度D，使 得直立壁3被提供且检测体积4至少部分地由电介质材料3围绕。为了减小散射或反射效 果，优选地电介质材料3匹配介质2的介质衍射率，该介质2设置于载体11的顶部上(见 图1)。选择的材料可以是聚四氟乙烯、SiO2, Si3N4, SiOxNy (其中χ和y代表相对比例)或 其组合。检测体积4的面内尺寸是由在电介质材料中定义的纳米孔的尺寸确定。检测体积 4的面外尺寸由激发强度的倏逝衰减长度确定，例如激发强度的倏逝衰减长度约为30nm。 对于具有IOOnm厚的导线(面外尺寸)和相邻导线之间间距为50nm的线栅，对于波长为 632. 8nm的TE偏振激发光和14 * 50 * 50 = 35000nm3的激发体积，得到14nm的倏逝衰减 长度。对于平均起来在激发体积内部具有单个核苷酸而言，对于多至47微摩尔的浓度，该体积可以是足够小的；对于10微摩尔的浓度，冲模的条的宽度可以增加到230nm。图4说明利用通过入射束101和反射束102的全内反射的实施例，这里顶透明层3 由电介质介质提供，用孔4来图案化以提供检测体积。电介质层3和载体层11定义层界 面401，其中下透明层11折射率大于顶电介质层3。在这种布置中，通过全内反射，生成在 衰减长度上衰减的倏逝辐射403，该衰减长度优选地尺寸等于或小于电介质厚度层3。在一 个方面，目标成分在光学上不同于该介质折射率，因此具有与介质折射率不同的(复)折射 率。因此棱镜11具有比样本介质2的反射率大的反射率NPA，电介质材料3 (折射率 为nd)用具有亚衍射极限面内尺寸的纳米孔4来图案化。透镜系统404、406被提供以检测 来自颗粒10的光学响应，例如荧光或另外的光学响应(散射)。在荧光201被检测的情形 中，散射辐射光101可以被滤波器5阻挡且荧光202可被传输。检测器7检测作为入射束 203被聚焦在检测器7上的荧光202。对于在水中例如30nm的强度衰减长度以及650nm的波长，棱镜的折射率可以为 1.87或更大。使用诸如聚苯乙烯和聚碳酸酯的低成本材料，典型折射率分别为1.55和 1.58，将在水内的穿透深度分别限制为65nm和60nm。因此，此实施例公开全内反射(通过 使用棱镜11)。根据一个方面，表面电介质材料3用纳米孔图案化且具有介于衬底(11)和 样本(2)的折射率之间或者等于样本介质2折射率的折射率。替代使电介质材料(2)直接位于棱镜上，也可以将层2沉积在平坦衬底上并将此 衬底置于棱镜顶部上。优选地，在衬底和棱镜之间使用折射率匹配流体使得能够将光内耦 合到衬底内而不需要衬底和棱镜之间的接触，这防止了在棱镜-衬底界面的反射。图5示出一典型实例，其涉及由LaSF9(折射率为1.85)制成的棱镜，632. Snm的激 发波长、水样本(折射率为1.33)以及在棱镜顶部上作为图案化电介质材料的SiO2 (折射 率为1. 45)，依赖于入射角的倏逝衰减长度(Ι/e强度)的最小值为40nm至50nm。假设核 苷酸/标记浓度为10微摩尔，与单个核苷酸/标记相当的体积将为1. 66X 105nm3。结果， 柱形纳米孔的直径可小于70nm。图6示出一备选实施例，其中倏逝辐射403通过全内反射产生。使用环形激发斑 点与具有亚衍射极限纳米孔4的图案化层3的组合来照射物镜。替代使用如图4中的棱镜，为了产生倏逝场，还可以在物镜和高折射率材料块 (11)之间使用具有折射率匹配流体(从而避免寄生全内反射)的物镜/透镜(404)来产生 倏逝场。这种情况下，优选的是物镜/透镜(404)和块(11) 二者具有相同的折射率(np)， 该折射率大于样本介质(2)的折射率。为了产生倏逝斑点(20)，通过使用光学元件(609) 将平行输入束(105)转换成环形斑点(104)。光学元件(609)可以是阻挡斑点的中心部分 的掩模，不过更优选地是将“均勻”斑点转换成环形斑点的衍射元件。二向色镜(8)可用于 使环形斑点的光学路径与荧光(202)的光学路径部分地叠加以及用于除去所反射的激发 光。为了照射衬底的更大部分，可以除去光学元件(609)和将激发光(105)聚焦在物 镜的后焦面上。阻挡滤波器5、聚焦透镜6和检测器7可以与图4所述实施例相似地设计以 形成荧光于检测器7上。图7示出一实施例，其中倏逝场706是由在波导顶部上具有图案化覆层2的光学
