用于观察样本的对比度增强支撑体及其制造方法和使用
【专利摘要】本发明涉及一种用于观察样本的对比度增强支撑体(SAC)，其特征在于，其包括透明衬底(MI、SS)，所述透明衬底承载至少一个吸收性层(CA)，所述吸收性层的复折射率N1＝n1?jk1和厚度被选择为，使得所述层在受到通过所述衬底的光照波长为l的垂直入射的光照时充当防反射层，所述层的与所述衬底相对的面接触透明的环境介质(ME)，所述环境介质的折射率n3小于所述衬底的折射率n0。本发明还涉及用于制造这样的对比度增强支撑体的方法。本发明进一步涉及使用这样的对比度增强支撑体来观察样本，或者来检测或分析至少一种化学或生物物质的方法。
【专利说明】
用于观察样本的对比度増强支撑体及其制造方法和使用
技术领域
[0001] 本发明设及用于观察样本的对比度增强支撑体，W及用于制造运样的支撑体的方 法。本发明还设及用于观察样本的方法W及用于检测或分析应用运样的支撑体的化学或生 物物质的方法。
[0002] 本发明能够应用于各种技术领域，例如生物学(检测生物分子或微生物、观察细胞 培养)、纳米技术(检视纳米物体，例如纳米管）、微电子学、材料科学等。
【背景技术】
[0003] 使用防反射层(或"λ/4"层)来增加通过反射光学显微镜观察到的物体的光学对比 度是一种已为人所知多年的非常强大的技术;特别地，其使得Langmuir和Blodgett在1937 年首次观察到了分子行走(marches mol自culaires)，而最近，其还使得Novoselov等检视到 了石墨締层。
[0004] 令I为由设置在支撑体上的待观察的物体所反射的发光强度（I'intensit有 lumineuse)，并且令Is为由支撑体自身反射的发光强度;则，对该样本的观察的对比度等于 C=(I-Is)/(I+Is)。可W理解，在Is = 〇时(也即，当支撑体反射率为零时），或者当受支撑的 物体反射率为零时，该对比度的绝度值取其最大值(等于1)。在最简单的情况中，通过使用 透明基底充当支撑体，在透明基底上沉积同样透明的薄层，恰当地选择薄层的厚度和折射 率Q'indice de refraction)，而使得条件Is = 〇得到满足。对于单个的防反射层，受到具 有透明且半无限（semi-infinis)的入射介质（光照源自于该入射介质）W及透明且半无限 的出射介质(基底)的垂直入射的光照的情况而言，得到了下列条件：
[0005] '?|2 (.la)
[0006] η?θ? = λ/4 (化）
[0007] 其中，山是该层的折射率(实），η〇和Π3是入射和出射介质的折射率（也为实），ei是 该层的厚度，而λ是光照波长。
[000引对于给定的入射和出射介质，等式（1 a) W--对应的方式确定防反射层的折射 率。然而，该折射率可能会并不对应于常用的材料，或者并不对应于满足与所考虑的特定应 用相关的各类约束条件的材料。例如，对于空气-玻璃界面(对运种情况的实际兴趣是显然 的），我们得到m - 1.27，从而需要使用复合材料，例如气凝胶。
[0009] 本发明旨在克服现有技术的该缺陷。
[0010] 为实现该目的，本发明提出，使用展现出复折射率的吸收性防反射层。与折射率虚 部的存在相关联的额外的自由度能够减少折射率的实部的值所受到的约束。另外，虽然修 改材料的折射率的实部是困难的，但是，修改其虚部是相对简单的（例如，通过引入吸收性 或漫射(difTusantes)杂质，漫射"效仿"了吸收）。
[0011] 应当注意一一对于常规的"λ/4"层一一对比度的增加是源自于设及在入射介质/ 层界面W及层/出射介质界面的多重反射的干设效应。现在，在该层内部的光的吸收趋于消 除在运些多重反射之间的干设。从而，运种"吸收性防反射层"的概念初看起来与直观相惇。
[0012] S.G.Moiseev和S.V.Vinogradov的论文"Design of Antireflection Composite Coating Based on Metal Nanoparticle",Physics of Wave Phenomena,2011,Vol.10, No. 1，第47-51页研究了沉积在透明基底上的弱吸收性薄膜为了在垂直入射下(光照穿过空 气执行)抵消在空气-基底界面处的反射而必须满足的条件。该文献还描述了由包含金属纳 米粒子的复合材料制备的近似满足运些条件的吸收性薄层。该层减少了在空气-基底界面 处的反射，但是不会将其完全抵消。此外，通过对限于具有非常弱的吸收性的材料进行的分 析研究，该层的工作方式已经得到了展示，但是该结果难W-般化。另外，运样的涂层并不 旨在实现对比度增强支撑体。
[0013] 下列论文：
[0014] -M.A.Kats等人"Nanometre optical coatings based on strong interference effects in highly absorbing media".Nature Materials,Vol.12,January 2013,第20- 24页；W及
[0015] -R.Μ.A.Azzam等人"Antireflection of an absorbing substrate by an absorbing thin film at normal incidence".Applied Optics,Vol.26,No.4,第719-722 页(1987)
[0016] 公开了沉积在吸收性基底上的同样为吸收性的防反射层。同样地，描述仅是对特 定的情况进行，运些情况难W-般化。此外，在M.A.Kats等人的论文的情形中，仅部分地消 除了反射。
[0017] 文献US 5,216,542公开了一种用于玻璃基底的防反射涂层，该防反射图层包括在 基底的（旨在接受光照的）正面的、包括透明层和TiNx的吸收性层的多层结构，W及在所述 基底的背面的、单个的TiNx的吸收性层，然而，该单个的TiNx的吸收性层的厚度并不具有能 确保零反射率的性质，而只是确保低反射率。运样的涂层并不旨在实现对比度增强支撑体。
