專利名稱：光學(xué)編碼粒子、系統(tǒng)及高通量篩選的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是編碼。本發(fā)明的其它可作示范的領(lǐng)域包括生命科學(xué)、安全、產(chǎn)品標(biāo)記、食品加工、農(nóng)業(yè)及化學(xué)檢測。
背景技術(shù)：
社會對標(biāo)記的需要非常廣泛。標(biāo)記是進(jìn)行跟蹤和識別的基礎(chǔ)。編碼可用作能被人或機(jī)器識別的標(biāo)記形式，如條形碼的情況一樣。但在微尺度上，標(biāo)記/編碼本身變得困難重重。
對微尺度材料進(jìn)行編碼的方法因而吸引了人們越來越多的注意力，以便在藥品發(fā)明、遺傳篩選、生物醫(yī)學(xué)研究以及生物學(xué)和化學(xué)感應(yīng)的領(lǐng)域用在進(jìn)行高通量篩選等用途。對增多的分析物進(jìn)行測量、同時(shí)盡可能減少所必須的樣品數(shù)量的研究方法集中在芯片內(nèi)空間區(qū)別排列或編碼珠。為了生物學(xué)和/或化學(xué)感應(yīng)的目的，已通過使用位置編碼以記錄特定分析物的響應(yīng)開發(fā)了大排列。使用排列相對于常規(guī)的單個(gè)分析物傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)處理和分析大量的分析物。但是，位置排列可遭受低的擴(kuò)散率，并且限制在被感應(yīng)的分析物的濃度范圍上。另一種方法是使用單獨(dú)編碼珠。
早期對粒子進(jìn)行編碼使用熒光的或紅外活性分子作為二元標(biāo)記物。近期以來，由于其獨(dú)特的熒光特性，硒化鎘量子點(diǎn)已被證明是對粒子進(jìn)行編碼的可行的侯選者。較有機(jī)分子而言，量子點(diǎn)具有對光致褪色的改善的穩(wěn)定性、更尖銳的熒光峰、改善的溶解性以及激發(fā)頻率范圍大等優(yōu)點(diǎn)。通過6種顏色(限于可見光譜區(qū)熒光的峰寬)和10種強(qiáng)度水平，理論上可對106個(gè)粒子進(jìn)行編碼。由于光譜的重疊以及樣品的不均一性，實(shí)際操作中難以達(dá)到這一數(shù)目。另外，盡管量子點(diǎn)的光穩(wěn)定性有所提高，但熒光熄滅仍然是可能的，這使將相對強(qiáng)度的測量作為一種可靠的編碼方法帶有不確定性。
另一種編碼方法是使用超微金屬棒。這種超微金屬棒的制作是將金屬以受控厚度的交替帶電鍍在多孔膜上。各種金屬不同的反射特性可被用作條形碼，達(dá)到識別的目的。反射譜沒有熒光團(tuán)固有的光致褪色的缺點(diǎn)。而且，熒光分析物不會干擾粒子信號。但棒的沉積是相對復(fù)雜的工藝，而且，可能難以用作其中例如需要大量編碼的編碼方法，因?yàn)楸仨殞⒚恳粋€(gè)棒子放在光學(xué)讀碼器(比如顯微鏡)的焦點(diǎn)以讀出編碼。
利用Ragate和Bragg反射率理論的熒光分子編碼、核-殼量子點(diǎn)編碼以及光子結(jié)晶編碼的方法有賴于生成譜線，作為比特(bit)?？赡艿木幋a的數(shù)量限于2n個(gè)，其中n為可從光譜的其它譜線中辨別出的譜線數(shù)或比特?cái)?shù)。仍需要在微尺度上編碼的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本項(xiàng)發(fā)明涉及一種粒子，其具有根據(jù)粒子不同區(qū)域之間折射率的改變，在粒子物理結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入的編碼庫的編碼。在理想的實(shí)施方式下，薄膜具有孔隙率，該孔隙率以這樣的方式變化以產(chǎn)生在反射譜中可被識別的編碼。一種分析檢測方法使用這種粒子，并檢測在分析物存在下的光譜移動。還披露了具有其它特點(diǎn)的另外的實(shí)施方式。


