反射的光的复杂组合。可以用于测量反射 光谱的一种方便的方法是对该光谱进行快速傅立叶变换（FFT)分析，通过它获得单一强度 峰，其位置表征了所述层的有效EOT。然而，应当理解，可以使用任何其他光谱分析法，或直 接光路差方法。这提供了被靶细胞填充的孔隙的百分比的测量（有时称为孔隙的"填充因 子")。因此，当孔隙内的宿主分析物被待测的靶细胞替换时，由于孔内的光学介质的折射率 的变化，EOT也发生变化，因此FFT分析的输出峰的位置也发生改变。峰的位置偏移越多， 孔隙内的靶细胞的浓度越高。由于光学测量基本上可以即时地执行，因此这些装置给宿主 溶液内的靶细胞浓度提供有效的实时测量，唯一的延迟是用宿主溶液的靶细胞来有效地填 充有序的孔隙结构的时间。此外，由于PSi阵列结构可以通过常规的半导体技术容易地制 备，可以以低成本大批量生产阵列芯片。此外，所述光学测量系统也容易以微型光谱仪的形 式得到，使得监测系统的成本相比目前使用的用于检测生物污染的现有技术系统可以大量 减少，也许减少两个数量级。
[0018] 为了抵御环境变化的作用（即使没有孔隙结构含量上的任何变化，其也将导致 EOT的偏移），可以使用双孔结构，其中孔的内端的横截面，其是远离暴露于宿主溶液的表 面的这一端，小于孔的外部的横截面尺寸。在这种情况下，靶细胞可以被捕获在外部，但不 能穿过所述孔的较窄的内部。然而，宿主溶液不穿过所述内部，并且不论宿主溶液内是否 存在捕获的靶细胞而测量宿主溶液。对于这样的双孔结构，检测到三个与有效光路差关联 的FFT峰，其来自于（i)从基底的表面到内部的底部；（ii)从所述表面到所述外部的底部； 以及（iii)内部和外部的底部之间。由于靶细胞浓度是通过EOT (i)和EOT (ii)相对于 EOT (iii)的改变而测定的，当环境变化同等地改变所有这三个EOT至第一级时，与孔的内 部相关联的峰EOT(iii)可以被用作补偿环境变化的基线标记，特别是环境温度的变化。此 外，通过使用合适的选择性涂层，所述内部可以用于检测捕获在孔的外部的靶细胞的分泌 物。
[0019] 上文描述的装置和方法使得能够确定在MPSiAS的孔中捕获的靶成分的存在，并 定量估计它们在宿主分析物中的比较水平。尽管对于靶身份是唯一的某些应用而言这可能 是足够的信息，然而，在许多具有多个不同的靶成分的应用中，这些靶成分全部具有与靶成 分的尺寸相似或者更小的尺寸，这可以使它们能够被捕获在孔里，使得进行的光学分析不 提供特定靶识别的信息。因此，例如，在打算用于确定诸如某些大肠杆菌（E. coli)菌株的 细菌病原体的存在的系统中，分析物中其他细菌（其也可能被捕获在装置的孔隙内）的存 在将对于确定大肠杆菌的水平的测量造成问题。因此，为了执行这样的具体测定，可能有必 要提供某种形式的识别机制，以便特异地捕获打算检测和测量的靶微生物，从而提供装置 的选择性水平。因此，例如，可以处理孔壁的表面化学，以提供用于捕获期望用所述装置测 量的微生物的捕获探针。然后，它们保持被捕获的状态，而其他细菌和细胞则不会。通过涂 覆对靶微生物具有高亲和力的特异性抗体或适体或其他肽类来获得所需的效果。然后，可 能需要仿生机构来确保孔内的捕获探针的定向，使它们捕获进来的细菌或其他细胞或生物 体。对于待检测和测量的微生物，所使用的识别部分通常将是特异性的。因此，可以提供一 定范围的不同的检测装置，每个检测装置都用适合于其期望测量的微生物的识别部分来处 理。原则上，在本公开中所描述的生物传感器可含有多个2D-MPSiAS甚至2D-MPSiAS的阵 列（每一个可以是几百微米乘以几百微米，高达几毫米乘以几毫米）。这些MPSiAS中的每 一个可以被官能化，以选择性地检测不同类型的微生物，从而可以通过这种传感器来完成 多级细菌识别。
[0020] 本公开的MPSiAS装置还可用于执行确定微生物活力的方法，即区分活细胞和死 细胞。因此，如果所述装置被用于捕获特定类型的细菌细胞，引入生长培养基将导致活菌数 的倍增。由于孔隙的有效折射率增大，这将反映在EOT信号位置的偏移上。