[0018] 根据本发明，包括吸收性防反射层的对比度增强支撑体的尺寸设定为用在"倒置" 或"背面"配置(也即通过折射率大于出射介质(或"环境介质"）的折射率的衬底进行光照和 观察）中。该配置尤其适用于衬底形成观察窗口，而吸收性防反射层被放置为与含水介质接 触(化学或生物应用）、或者吸收性防反射层维持在真空壳体或受控气氛中（例如沉积方法 的应用）的情况。运与上述S.G. Moiseev和S.V. Vinogradov的论文所描述的相反。此外，本发 明能够实现对于几乎任何透明环境介质都适用(而不是仅适用于空气）的支撑体。
[0019] 另外，如下文所述的吸收性防反射层还适合于除了对比度增强之外的应用一一实 际上，其适合于任何在存在来自透明衬底的光照时，希望消除或减弱光在所述衬底与折射 率较小的环境介质之间的反射的情况。
【发明内容】
[0020] 本发明的一个主题因此为，一种用于观察样本的对比度增强支撑体，其特征在于， 其包括透明衬底，所述透明衬底承载至少一个吸收性层，所述吸收性层的复折射率化= m- jki和厚度被选择为使得所述层在受到通过所述衬底的光照波长为λ的垂直入射的光照时 充当防反射层，所述层的与所述衬底相对的面接触透明的介质(所谓的环境介质），所述环 境介质的折射率m小于所述衬底的折射率no。优选地，所述层不由氮化铁(TiNx)制备。
[0021 ]根据运样的对比度增强支撑体的具体实施方案：
[0022]-在所述光照波长λ，所述衬底的折射率no、所述层的复折射率化= m-jki的实部和 虚部W及所述层的厚度ei能够满足下列条件：
[0025] C) ki > 0.001并且优选地，ki > 0.01，更加优选地，ki含0.1
[0026] 其中；
[0031 ]对于m和ki，容差小于或等于5%，优选小于或等于0.3 % ;而对于ei，容差小于或等 于30%，优选小于或等于5 %。
[0032]-更具体而言，在所述容差下，对于所述光照波长λ，所述衬底的折射率no、所述层 的复折射率化= m-jkiW及所述层的厚度ei可W进一步满足下列条件：
[0041 ]-所述衬底可W由玻璃制备。
[00创 -no/M的比可W被选择为在1.1与1.3之间。
[00创-作为变化形式，η日/Π 3的比可W被选择为在1.45与1.7之间。
[0044]-所述吸收性层可W选自：注入到所述衬底中的杂质层;金属层;半导体层;金属/ 半导体复合合金;磁性吸收性层;金属纳米粒子层;非金属导电层;漫射层;包含颜料或染料 的聚合物或光阻层;包含色屯、的矿物介电层;包括纳米粒子在其中分散的连续相的复合混 合层；W及石墨締层或功能化石墨締层。
[0045] -所述吸收性层可W包括至少一个功能化层，所述功能化层能够固定至少一种化 学或生物物质。
[0046] -所述衬底可W显示出功能化表面，所述功能化表面能够固定至少一种化学或生 物物质，所述吸收性层由被所述功能化表面固定的所述至少一种所述化学或生物物质形 成。
[0047] -所述吸收性层的透射比（transmittance)可W大于或等于80%，优选大于或等于 90%。
[004引本发明的另一个主题为，一种用于制造对比度增强支撑体的方法，所述对比度增 强支撑体包括透明衬底，所述透明衬底承载至少一个吸收性层，所述方法包括用于所述支 撑体的设计步骤W及由此设计出的支撑体的硬件制造步骤，其特征在于，所述设计步骤包 括下列步骤：
[0049] i)选择光照波长λ;
[0050] ii)选择构成所述衬底的材料，该材料在所述光照波长λ下显示出实折射率no;
[0051] iii)选择环境介质，该环境介质在所述层的与所述衬底相对侧与所述层接触，并 且在所述光照波长λ下显示出实折射率n3<n〇;
[0052] iv)确定所述层的标称(nominal)复折射率化= ni-jki和标称厚度ei，使得所述层 在受到通过所述衬底的光照波长为λ的垂直入射光照时充当防反射层，所述层的与所述衬 底相对的面接触所述环境介质；W及
[0053] V)选择构成所述吸收性层的材料，该材料在所述光照波长λ下显示出复折射率，该 复折射率的实部和虚部至多在小于或等于5%的容差内与所述标称复折射率的实部和虚部 一致，优选至多在小于或等于0.3%的容差内与所述标称复折射率的实部和虚部一致。
[0054] 根据运样的方法的具体实施方案：
[0055] -在所述步骤iv)期间，所述标称复折射率和所述标称厚度可W被选择为满足下列 条件：
[0化引 c)ki>0.01，W及优选地ki>0.1 [0059]其中；
[0064]-可W确定所述层的标称复折射率和标称厚度，使得对于所述光照波长λ满足下列 条件：
[0073] 而本发明的另一个主题为，一种观察样本的方法，所述方法包括下列步骤：
[0074] A.将所述样本设置在厚度为ei的吸收性层上，所述吸收性层显示出复折射率化= m-jki并且位于具有实折射率no的第一(所谓入射介质)透明介质与具有实折射率n3<n〇的第 二(所谓出射介质)透明介质之间；
[0075] B.通过所述入射介质至少在所述光照波长λΚ垂直入射对所述样本进行光照；
[0076] C.同样通过所述入射介质，对运样地受到光照的样本进行观察；
[0077] 其中，所述吸收性层显示出的复折射率和厚度使得：
[0080] C) ki > 0.001，并且优选地，ki含0.01，更加优选地，ki含0.1 [0081 ]其中：
[0086] 对于n〇、m和ki，容差小于或等于5 %，优选小于或等于0.3 % ;对于ei，容差小于或 等于30%，优选小于或等于5%。
[0087] 根据运样的方法的具体实施方案：