圖1是本發(fā)明的多層編碼粒子的示意圖；圖2A和2B說明了一種優(yōu)選實(shí)施方式的傅立葉(Fourier)變換粒子解碼；圖3A說明了用于Rugate粒子解碼的一種優(yōu)選實(shí)施方式的示例性蝕刻波形；圖3B說明了一種優(yōu)選實(shí)施方式的Rugate粒子解碼；圖4說明了產(chǎn)生編碼粒子的優(yōu)選實(shí)施方式；圖5顯示了在實(shí)驗(yàn)空氣(實(shí)線顯示)和含少量乙醇蒸氣的空氣(虛線顯示)中單獨(dú)的優(yōu)選實(shí)施方式的編碼粒子的光學(xué)反射率譜；圖6顯示了對于在飽和蒸氣壓力下使用(自底部至頂部，如圖顯示)丙酮、乙醇、甲醛和水分析物的三次暴露/排空循環(huán)測量的來自優(yōu)選實(shí)施方式被編碼的多孔硅Rugate粒子的反射激光(632nm)的強(qiáng)度；圖7是在一塊晶片中通過空間限定、定期改變蝕刻形成的示例性優(yōu)選實(shí)施方式的編碼粒子的圖象；圖8圖示了來自于15個(gè)單獨(dú)編碼的示例性優(yōu)選實(shí)施方式樣品粒子的反射率譜；
圖9A圖示了來自于示例性優(yōu)選實(shí)施方式單獨(dú)Rugate編碼樣品粒子和三重編碼Rugate樣品粒子的反射率譜；圖9B是示范性的優(yōu)選實(shí)施方式多重Rugate編碼粒子的示意圖；圖10圖示了為進(jìn)行生物學(xué)篩選而準(zhǔn)備的示例性優(yōu)選實(shí)施方式單獨(dú)Rugate編碼粒子的解碼結(jié)果；圖11圖示了編碼庫波形的示例以及在多孔硅中的得到的折射率編碼；知圖12顯示了編碼庫波形的示例。
具體實(shí)施例方式
本項(xiàng)發(fā)明涉及一種粒子，其具有根據(jù)粒子不同區(qū)域之間折射率的改變，在粒子物理結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入的編碼庫的編碼。優(yōu)選通過改變粒子中形成的孔隙率改變折射率。來自粒子的反射產(chǎn)生了一種光學(xué)特征，其唯一地對應(yīng)于編碼庫中的編碼，這種編碼被用來通過計(jì)算機(jī)波形控制的蝕刻形成粒子。反射可發(fā)生在可見和/或不可見波長上。編碼庫提供大量的波形，每一波形在控制蝕刻形成粒子時(shí)產(chǎn)生一種唯一的光學(xué)特征。在優(yōu)選實(shí)施方式形成方法中，通過蝕刻工藝產(chǎn)生多層多孔編碼結(jié)構(gòu)，在該蝕刻過程中蝕刻條件在孔形成過程中變化。可進(jìn)行切割形成成具有小尺寸范圍(比如，從幾百納米到幾百微米)的編碼粒子。
本項(xiàng)發(fā)明的方法和粒子可應(yīng)用于許多行業(yè)，包括但不限于藥品發(fā)明、生物學(xué)篩選、化學(xué)篩選、生物學(xué)標(biāo)記、化學(xué)標(biāo)記、體內(nèi)標(biāo)記、安全識別及產(chǎn)品標(biāo)注。本項(xiàng)發(fā)明的粒子及方法的各種屬性使得在各行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。粒子的小尺寸使其能被方便地引入各種主體，例如產(chǎn)品、試驗(yàn)箱、被化驗(yàn)品、粉末(如用于鑒定的爆炸物)、糊狀物、液體、玻璃、紙張以及可接納細(xì)小粒子的任何其它主體或系統(tǒng)。通過本發(fā)明的生物相容的粒子使得能夠體內(nèi)檢測，其然后可例如利用穿透組織的近紅外線和紅外線波長通過組織查詢。
根據(jù)上文對本發(fā)明示例性方面和應(yīng)用，優(yōu)選實(shí)施方式的粒子通過其變化的多孔結(jié)構(gòu)的反射率譜所固有的編碼而被識別。本發(fā)明的另一方面，物質(zhì)例如生物學(xué)或化學(xué)物質(zhì)附著在多孔結(jié)構(gòu)中，而粒子則成為鑒別由孔所攜帶的物質(zhì)的標(biāo)簽。本發(fā)明的另一方面，編碼粒子的反射率譜的變化可反映粒子孔中的物質(zhì)的存在、缺乏或數(shù)量。