10波导712产生，该图案化覆层2具有亚衍射极限纳米孔4。特别地电介质2使用折射率(π3)的纳米孔4来图案化。优选地该折射率与样本 (介质2)匹配。波导700包括具有折射率(nl)的透明衬底711和具有折射率(n2 > nl, n3, n4) 的透明核心层712。核心材料的良好选择可以是Si3N4，其具有高的折射率且发现其为低损 耗的材料。在电介质层2中，波导700具有位于核心层712外部的倏逝尾706。原理类似于先前的实施例；这里波导712用于产生倏逝场706 (1_D亚衍射极限激 发体积)，且与使用纳米孔4来图案化的电介质2组合，这样得到3D亚衍射极限激发体积4。 与用斑点照射样本相比(如实施例I)相比，使用波导712的优点是波导中的更高强度(波 导的典型模态面积约为几μπι2，对于ImW模态功率，这得到的强度约为lO-lOOkW/cm2)以及 这样的事实，模式正被传播使得我们仍然可以激发大的面积对于10微米宽的模式，我们 需要Imm的传播长度以激发等于100X IOOmm2的面积。透镜4、6，阻挡滤波器5和检测器7 的设计与图4和6所述实施例相似。所描述的光学读出的优点可以为下述优点-用于多分析物测试的大的复用可能性试剂盒(cartridge)内的结合表面12可 以在大面积上被光学扫描。备选地，允许大检测阵列的大面积成像是可能的。这种阵列 (置于光学透明表面上)可以通过例如将不同的结合分子喷墨印刷在光学表面上来制成。通过使用多个束和多个检测器以及多个致动磁体(或者是机械移动或者是电磁 致动)，该方法还使得能够在孔板内进行高吞吐量测试。-由于指数(exponentially)下降的倏逝场，该系统是真正表面灵敏的。-界面简单盒与读取器之间无需电学互连。检测该盒的唯一需求是光学窗口。因 此可以进行无接触的读出。-低噪声的读出是可能的。在实验室环境中，典型地使用包括许多样本室(“孔")的阵列的孔板，在这些样 本室内可以并行地进行不同测试。这些(一次性)孔的制作非常简单和廉价，因为单一注 射成型步骤就足够。尽管在上文参考具体实施例描述了本发明，但是各种调整和延伸是可能的，例 如-除了分子测定，还可以使用根据本发明的传感器设备来检测更大的部分 (moiety)，例如细胞、病毒、或者细胞或病毒的片段、组织提取液等。-可以将传感器元件相对于传感器表面进行扫描或不扫描来进行检测。-测量数据可以作为终点测量，以及通过动态或间歇地记录信号来导出。-用作标记的颗粒可以通过感测方法来直接检测。再者，颗粒可以在检测之前进一 步处理。进一步处理的实例是添加材料或者对标记的(生物)化学或物理属性进行调整以 利于检测。-该设备和方法可以与若干种生物化学测定类型一起使用，例如结合/非结合测 定、夹心测定、竞争测定、置换测定、酶测定等。该设备和方法特别适于DNA检测，因为大规 模复用是容易可行的且不同寡糖(oligo)可以经由喷墨印刷在光学衬底上而被认出。-该设备和方法适于传感器复用(即，并行使用不同传感器和传感器表面)，标记
11复用(即，并行使用不同类型的标记)以及室复用(即，并行使用不同反应室)。-该设备和方法可以用作用于小样本体积的快速的、具有鲁棒性的以及易于使用 的现场检验(point-of-care)生物传感器。反应室可以是与紧凑读取器一起使用的一次性 用品，包括一个或多个场发生装置和一个或多个检测装置。此外，本发明的设备、方法和系 统可以在自动化高吞吐量测试中使用。这种情况下，反应室为例如孔板或者比色皿，装配到 自动化仪器内。此外，根据某些方面，提供电介质直立壁可提供下述优点1)对于检测体积具有小于衍射极限的面内尺寸的线栅传感器，与针孔生物传感器 构思中相似的激发体积是可行的，而不损失该线栅生物传感器的特定优点；荧光收集效率 更高，因为荧光的一个偏振分量几乎不受抑制，以及通过改变激发光的偏振态而从倏逝激 发改变到非倏逝激发。2)与金属针孔生物传感器相比，检测体积由电介质材料而不是金属围绕，这可引 起荧光猝灭的减小。3)定义倏逝激发场的衰减长度的面内检测体积尺寸可以实际上不依赖于面内孔 径尺寸而受控制。本领域技术在实践所主张的发明时，通过研究图示、公开内容和所附权利要求书， 可以理解和达成所公开实施例的其它变型。最后指出，在本申请中术语"包括"不排除其 它元件或步骤，“一"或"一个"不排除多个，单个处理器或其它单元可实现若干装置的 功能。本发明在于各个和每个新颖的特性特征以及各个和每个特性特征的组合。再者，权 利要求书中的参考符号不应解读为是对其保护范围的限制。
权利要求
一种用于响应于入射辐射，在用于包含介质内的目标成分的检测体积内提供倏逝辐射的光学设备，所述检测体积具有至少一个小于衍射极限的面内尺寸(W1)，所述衍射极限由该辐射波长和用于包含目标成分的介质定义；其中所述检测体积配置有至少一个电介质材料的壁。
2.根据权利要求1的光学设备，其中该检测体积的壁配置有电介质材料层。
3.根据权利要求1的光学设备，其中该电介质材料具有1.0至1. 7的折射率。