[0088] -所述步骤A可W通过如上所述的对比度增强支撑体来实施，该对比度增强支撑体 的衬底构成所述入射介质。
[0089] -所述样本可W受到至少在所述光照波长λ的平行或聚焦的光束的光照，从而形成 显示出小于或等于20°的半孔径角（demi-angle d'ouve;rture)的光照椎（cone d'有 clairage)。
[0090] -所述样本可W受到至少在所述光照波长λ的聚焦的激光束的光照。
[0091] 而本发明的另一个主题为，一种用于检测或分析至少一种化学或生物物质的方 法，所述方法包括下列步骤：
[0092] I.取得如上所述的对比度增强支撑体，该对比度增强支撑体包括功能化层或功能 化表面，所述功能化层或功能化表面能够固定至少一种化学或生物物质；
[0093] II.使所述功能化层或功能化表面接触至少一个溶液，该溶液包含由金属纳米粒 子标记或者由吸收性或漫射性标记物标记的化学或生物物质，所述化学或生物物质能够被 直接固定在所述功能化层或功能化表面上，或者通过一种或多种其他的化学或生物物质而 固定在所述功能化层或功能化表面上，从而所述粒子形成连续或不连续的吸收性或漫射性 的金属层；
[0094] III.通过所述衬底至少在光照波长λΚ垂直入射对所述对比度增强支撑体进行光 照；
[00Μ] IV.同样通过所述衬底，对运样地受到光照的所述对比度增强支撑体进行观察。
[0096] 而本发明的另一个主题为，一种用于检测或分析至少一种化学或生物物质的方 法，所述方法包括下列步骤：
[0097] I.取得透明衬底，该透明衬底承载功能化层或功能化表面，所述功能化层或功能 化表面能够固定至少一种化学或生物物质；
[0098] II.使所述功能化层或功能化表面接触至少一个溶液，该溶液包含由金属纳米粒 子标记或者由吸收性或漫射性标记物标记的化学或生物物质，所述化学或生物物质能够被 直接固定在所述功能化层或功能化表面上，或者通过一种或多种其他的化学或生物物质而 固定在所述功能化层或功能化表面上，从而形成连续或不连续的吸收性或漫射性的金属 层，所述透明衬底与所述功能化层或功能化表面W及运样地形成的吸收性或漫射性金属层 一同形成了如上所述的对比度增强支撑体；
[0099] III.通过所述衬底至少在光照波长λΚ垂直入射对所述对比度增强支撑体进行光 照；
[0100] IV.同样通过所述衬底，对运样地受到光照的所述对比度增强支撑体进行观察。
[0101 ]根据运样的方法的具体实施方案：
[0102] -所述步骤II可W由下列子步骤组成：
[0103] ΙΙ-1)使所述功能化层或功能化表面接触包含待检测或分析的化学或生物物质的 第一溶液，从而形成所谓中间层；W及
[0104] ΙΙ-2)使所述中间层接触第二溶液，该第二溶液包含所谓辅助化学或生物物质，该 辅助化学或生物物质被金属纳米粒子标记，或者被吸收性或漫射性标记物标记，并且能够 被固定在所述中间层上，从而形成所述连续或不连续的吸收性或漫射性的金属层。
[0105] -作为变化形式，所述步骤II可W由下列子步骤组成：
[0106] ΙΙ-Γ )使所述功能化层或功能化表面接触第一溶液，该第一溶液包含化学或生物 物质(所谓中间物质），该中间物质被金属纳米粒子标记，或者被吸收性或漫射性标记物标 记，并且能够被固定在所述功能化层上，从而形成所述连续或不连续的吸收性或漫射性的 金属层；w及
[0107] II-2'）使所述功能化层或功能化表面W及所述吸收性或漫射性金属层接触第二 溶液，该第二溶液包含所述待检测或分析的化学或生物物质，所述待检测或分析的化学或 生物物质显示出比所述中间物质更强的与所述功能化层或功能化表面的亲和性，从而所述 中间物质被取代，并且所述吸收性或漫射性金属层至少部分地被去除。
[0108] -在所述步骤II期间，可W使所述功能化层或功能化表面接触包含待分析的化学 或生物物质W及竞争化学或生物物质的溶液，运两种物质中的一种被金属纳米粒子标记， 或者被吸收性或漫射性标记物标记，从而获得连续或不连续的吸收性或漫射性的金属层， 该金属层的有效厚度取决于所述竞争的化学或生物物质的浓度与所述待分析的化学或生 物物质的浓度之间的比。
[0109] 常规上会认为，一种材料在其折射率的虚部在波长λ下小于0.01、或小于0.001、或 甚至小于0.0001时对于该波长透明。
【附图说明】
[0110] 通过阅读参考所附附图给出的说明书，本发明的其他特征、细节和益处将显现出 来，所述附图W示例的方式给出，并且分别表示：
[0111] -图1，由两个半无限介质之间的薄层构成的结构；
[0112] -图2Α至图2D，示出根据本发明的各个实施方案的吸收性防反射层的折射率的实 部与虚部之间的关系的图；
[0113] -图3Α至图3C，示出根据本发明的各个实施方案的吸收性防反射层的厚度与折射 率的虚部之间的关系的图；
[0114] -图4Α至图4F，示出根据本发明的各个实施方案的吸收性防反射层的厚度与反射 比（4A-4D)或吸收比（4Ε、4巧之间的关系的图；
[0115] -图5Α和图5Β，示出通过根据本发明的各个实施方案的支撑体而得到的对样本的 观察的对比度的图；
[0116] -图5C和图加，示出通过根据本发明的实施方案的支撑体而得到的对厚度不同样 本的观察的对比度的图；
[0117] -图6,根据本发明的实施方案的对比度增强支撑体的应用；
[0118] -图7Α至图7Ε，根据本发明的各个实施方案的用于检测或分析至少一种化学或生 物物质的方法；W及
[0119] -图8, W示例的方式示出但是不属于本发明的、应用了吸收性衬底的对比度增强 支撑体。
【具体实施方式】