圖1顯示了優(yōu)選實(shí)施方式編碼粒子10的橫截面。編碼粒子10包含具有層或區(qū)域121-12N的多層多孔薄膜。在此使用多層意味著必須存在具有不同孔隙率的多個(gè)區(qū)域。在一些實(shí)施方式中，孔隙率之間的轉(zhuǎn)變可為逐漸的。這意味著多層包括具有多個(gè)孔隙率逐漸轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)和具有多個(gè)孔隙率突然轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)兩者。與這一定義相一致，層121-12N由變化的孔隙率進(jìn)行定義，其可逐漸變化或突然變化。另外，“層”的使用不僅包含了獨(dú)立的沉積層，例如，還包含具有變化的孔隙率的連續(xù)結(jié)構(gòu)。換言之，“層”包括但不僅僅意味著獨(dú)立的形成過程或沉積。具有變化的孔隙率的層或區(qū)域121-12N的多層多孔薄膜結(jié)構(gòu)是在基底14上形成的，見圖1顯示。但是，本發(fā)明的實(shí)施方式包括多層薄膜粒子結(jié)構(gòu)，例如從基底上剝離的層121-12N，它們最初在該基底上或從該基底形成。多孔層121-12N通過從編碼庫中選擇并通過計(jì)算機(jī)控制的蝕刻引入層中的編碼進(jìn)行編碼，以應(yīng)用編碼在反射率譜中產(chǎn)生干涉圖樣，其形成對應(yīng)于從編碼庫中選擇的編碼的光學(xué)特征。多孔層121-12N之間界面反射的光與來自其他層之間的界面的光發(fā)生干擾，在反射率譜中產(chǎn)生干涉圖樣。本發(fā)明中的粒子10特別通過編碼庫中編碼進(jìn)行編碼，其用來在粒子10形成過程中控制蝕刻條件和層厚。層界面的折射率、化學(xué)組成以及每層121-12N的厚度影響由特定粒子產(chǎn)生的光學(xué)特征。因此，在粒子10的形成過程中改變在特定粒子中層之間的相對孔隙率(以影響折射率)和改變層的厚度可以修整反射率譜中特定的光學(xué)特征?？紫堵蔬€影響反射率譜中峰的強(qiáng)度，提供另外的編碼可能。從編碼庫中選出的每個(gè)編碼或每組編碼可用來一再地復(fù)制同樣的光學(xué)特征，產(chǎn)生具有相同編碼的粒子。除此之外，可從編碼庫中選擇不同的編碼來產(chǎn)生不同光學(xué)特征的粒子。
多孔層121-12N可由任何多孔半導(dǎo)體或絕緣體形成。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式粒子中，多孔硅被用來形成多孔層121-12N。在氫氟酸溶液中對結(jié)晶硅的受控的陽極蝕刻可同時(shí)對多孔層121-12N的孔隙率和厚度進(jìn)行控制。通常來說，蝕刻的時(shí)間控制著多孔層的厚度，而蝕刻電流的密度控制著孔隙率。此外，電流密度施加的時(shí)間選擇影響將要產(chǎn)生的光學(xué)特征。層121-12N的厚度和孔隙率可彼此不相同，從而產(chǎn)生特定的光學(xué)特征。編碼庫中的編碼在蝕刻電流密度的持續(xù)時(shí)間、水平和時(shí)間選擇上不同，并且在庫中的每一編碼在給定的材料如硅上產(chǎn)生唯一的光學(xué)特征，該材料被蝕刻以生成編碼粒子。
孔隙率和厚度的變化遵循一種模式，該模式依據(jù)選自編碼庫中的編碼確立。在某些實(shí)施方式中，孔隙率在各層之間逐漸變化，而在另外一些情況孔隙率可突然改變。多孔硅是層121-12N的優(yōu)選材料。多孔硅具有許多已被證明的優(yōu)點(diǎn)。例如，多孔硅被證明是生物相容的。另外，氧化的多孔硅的表面化學(xué)與氧化硅同樣有效。因此，由于生化衍生作用和配合基固定化，很好地理解該表面化學(xué)。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，層121-12N形成以在多孔結(jié)構(gòu)中包括受體材料。受體的目的是與所關(guān)心的特定分析物結(jié)合。示范性受體(也被稱為結(jié)合體)公開在，例如，標(biāo)題為“Porous Semiconductor Based Optical InterferometricSensor”的美國專利No.6,248,539中?？赏ㄟ^將受體分子束縛到多孔層121-12N的任意方式，使受體分子與多孔硅層121-12N吸附或聯(lián)合。這包括但不限于受體分子與半導(dǎo)體的共價(jià)結(jié)合、受體分子與層的離子締合、將受體分子吸附到層的表面、或其它類似技術(shù)。聯(lián)合也可包括通過共價(jià)方式將受體分子連接到另一部分，該部分依次通過共價(jià)方式連接到多孔層121-12N上，或通過雜化或其它生物學(xué)聯(lián)合機(jī)理將目標(biāo)分子連接到另一部分，該部分連接到多孔層121-12N。其它具體的例子包括受體配合基，其已被附著在多孔硅層上從而形成生物傳感器。結(jié)合到本發(fā)明粒子10上的分析物通過粒子10提供的編碼變得可識別和跟蹤。