4.根据权利要求1的光学设备，其中该电介质材料选自包括聚(四氟乙烯)、Si02、 Si3N4, SiOxNy或其组合的群组，其中χ和y代表相对比例。
5.根据权利要求1的光学设备，其中该检测体积定制为用于包含单个目标分子。
6.根据权利要求1的光学设备，其中至少一个该面内检测体积尺寸小于250nm。
7.根据权利要求1的光学设备，包括孔径定义结构，该孔径定义结构具有小于衍射极 限的最小面内孔径尺寸(W1’)并围绕每个检测体积。
8.根据权利要求5的光学设备，其中所述孔径定义结构定义最大面内孔径尺寸W2；其 中所述最大面内孔径尺寸大于衍射极限。
9.根据权利要求5的光学设备，其中所述孔径定义结构包括设置于该载体上的金属介质。
10.根据权利要求1的光学设备，进一步包括由室壁定义的样本室，用于包含含有该目 标成分的介质，该样本室的至少一个室壁是由该光学设备形成。
11.根据权利要求1的光学设备，包括使用孔图案化的顶透明电介质层以提供所述检 测体积，所述透明电介质层定义与折射率大于顶电介质层的下透明层的层界面，从而通过 在该层界面处和所述检测体积内的全内反射来提供倏逝辐射。
12.一种包括根据权利要求1的光学设备的微电子传感器，进一步包括用于发射入射在光学设备上的具有波长的辐射束的源；以及用于响应于来自该源的所发射的入射辐射，检测来自该光学设备内检测体积内存在的 目标成分的辐射的检测器。
13.—种微电子传感器，其中该源作为环形束而被提供，其中提供光学系统以将该束聚 焦朝向检测斑点。
14.一种检测光学设备的一个或多个检测体积内介质内的目标成分的方法，该检测体 积具有小于衍射极限的至少一个面内尺寸(Wl)，该衍射极限由该辐射波长和用于包含目标 成分的介质定义，该方法包括发射入射在该光学设备上的具有波长的辐射束；响应于入射在该光学设备的辐射，由该光学设备在该检测体积内提供倏逝辐射；响应于所发射的入射辐射，检测来自该检测体积内存在的目标成分的辐射；以及由电介质材料的至少一个直立壁界定所述一个或多个检测体积。
15.根据权利要求14的方法，其中该介质内的目标成分浓度被提供为与该检测体积内 的单个分子相当。
16.根据权利要求14的方法，其中该倏逝辐射是由设置于该结合表面上的孔径定义结 构提供，该孔径定义结构具有小于衍射极限的最小面内孔径尺寸(W1’)和大于衍射极限的 最大面内孔径尺寸W2 ；其中来自该源的入射辐射是R偏振的，即，具有与该孔径的传输平面正交的电场的光。
17.—种制造载体的方法，包括在衬底上提供孔径定义结构，该孔径定义结构具有小于衍射极限的最小面内孔径尺寸 (Wl')和大于衍射极限的最大面内孔径尺寸W2并具有面外尺寸D ；用电介质材料填充所述孔径定义结构，以在该孔径定义结构上提供顶层，该顶层从所 述结构沿面外方向在基本上等于该面外尺寸D的距离上延伸；在该电介质内提供与该最大面内孔径尺寸横切取向的狭缝图案；以及 将该顶层回刻蚀到该面外尺寸D，从而在该孔径定义结构内提供电介质材料的直立壁， 用于提供被界定到小于衍射极限的最大面内检测体积尺寸(Wl)的一个或多个检测体积， 该衍射极限由该辐射波长和用于包含目标成分的介质定义。
18.根据权利要求17的方法，其中所述目标成分布置成与生物分子结合。
全文摘要
提供了一种用于检测结合表面(12)附近的目标成分(10)的微电子传感器设备(100)，该设备包括用于发射入射在结合表面(12)的具有一波长的辐射束(101)的源(21)；位于结合表面(12)附近的光学结构(11)，用于响应于入射在结合表面(12)的辐射，在由结合表面(12)界定的且在从离开结合表面(12)到样品室(2)内的衰减长度上延伸的检测体积(4)内提供倏逝辐射；以及用于响应于来自源(21)的所发射的入射辐射(101)，检测来自检测体积(4)内存在的目标成分(101)的辐射(102)的检测器(31)，其中结合表面(12)配置有电介质材料(3)的直立壁，用于提供一个或多个检测体积(4)，该检测体积被界定到小于衍射极限的最大面内检测体积尺寸(W1)，衍射极限由辐射波长和用于包含目标成分(10)的介质(2)定义。
文档编号G01N21/64GK101952710SQ200880114706
公开日2011年1月19日 申请日期2008年10月30日 优先权日2007年11月5日
发明者C·R·M·德威茨, D·J·W·克伦德, E·M·H·P·范迪克, R·W·I·德博尔, R·彭特曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司