[0120] 图1示出了（真空下)波长为λ的单色平行光束化(可W局部地将其认为是平面波）， 其垂直入射在运样的结构上，所述结构包括:所谓的入射半无限介质ΜΙ，光束源自于该入射 半无限介质，该入射半无限介质是透明的且其特征为实折射率no;吸收性层CA，其厚度为ei， 特征为复折射率化= m-jkirj"是虚数单位）；W及所谓的出射半无限介质ME,其位于该层 的与光源起的一侧相对的一侧，该出射半无限介质是透明的且其特征为实折射率n3<n〇。入 射介质可W特别地是基底，例如由玻璃制备的基底，而层CA沉积于其上。在层CA上，在出射 介质侧，可W沉积具有实折射率Π 2 (或复折射率化=Π 2-jk2 )的样本(未示出）。如上文所解释 的那样，为了最大化观察样本的对比度，需要抵消入射介质MI/层CA/出射介质ME组件在不 存在样本时的反射比（reflectance)。
[0121] 图1所示的类型的结构(厚度为ei的层位于两个半无限介质之间）的复反射系数由 艾里(Airy)公式给出：
[0122]
巧
[012引其中，ri堤界面i-j处的菲涅尔系数(j = 0、l或3，"0"对应于入射介质，"Γ对应于 层CA，而"3"对应于出射介质），0i = 2JTnieicos目ι/λ是与所述层相关联的相位因数，目1是层中 的折射角。首先，考虑具有实折射率m的透明层，将在之后处理对于吸收性层的情形的一般 化。另外首先，还考虑入射可W是不垂直的。
[0124] V'（TM)和V (TE)偏振的菲涅尔系数为：
[012引防反射条件对应于r0i3 = 0,其在透明介质(实折射率)的情况下给出两组解：
[0129] -所谓的"λ/2"层，其中
，m为整数，该"λ/2"层仅当η〇 = η3时存化W 及
[0130] -所谓的"λ/4"层，其4
:Ρ为整数）。
[0131] 在介质1(层CA)是吸收性的情况下，其折射率化= ndki是复数;折射角(此时表示 为Θ 1似及相位系数（Bl)也是复数。在该情况下，:r〇13 = 0要求：1'日1,31'13,。= 1'日1,。1'13,3;该等式 仅在下列；个条件中的一个满足时为真：01 = 0(垂直入射），Ni2 = n〇2(没有层）或η〇2 = Π 32(入射介质和出射介质完全相同）。因此，对于任意的极端介质，仅在垂直入射时可W满足防 反射条件。已知1'日11,。= -1'日1,3和1'13,。= -1'13,3，则公式（2)变为：
[0132]
所
[0133] 等式(3)是超越方程，不容许有解析解。然而，可W找到对应于极端情况的解:强吸 收性层和弱吸收性层。
[0134] 对于强吸收性的情况，可W假设θ??λ，因为光不会传播穿过吸收性非常强且很厚 的层；因此，I Bi I ?1，然后则可W写至Bi的第二阶
，其中 51=(23111日^)61。将等式的实部和虚部分开是有用的，使用"约化（'6(1111*63)"变量
也是有用的。等式(3)则可W写成下列方程组的形式：
[0137] 考虑到δι必须是实数且是正的，则有条件n〇〉n3("倒置结构（g自om自化ie invers有 e)")。通过令n〇=1.52且m=1.34(从而对应于在生物光子学中常用的玻璃/水的情况)得到 了纳米量级的厚度ei=a/23i)(n〇-n3)/2mki，从而符合最初的假设。有趣(且意料不到）的 是，由于κι(并因此ki)趋于零，等式(4a)趋于常规的折射率条件。与数值结果的比较可W验 证等式(4a)对于任何ki值都是近似有效的，尽管该等式是在强吸收性层的假设下推导的。 另一方面，基于等式(4b)得到的ei的值并不趋于λ/4ηι;因此，等式(4b)并不具有一般的有效 性。
[013引对于弱吸收性的情况，我们令Βι = π/2-ει(其中，ει是复变量），从而意味着：
则可W写出Κ1至第二阶：
[0141] 在实践中，等式(5a)(其有效域被证实为非常有限）不太受关注，运是因为如上所 述，等式（4a)构成了对于任意的ki值的令人满意的近似。运在图2A中示出，图2A显示了VI (K1)关系;对应于等式(3)的数值解和对应于等式(4a)的曲线是不能分辨的。图2B显示了等 式(4a)相对于数值解的按百分比计的误差:可W看到，该误差非常小。图2C和图2D是图2A的 放大图，运使得能够更详细地研究弱吸收机制；在运些图中，曲线c4a对应于对强吸收性有 效的等式(4a)，曲线c3对应于等式(3)的数值解，曲线c5a对应于等式(5a)，而曲线c5a'对应 于截断到一阶的等式巧a)。可W看到，对于较小的K1值，等式(5a)及其一阶版本实际上构成 了比等式(4a)更好的近似，但是等式（4a)在所有情况下仍保持为相当好的近似，而等式 (5a)则很快就丧失了任何相关性。
[0142] 图3A和图3B示出了δι(K1)关系；曲线cN对应于等式(3)的数值解，曲线c4b对应于对 于较大的ki有效的等式(4b)，而曲线c5b对应于等式(5b)。可W看到，在该情况下，对于较大 的kl得到的解并不构成对于较小的K1的可接受的近似。另一方面，存在着被证明为在所有情 况下都令人满意的半经验公式(对应于曲线c6b)。图3C示出了该半经验解相对于数值解的 误差:该误差从未超过3.5%。该半经验解由下面的等式(6b)给出；等式(6a)就是等式(4a)， 如上所述，等式（4a)可W被认为是一般化的并且甚至对于较小的Kl可W用来替换等式 (5b)：
[0145] 其中
[0146] 图4A显示了对于κι的各个值的作为δι的函数的反射比曲线；图4B显示了作为1/δι 的函数的反射比曲线。由于1/Si正比于λ，图4Β示出了给定基底的反射比是如何作为光照波 长的函数而变化的。可W注意到，尺寸被加工为在波长λ工作的吸收性防反射层在波长λ'〉λ 也减弱反射。运使得还能够在多色光照下使用运些支撑体;在后一种情况中，合适的是，针 对用于光照的最小波长来对吸收性防反射层的尺寸进行加工。
[0147] 图4C和图4D分别是图4Α和图4Β的放大图，更具体地显示了低反射比区域。图4Ε和 图4F显示了对于Κ1的各个值的、分别作为δι和1/δι的函数的吸光度(d'absorbance)曲线。