[0021] 尽管在本公开中的阵列已经被描述为在硅中形成，用这种通用和方便的材料可以 形成阵列，但应当理解的是，使用硅基底并不意味着以任何方式限制本发明，并且本发明可 以使用其他材料，例如玻璃或塑料基底，以及那些不同于在本公开中描述的制造技术来实 现。然而，硅的一个可能的优点是将其他电子装置和电路与MPSiAS传感器整合到相同的芯 片上的能力；例如用于遥感应用的无线通信能力。
[0022] 此外，尽管本公开的方法和结构通常被描述为适用于检测尺寸等同于或者稍微大 于用于检测的光的波长的量级的生物靶的检测，但应当理解的是，这些方法和结构并不意 在限于这些生物靶，而是应当理解为适用于检测任何类型的合适尺寸的靶，无论是生物类 的还是非生物类的。这样的其他应用可以是在水技术、环境污染测量、化学工业以及其他领 域中。
[0023] 此外，由于具有波长范围的白光光源或宽带光源应当用于本公开所描述的设备内 且执行本申请的方法，并且这些光源的波长可以远远延伸超出在其中进行光谱检测的区 域，应当理解，无论是在本公开中还是权利要求书所主张的，用于进行检测的光或照射的波 长应理解为其中主要的能源被浓缩的波长，例如峰强度点的波长，或者含有光强度的大部 分的光谱区的平均波长，或者检测器的最大灵敏度的波长，或类似的定义。在任何情况下， 术语入射照射的波长以及具有类似含义的表述并不旨在包括基于光源的发射光谱的极端 的波长的限制，其中检测效率或照射水平低得不切实际。
[0024] 此外，靶成分所进入且被其捕获且其有效光学深度被测量的阱（trap)，在本公开 中被不同地描述为孔隙、微室和孔（well)，所有这些被理解为是指相同的特征。术语"孔" 在权利要求书中被用作表示这些特征的简单的通用术语。
[0025] 因此，根据在本公开中描述的装置的示例性实施，提供用于检测在宿主分析物中 的靶成分的系统，所述系统包括：
[0026] (i)含有在其表面形成的有序阵列的孔的基底，至少一些所述孔的横向尺寸使得 革巴成分能够容纳（fit)在其中，
[0027] (ii)宽带照射源，其发射一定范围的波长，并被设置以照射所述基底的表面，
[0028] (iii)光学检测器，其被设置以使其采集从基底衍射的光，并输出反射光谱信号， 以及
[0029] (iv)信号处理单元，其适用于分析反射光谱信号，以提供所述孔的有效光学深度 的量度，
[0030] 其中至少一些所述孔的横向尺寸与光学检测器检测到的照射源的波长至少一样 大。
[0031] 在这样的系统中，信号处理单元可以使用快速傅立叶变换来分析反射光谱信号。 在这种情况下，根据对反射光谱的快速傅立叶变换分析的结果所得到的峰的位置来确定有 效光学深度。此外，可设置光学检测器以与基底垂直，从而其采集来自基底的零级的衍射 光。
[0032] 此外，在上述系统的替代的实施方式中，所述孔的有效光学深度可以提供捕获在 孔的阵列之内的靶成分的浓度的指征，进而还提供分析物内的靶成分的浓度的指征。
[0033] 在任何上述系统中，有序阵列的孔可以包括层状光子晶体光栅。此外，所述基底可 以是硅芯片，并且有序阵列的孔可以通过微电子制作工艺制备。
[0034]另外的实施方式可以涉及例如先前所描述的那些系统，在其中靶成分是尺寸大于 被光学检测器元件检测到的照射源的波长的细菌细胞。所述孔可包括捕获探针，所述捕获 探针对于期望由所述系统测量的靶细胞具有高亲和性。这样的捕获探针可以被涂覆在孔的 壁上。作为具体实例，靶成分可以是微生物，并且所述捕获探针可以是抗体、适体或其他肽 类中的任何一种。这些微生物可以是细菌细胞，并且捕获探针可以是特异性抗体。此外，所 述孔可以结合细胞的营养供应，使得在供给营养供应之后能够观察到微生物的生长。然后， 供给营养供应后微生物缺乏生长可以被用作微生物一般是死亡的指征。此外，在任何这些 系统中，至少一些孔可以包括适合于待检测的靶成分的识别部分。如果是这样，则基底可以 包括至少两个不同的区域，在每个区域内的孔包括不同的识别部分，使得每个不同区域能 够同时检测不同的靶成分。
[0035] 通常，任何上述系统可适合于提供微生物的实时检测。
[0036] 另一示例性的实施方式可以涉及例如任何前面描述的那些系统，其中至少一些孔 具有至少两个具有不同横向尺寸的连续部分，并且其中比第一部分远离所述表面的第二部 分的横向尺寸小于所述第一部分的横向尺寸。在这样的构造中，第二部分的尺寸可以使得 靶成分不能穿透第二部