多層薄膜12x-12N的強(qiáng)度和波長性質(zhì)均可能進(jìn)行編碼。優(yōu)選的實(shí)施方式為具有不匹配光學(xué)厚度的多層薄膜121-12N的粒子10。光學(xué)厚度定義為一層的折射率乘以其公制厚度。參考圖2A和2B，以這種方式編碼的粒子10在所生成的反射率干擾頻譜的傅立葉變換中顯示出光學(xué)特征。圖2A中示出示例性的所產(chǎn)生干擾頻譜。圖2B中顯示出的傅立葉變換顯示出具有良好可分辨峰的光學(xué)特征。粒子10可以設(shè)定具有一系列清楚的峰(a、b、c)。
反射譜中的峰強(qiáng)度通過在層121-12N之間的界面的折射率控制，該折射率通過相鄰層之間的孔隙率的變化決定。這種變化可能是逐漸的，也可能是急劇的。峰的位置可通過調(diào)整層的厚度控制。通過變換每一反射率峰的相對強(qiáng)度，可以進(jìn)行額外編碼，其可以通過調(diào)整電化蝕刻參數(shù)設(shè)計(jì)到發(fā)明的粒子10中，以控制層121-12N的孔隙率。據(jù)此，對每一峰具有A個(gè)可分辨位置和B個(gè)可分辨強(qiáng)度的N層粒子10可以編碼(A*B)N粒子。此外，具有對每一峰具有A個(gè)可分辨位置的N個(gè)峰與相對強(qiáng)度順序的任何組合的粒子10能夠編碼N！(A)N中的一個(gè)。
發(fā)明的實(shí)施方式包括復(fù)雜編碼的粒子和粒子系統(tǒng)。其中，粒子通過晶體P+(～1mOhm/cm)硅晶片的靜電陽極蝕刻進(jìn)行編碼。多孔層的厚度和孔隙率由隨時(shí)間的電流密度和腐蝕溶液的組成控制。電腦生成的波形允許實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的編碼策略。應(yīng)用電腦生成波形控制蝕刻循環(huán)的持續(xù)時(shí)間，使得每一個(gè)都是唯一的，以生成孔隙率，因此有效的折射率與施加的電流波形直接相應(yīng)地變化。電流波形的編碼部分按常規(guī)運(yùn)行之后，可以施加短時(shí)高量的電流脈沖以去除晶片中生成的多孔基體。自由多孔基體包括光晶體粒子。蝕刻前晶片的掩蔽可以生成不同形狀的粒子。這些形狀提供用于識別的額外機(jī)會。
使用小心控制的電腦波形重復(fù)上述過程可以形成唯一粒子類型的大庫。這些庫可以用于形成試驗(yàn)箱。庫和特定的粒子類型形成用于高通量篩選和生物鑒定方法的基礎(chǔ)。
數(shù)據(jù)提取和分析的方法可以體現(xiàn)光譜的所有復(fù)雜性，這種復(fù)雜性是由光晶體的反射率性能導(dǎo)致的。與傳統(tǒng)的將熒光編碼方法與熒光分析結(jié)合的生物鑒定系統(tǒng)不同，我們的技術(shù)不具有用分析讀取的編碼方法的光譜重合的問題。光譜線在本發(fā)明方法中不用作比特。比如分析檢測方法是基于反射，并探測光譜移動，而非光譜峰的存在、存在度、集中度或者缺乏。光譜識別的可能性包括多變量分析以及相對和比率多峰分析。
另外一種編碼策略包括周期性結(jié)構(gòu)。示范的周期性結(jié)構(gòu)包括具有層121-12N的粒子10，該層121-12N層經(jīng)孔隙率和厚度構(gòu)置以形成Bragg堆疊或者Rugate濾鏡。比如，Bragg堆疊可以通過具有匹配的光學(xué)厚度的層交替而產(chǎn)生。通過改變本發(fā)明的粒子10中層121-12N孔隙率限定的Bragg堆疊將在反射率譜中產(chǎn)生峰，具有在反射率譜中良好分辨(例如，～10nm)的半高寬峰(full width half maximum peak)。通過多層結(jié)構(gòu)121-12N層的界面的折射率變化生成的Rugate濾鏡還在反射濾譜中生成類似的窄峰，并且還抑制邊帶和更高級別(higher order)的反射。