[0148] 图4A至图4D显示了，吸收性防反射层的约化厚度δι越小，该吸收性防反射层的折 射率的约化虚部Κ1越重要。换言之，层的吸收性越强，其就必须越薄。曲线4Ε和4F能够验证， 由等式(6b)给出的在厚度δι下的吸光度实际上独立于Κ1，并且等于约0.1。
[0149] 在上述的G.Moiseev和S.V.Vinogradov的论文中，其研究了用在非倒置配置(光照 源自于折射率较低的介质）下的吸收性防反射层;他们发现，厚度越大，该层的折射率的虚 部越大，导致吸光度随着该虚部而快速增加。在运些条件下，防反射层仅对于非常小的ki值 存在，从而使用吸收性非常强的防反射层充当对比度增强层是不可能的。而在本文考虑的 情况中，并未出现该问题。
[0150] 图5A至图5D使得能够对通过包括如上所述的吸收性防反射层的支撑体而实现的 样本观察的对比度进行研究。我们考虑玻璃基底、由水构成的出射介质(η〇/π3 = 1.14) W及 由折射率为112 = 1.46的透明层构成的样本。图5Α显示了，对于与图4Α-图4F中所考虑的Κ1的 值相同的Κ1的值(κι = 〇(非吸收性防反射层，不构成本发明的内容），〇.!，〇.3,0.6a和2)，作 为约化厚度δι的函数的对厚度为e2 = lnm的样本的观察的对比度C的值。图5B显示了作为1/ δι的函数的该对比度的值。
[0151] 我们注意到：
[0152] -只有非吸收性层能够使对比度发生真正的倒转（暗的样本在亮的背景上）；层Κ1 = 0.1也发生了类似的倒转，但是仅在非常低的对比度水平上；
[0153] -Κ1越大，对比度尖峰的宽度越小一-因此，防反射层的约化厚度的容差越小。对 于待观察物体的厚度为Inm的情况，对于κι = 〇.1，即使在δι与其最优值偏离±10%时，对比 度仍是可接受的(0.4)，但是对于κι= 1，该容差很难超过1 %。
[0154] 图5C和图加能够研究样本的厚度的影响：它们显示了κι = 〇. 1时，在e2=lnm、0.1 nm 和O.Olnm(运些是样本的有效厚度，所述样本由设置在对比度增强层表面上的稀疏的原子 或分子构成）的情况下，分别作为Si和1/δι的函数的对比度C的值。我们注意到，对比度C可W 始终达到值1，但是厚度62越小，δι的容差就减小得更多。特别的，由于δι等量地依赖于吸收 性防反射层的厚度和光照波长，所W对于非常薄的样本，有益的是，精细地调整波长W便使 对比度最大化。
[0155] 同样会有益的是，选择光照波长和/或吸收性防反射层的厚度，使得δι稍稍大于其 最优值，从而使对比度变为物体的厚度的单调函数，W便能够对物体进行测绘 (cartographie)。
[0156] 图6表示了一个对比度增强支撑体SAC，该对比度增强支撑体包括：用作入射介质 的透明基底SS，其由例如玻璃制备;防反射吸收性层CA，其沉积在所述基底上并且与出射介 质ME (例如，水溶液或空气)接触。在出射介质侧，样本ECH沉积在层CE的一部分上。该基底受 到光束化的垂直入射的光照，在运里所考虑的示例中，该光束是通过透镜LE而聚焦在防反 射层的水平的、具有高斯分布的激光束。确实已知的是，高斯束在其聚焦区Γ束腰"）显示出 平面相位的波前，而因此可W在局部当做平面波(上面理论展开中所考虑的情况）。半透明 镜MST使基底SS/层CA/样本ECH/出射介质ME的组件所反射的光的一部分偏离，将其导向物 镜L0,使得能够观察所述样本。该观察可W通过扫描或"全视场"完成。作为变化形式，可W 使用平行的光束或远屯、检视系统。应当注意，入射光的空间相干性和其偏振状态无关紧要。 另一方面，如果希望观察强度对比度，使用窄带光照是合适的；多色光照会导致关于强度的 对比度不如关于颜色的对比度那么大(观察到的样本具有与背景颜色不同的颜色、且根据 样本厚度具有不同颜色）。
[0157] 在图6的设置中，透镜L0和LE可W互换。另外，有用的是，基底正面上的寄生反射可 W通过诸如下列各项的技术减弱:浸入在油中，在正面与背面之间存在斜角，空间滤波器， 常规的防反射处理。
[0158] 为了设计图6所示的类型的对比度增强支撑体，可W按下述方式进行：
[0159] -首先，根据所考虑的应用或者各种技术限制，确定光照波长(或者如果光照是多 色的，贝为最小光照波长)入。
[0160] -接下来，选择旨在构成基底的第一材料W及旨在构成"环境介质"或"出射介质" 的材料。通常，对环境介质的选择由所考虑的应用确定（对于生物应用而言，一般是水溶 液）；对于构成基底的材料的选择由技术考虑和在波长λ下n3<n〇的限制决定。通常，选择的是 玻璃基底，W及由空气（比例m/n庙1.45与1.7之间）或水（比例m/n庙1.1与1.3之间）构成 的环境介质。
[0161] -之后，使用等式(6a)来确定将构成吸收性防反射层的材料的折射率的实部和虚 部联系起来的关系。然后，选择或设计满足该关系的材料。例如，可W根据各类技术考虑选 择透明起始材料，例如聚合物;将其折射率的实部作为强制数据;并且，通过添加杂质（染 料、纳米粒子……)来修改所述折射率的虚部，W便满足等式(6a)。
[0162] -最后，通过应用等式(6b)(或构成其实际情况的，等式(4b)或(5b)中的一个)来确 定所述层的厚度。
[0163] 接下来，通过常规技术来进行支撑体的制造，例如旋转涂布、浸入涂布、漉式涂布、 沉降或蒸发涂布;化学或物理气相沉积、离子注入、电解沉积等。
[0164] 吸收性防反射层可W是金属的(尤其是金的）、半导电的、非金属导电的、由包含颜 料或染料的聚合物制备的、由包含色屯、的无机(矿物)材料制备的等。在适于制造吸收性防 反射层的半导电材料之中可W提到:错（用于近紫外化V)应用，例如在354皿）、Ti化（同样在 近UV)、娃化钢、娃化儀或娃化铁(在可见光段）、娃化鹤(在近红外或近UV)、娃化错(在可见 光段或近UV)、粗或饥(在可见光段)等。吸收性防反射层还可W包含金属纳米粒子。其可W 是磁性的，运对于对同样是磁性的样本的研究是有意义的。使用导电的层(无论是否为金属 的)使得能够将受控的电势差施加到样本和/或能够进行"电化学成像"，电化学成像能够研 究电沉积、腐蚀、催化等现象。一个尤其有意义的变化形式包括，制作单片的支撑体，在该单 片的支撑体中，吸收性防反射层是在基底的表面上的注入的杂质（例如通过离子注入）的 层;运样的基底可W进行清洁和再使用，而不存在损害该层的危险。"吸收性"防反射层并不 必须是常规意义上的吸收性:作为变化形式，其可w是漫射层，漫射"效仿"吸收并且能够同 样地通过复折射率建模。
[0165] 诸如上述的对比度增强基底还能够制造用于检测和/或分析化学或生物物质（d' espgces)的生物忍片(biopuces)。例如，如图7所示，能够在对比度增强层CA上沉积功能层 CF。该功能层被放置为接触溶液S(例如，水溶液），该溶液包含待检测的化学或生物物质 ECD。待检测的化学或生物物质被功能层固定，并且形成附加的薄层CE，该附加的薄层构成 了待观察的样本。在实践中，对于生物忍片而言，将沉积数个不同的功能垫，从而能够选择 性地固定不同的化学或生物物质。在上述条件下，通过使用显微镜观察生物忍片，能够简单 地识别出溶液中实际存在的物质。在某些实施方案中，一个相同的层可W同时实施选择性 固定的化学功能W及对比度增强的光学功能。
[0166] 优选地，在垫外可W设置避免固定包含在所述溶液中的任何化学或生物物质的纯 化层（"化学纯化"）。可W使用例如聚乙二醇、氣化聚合物或氣化烷基，例如，对于金的情况 而言通过硫醇而功能化。在制造了垫之后，该纯化层可气相或液相沉积。作为变化或补 充形式，可W使用不连续的吸收性防反射层，其仅与垫相对应地存在(或显示出最优厚度）； 则此时称之为"光学纯化"。
[0167] 当希望检测或沉积化学或生物物质时，还可W使用仅设置有功能层CF的基底。在 该情况下，吸收性防反射层由被所述层CF固定的那些物质构成。
[0168] 根据第一实施方案，如图7B所示，功能层被放置为接触包含待检测或分析的化学 或生物物质ECD的溶液，该待检测或分析的化学或生物物质已由金属纳米粒子NPM标记并且 能够固定在所述功能层上，从而形成金属层CM。该层实际上会是不连续的，但是其在可见光 波长(几百纳米）的尺度上呈现为连续的，其具有有效厚度和有效折射率，该有效厚度可W 是纳米粒子直径的一部分。观察W上述方式进行，如此构成的金属层既用作对比度增强层 也用作样本。对于确定的溶液与功能层接触的时间，金属层的厚度取决于化学或生物物质 的含量，从而能够进行分析。
[0169] 作为变化形式，金属纳米粒子可W替换为吸收性标记物，例如巧光分子(注意，利 用的并不是巧光本身，而是强吸收性的巧光分子）。
[0170] 第一实施方案的缺点是，仅能够检测标记了的化学或生物物质。下面的实施方案 不具有该缺点。
[0171] 根据第二实施方案（图7C)，功能层被放置为接触包含待检测或分析的化学或生物 物质的第一溶液S1，从而形成所谓中间层CI。该中间层是不可观察的。为显示该层，其被放 置为接触第二溶液S2，该第二溶液包含所谓辅助化学或生物物质ECA，该辅助化学或生物物 质由金属纳米粒子(或吸收性标记物)标记并且能够固定在所述中间层上，从而形成金属 (或吸收性)层CM。
[0172] 如果存在的待检测的物质量不足W使得功能层饱和，而另一方面存在过量的辅助 物质，则该技术可W是定量的。在该情况下，层CM的有效厚度和有效折射率(并且因此观察 到的光照信号的强度)将取决于待检测的物质的浓度。
[0173] 只有在待检测的化学或生物物质显示出至少两个活性位点时，才能使用该第二实 施方案;因此，该第二实施方案不能应用于例如半抗原。此外，其实施相当的复杂。
[0174] 下面的实施方案不具有该缺点。
[0175] 根据第Ξ实施方案（图7D)，功能层被放置为接触包含所谓中间物质ECI的化学或 生物物质的第一溶液S1，该中间物质已由金属纳米粒子或吸收性标志物标记并且能够固定 在所述功能层上，从而形成所述连续或不连续的金属或吸收性层CM。接下来，如此得到的组 件被放置为接触包含待检测或分析的化学或生物物质的第二溶液S2,所述待检测或测定的 化学或生物物质显示出比所述中间物质更强的与所述功能层的亲和性。从而，中间物质被 替换，并且所述金属或吸收性层被至少部分地去除，运由光照信号的增强所证实。该技术既 应用于对目标物质的定性水平的检测，也应用于对目标物质的定量水平的分析。该方法的 一个益处在于，其两个步骤是可W是分离的：可W在层CM已经形成的情况下，使支撑体准备 好用作化学或生物传感器。
[0176] 根据第四实施方案（图7E)，所述功能层被放置为接触包含待分析的化学或生物物 质、W及所述竞争化学或生物物质ECC的溶液S，两种物质中的一种(优选竞争物质）由金属 纳米粒子或吸收性标记物标记。从而，得到了金属或吸收性层CM，其有效厚度和有效折射率 取决于所述竞争化学或生物物质与所述待分析的化学或生物物质的浓度比。如同在其他实 施方案中的一样，信号取决于该有效厚度和该有效折射率。
[0177] 化学或生物物质可W为例如抗体、抗原、蛋白质、DNA、RNA、糖类、酶、金属离子(尤 其是应用于水质监测的金属离子）、芳香分子、例如控的有机分子和微生物等。
[0178] 标记物可W是漫射性的，而不是金属或吸收性的。实际上，如图上文所解释的，漫 射的作用可W由具有虚部的折射率表示。从而，例如二氧化娃或氧化侣的矿物纳米粒子的 介电纳米粒子、树形分子(den化imgres)、乳胶纳米粒子、囊泡或病毒可W起到与金属纳米 粒子相同的作用。
[0179] 上述检测或分析技术还可W应用在功能层沉积在如上所述的对比度增强层上的 情况下。功能层及对比度增强层，如果合适的话)可W构造为垫，而可W对运些垫外部的 表面进行化学和/或光学纯化，如上文所解释的那样。
[0180] 至此，我们仅考虑了光照和观察是通过显示出的（实)折射率大于环境介质的折射 率的基底而进行的情况，运称为"背面"或"倒置结构"。作为变化形式，也可W在"正面"配置 下工作，运就是说，通过环境介质进行光照和观察;在该情况下，基底必须显示出比所述环 境介质的折射率小的折射率:η日<Π 3。
[0181] 另一种一般化在于考虑吸收性的入射介质和/或出射介质。最令人感兴趣的情况 是，入射介质是透明的，而出射介质吸收性的：实际上，如果入射介质是强吸收性的，则光会 不能在其中传播W到达防反射层。
[01剧从公式(3)开始，对于κι>0.15,将Π 3替换为化= n3-jk3,我们得到：
[01 化]其中，Λ-; 。
[0186] 我们注意到，在公式(7b)中，高K3值可W改变δι的符号。因此，能够在同为吸收性的 基底上沉积吸收性防反射层，通过吸收性防反射层的与所述基底相对的面受到光照（"正 面"配置）。例如，可W是金属层沉积在半导电基底上或者相反，运可W应用于例如微电子领 域。该类型的层已经由前述R.M.A.Azzam等人的论文所描述。此外，前述M.A.Kats等人的论 文已经描述了相似但没有完全抵消反射的层。然而，运些出版物没有提供任何用于运样的 层的一般的和系统的设计过程。
[0187] 上文所述的理论能够设计并制造包括沉积在吸收性基底上的吸收性层的对比度 增强支撑体，如同上文对于透明基底的情况所描述的那样一一但是要使用等式(7a)/(7b) 代替等式(6a)/(化）。
[0188] 图8中表示了由等式（7a)和（7b)所描述的包括吸收性基底SA和吸收性防反射层 CA'的该类型的对比度增强支撑体SAC'。借助于平行光束化或如同图6中的情况一样聚焦的 高斯激光束而在"正面"进行观察(在该层的与基底相对的一侧）。关于层CA提到的材料也可 W用于制备层CA'。特别地，为了检测或分析的应用中，层CA'也可W功能化，或被制备为具 有通过功能层固定的(可选地受到标记的)化学或生物物质。
【主权项】
1. 一种用于观察样本的对比度增强支撑体（SAC),其特征在于，其包括透明衬底(MI、 SS)，所述透明衬底承载至少一个吸收性层(CA)，所述吸收性层的复折射率化= ni-jki和厚 度被选择为，使得所述层在受到通过所述衬底的光照波长为A的垂直入射光照时充当防反 射层，所述层的与所述衬底相对的面接触透明的所谓环境介质(ME)，所述环境介质的折射 率M小于所述衬底的折射率no。2. 根据权利要求1所述的对比度增强支撑体，其中，在所述光照波长A，所述衬底的折射 率no、所述层的复折射率化= m-jki的实部和虚部W及所述层的厚度ei满足下列条件：助及 f)ki > 0.001，并且优选地，ki含0.01，更加优选地，ki含0.1其中：对于m和ki，容差小于或等于5%，优选小于或等于0.3%;而对于61，容差小于或等于 30%，优选小于或等于5 %。3. 根据权利要求2所述的对比度增强支撑体，其中，在所述容差下，对于所述光照波长 A，所述衬底的折射率no、所述层的复折射率化= m-jkiW及所述层的厚度ei进一步满足下列 条件：O4. 根据在前权利要求中的任一项所述的对比度增强支撑体，其中，所述衬底由玻璃制 备。5. 根据权利要求4所述的对比度增强支撑体，其中，n日/m的比被选择为在1.1与1.3之 间。6. 根据权利要求4所述的对比度增强支撑体，其中，no/m的比被选择为在1.45与1.7之 间。7. 根据在前权利要求中的任一项所述的对比度增强支撑体，其中，所述吸收性层选自： -注入到所述衬底中的杂质层； -金属层； -半导体层； -金属/半导体复合合金； -磁性吸收性层； -金属纳米粒子层； -非金属导电层； -漫射层； -包含颜料或染料的聚合物或光阻层； -包含色屯、的矿物介电层； -包括纳米粒子在其中分散的连续相的复合混合层；W及 -石墨締层或功能化石墨締层。8. 根据权利要求1至7中的任一项所述的对比度增强支撑体，其中，所述吸收性层包括 至少一个功能化层，所述功能化层能够固定至少一种化学或生物物质。9. 根据权利要求1至6中的任一项所述的对比度增强支撑体，其中，所述衬底显示出功 能化表面(CF),所述功能化表面能够固定至少一种化学或生物物质化CI、ECC、ECD)，所述吸 收性层由被所述功能化表面固定的所述至少一种化学或生物物质形成。10. 根据在前权利要求中的任一项所述的对比度增强支撑体，其中，所述吸收性层显示 出的透射比大于或等于80%，优选大于或等于90%。11. 一种用于制造对比度增强支撑体的方法，所述对比度增强支撑体包括透明衬底 (MI、S)，所述透明衬底承载至少一个吸收性层(CA),所述方法包括用于所述支撑体的设计 步骤W及由此设计出的支撑体的硬件制造步骤，其特征在于，所述设计步骤包括下列步骤： i)选择光照波长、 i i)选择构成所述衬底的材料，该材料在所述光照波长A下显示出实折射率no; iii) 选择环境介质(ME)，该环境介质在所述层的与所述衬底相对侧与所述层接触，并 且在所述光照波长A下显示出实折射率n3<n〇; iv) 确定所述层的标称复折射率化=m-jki和标称厚度ei，使得所述层在受到通过所述 衬底的光照波长为A的垂直入射的光照时充当防反射层，所述层的与所述衬底相对的面接 触所述环境介质；W及 V)选择构成所述吸收性层的材料，该材料在所述光照波长A下显示出复折射率，该复折 射率的实部和虚部至多在小于或等于5%的容差内与所述标称复折射率的实部和虚部一 致，优选至多在小于或等于0.3%的容差内与所述标称复折射率的实部和虚部一致。12. 根据权利要求11所述的方法，其中，在所述步骤iv)期间，所述标称复折射率和所述 标称厚度被选择为满足下列条件：制及 門山>0.01，^及优选地山>0.1 其中：O13. 根据权利要求11所述的方法，其中，确定所述层的标称复折射率和标称厚度，从而 对于所述光照波长W馬足下列条件：W及 f')ki>0.15 其中：14. 一种观察样本的方法，包括下列步骤： A. 将所述样本设置在厚度为ei的吸收性层(CA)上，所述吸收性层显示出复折射率化= m-jki并且位于具有实折射率no的第一透明介质(MI、SS)与具有实折射率n3<n〇的第二透明 介质(ME)之间，其中第一透明介质即所谓入射介质，第二透明介质即所谓出射介质； B. 通过所述入射介质至少在光照波长A W垂直入射对所述样本进行光照； C. 同样通过所述入射介质，对运样地受到光照的样本进行观察； 其中，所述吸收性层显示出的复折射率和厚度使得：拟及 f)ki > 0.001，并且优选地，ki含0.01，更加优选地，ki含0.1其中：对于n〇、m和ki，容差小于或等于5%，优选小于或等于0.3%;对于ei，容差小于或等于 30%，优选小于或等于5 %。15. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述步骤A通过根据权利要求1至9中的任一项 所述的对比度增强支撑体(SAC)来实施，该对比度增强支撑体的衬底构成所述入射介质。16. 根据权利要求14和15中的任一项所述的方法，其中，所述样本受到平行或聚焦的光 束(FL)的至少在所述光照波长A的光照，使得形成显示出小于或等于20°的半孔径角的光照 椎。17. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述样本受到聚焦的激光束的至少在所述光照 波长A的光照。18. -种用于检测或分析至少一种化学或生物物质的方法，包括下列步骤： I. 取得根据权利要求8所述的对比度增强支撑体(SAC)，该对比度增强支撑体包括功能 化层或功能化表面(CF)，所述功能化层或功能化表面能够固定至少一种化学或生物物质； II. 使所述功能化层或功能化表面接触至少一个溶液(SO、SO'、Sl、sr、S2)，该溶液包 含由金属纳米粒子(NPM)标记或者由吸收性或漫射性标记物标记的化学或生物物质，所述 化学或生物物质能够被直接固定在所述功能化层或功能化表面上，或者通过一种或多种其 他的化学或生物物质而固定在所述功能化层或功能化表面上，从而所述粒子形成连续或不 连续的吸收性或漫射性的金属层； III. 通过所述衬底在至少光照波长AW垂直入射对所述对比度增强支撑体进行光照； IV. 同样通过所述衬底，对运样地受到光照的所述对比度增强支撑体进行观察。19. 一种用于检测或分析至少一种化学或生物物质的方法，包括下列步骤： I. 取得透明衬底(SS)，该透明衬底承载功能化层或功能化表面(CF),所述功能化层或 功能化表面能够固定至少一种化学或生物物质； II. 使所述功能化层或功能化表面接触至少一个溶液(SO、SO'、Si、sr、S2)，该溶液包 含由金属纳米粒子(NPM)标记或者由吸收性或漫射性标记物标记的化学或生物物质，所述 化学或生物物质能够被直接固定在所述功能化层或功能化表面上，或者通过一种或多种其 他的化学或生物物质而固定在所述功能化层或功能化表面上，从而形成连续或不连续的吸 收性或漫射性的金属层，所述透明衬底与所述功能化层或功能化表面(CF) W及运样形成的 吸收性或漫射性金属层一同形成了根据权利要求9所述的对比度增强支撑体； III. 通过所述衬底至少在光照波长AW垂直入射对所述对比度增强支撑体进行光照； IV. 同样通过所述衬底，对运样地受到光照的所述对比度增强支撑体进行观察。20. 根据权利要求19所述的用于检测或分析至少一种化学或生物物质的方法，其中，所 述步骤II由下列子步骤组成： II-l)使所述功能化层或功能化表面接触包含待检测或分析的化学或生物物质化CD) 的第一溶液(SI)，从而形成所谓中间层(Cl); W及 II-2)使所述中间层接触第二溶液（S2)，该第二溶液包含所谓辅助化学或生物物质 化CA)，该辅助化学或生物物质被金属纳米粒子标记，或者被吸收性或漫射性标记物标记， 并且能够被固定在所述中间层上，从而形成所述连续或不连续的吸收性或漫射性的金属 层。21. 根据权利要求19所述的用于检测或分析至少一种化学或生物物质的方法，其中，所 述步骤II由下列子步骤组成： 11-1'）使所述功能化层或功能化表面接触第一溶液(sr )，该第一溶液包含所谓中间 物质化CI)的化学或生物物质，该中间物质被金属纳米粒子标记，或者被吸收性或漫射性标 记物标记，并且能够被固定在所述功能化层上，从而形成所述连续或不连续的吸收性或漫 射性的金属层；W及 II-2'）使所述功能化层或功能化表面W及所述吸收性或漫射性金属层接触第二溶液 (S2)，该第二溶液包含所述待检测或分析的化学或生物物质，所述待检测或分析的化学或 生物物质显示出比所述中间物质更强的与所述功能化层或功能化表面的亲和性，从而所述 中间物质被取代，并且所述吸收性或漫射性金属层至少部分地被去除。22. 根据权利要求19所述的用于分析至少一种化学或生物物质的方法，其中，在所述步 骤II期间，使所述功能化层或功能化表面接触包含待分析的化学或生物物质化CD) W及竞 争化学或生物物质化CC)的溶液(SO'），运两种物质中的一种被金属纳米粒子标记，或者被 吸收性或漫射性标记物标记，从而获得连续或不连续的吸收性或漫射性的金属层，该金属 层的有效厚度取决于所述竞争化学或生物物质的浓度与所述待分析的化学或生物物质的 浓度之间的比。
【文档编号】G01N21/45GK105992943SQ201480066126
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2014年10月17日
【发明人】D·奥塞尔, C·安拉, M·泽拉, R·阿布哈奇夫
【申请人】国家科学研究中心, 曼恩大学