圖3A和3B闡明了優(yōu)選實(shí)施方式Rugate粒子編碼策略。Rugate編碼粒子可以通過用周期性的蝕刻條件變化蝕刻半導(dǎo)體或者絕緣體而產(chǎn)生，使得材料中的折射率按照正弦(或繞射(apodised)正弦)函數(shù)變化。該結(jié)構(gòu)可通過用擬正弦電流波形蝕刻半導(dǎo)體晶片產(chǎn)生。圖3A顯示，在用于產(chǎn)生示范實(shí)施方式的蝕刻中蝕刻電流密度(n)的示范正弦波變化的周期為18秒鐘。在圖3B可以看到，編碼生成了清晰可辨的窄峰。峰的強(qiáng)度和位置可以隨層厚度和折射率變化。
圖4中說明了構(gòu)成編碼多孔粒子10的優(yōu)選方法。選擇合適的半導(dǎo)體或絕緣體，比如硅片，進(jìn)行加工(第14步)。比如，硅片可以切割并掩蔽以具有暴露的用于蝕刻的部分。一種示范的合適半導(dǎo)體材料為單晶硅晶片。此后限定空間編碼(第16步)。空間編碼限定在將被蝕刻的材料上的編碼范圍。進(jìn)行空間溶解(resolved)蝕刻使得編碼被編在硅片的顆粒尺寸的部分中。在題目為“Photolithographic fabrication of luminescent images on poroussilicon structures”的美國專利No.5,318,676(1994年6月7日公告)中披露了一種示范的空間溶解蝕刻方法，。在一個(gè)替代工藝中，空間限定的步驟(第16步)被省略。比如，單獨(dú)的硅片或硅片的區(qū)域可以蝕刻，以包括具有單獨(dú)編碼的粒子。這樣，可以蝕刻其他硅片以含有具有不同編碼的粒子。隨后開始陽極蝕刻，比如在氫氟酸和乙醇的水溶液中(第18步)。此后，用根據(jù)所限定的編碼策略變化的蝕刻條件進(jìn)行蝕刻(第20步)。發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)編碼被蝕刻到硅片上。橫向(圖1中的縱向)編碼但是仍然相聯(lián)系的粒子可以從硅片上去除(第22步)，比如通過高水平的電解拋光電流。空間限定蝕刻部分之間的區(qū)域可以被切割以使不同編碼硅片部分分離。單個(gè)粒子此后可以在例如通過機(jī)械攪動或者超聲波破裂進(jìn)行的切割中分離(第24步)。粒子分離(第24步)優(yōu)先制造出微米級的粒子，比如在從幾百納米到幾百微米范圍內(nèi)的粒子。粒子分離(第24步)或者在第20步或者第22步之后可以進(jìn)行粒子指定的步驟(第26步)。粒子指定可以包括，比如，為了特定的生物、生物醫(yī)學(xué)、電子或者環(huán)境應(yīng)用的多孔多層結(jié)構(gòu)121-12N的化學(xué)改性。舉例說明，粒子可以用于分析物的受體或者以靶向部分(比如糖或者多肽)進(jìn)行改性。另外，結(jié)合(binding)可以例如通過分析物的熒光標(biāo)識或者分析物自身熒光來表示(signal)。在使用粒子10時(shí)，根據(jù)與指定的目標(biāo)分析物進(jìn)行結(jié)合時(shí)的光學(xué)特征，可以鑒別出該粒子。這個(gè)指定步驟在發(fā)明實(shí)施方式中也可以省略。
在發(fā)明的其他實(shí)施方式中，編碼粒子可以放置在合適的主體中，即任何液體、粉末、細(xì)塵或者其他將承載發(fā)明的微米級的編碼粒子的材料。置于主體中的粒子例如可以被用于鑒別人造粉末的來源，比如爆炸物。另外一種潛在的主體是動物。本發(fā)明的生物相容的粒子可以活體植入到動物主體中。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的多孔硅粒子10的反射率譜包括例如可視、近紅外和紅外光譜。這顯示出了通過活體組織等障礙感知到本發(fā)明的粒子的編碼的可能性。
實(shí)施方式示例和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)在討論發(fā)明實(shí)施方式示例。這里的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是為了向技術(shù)人員說明發(fā)明的潛在應(yīng)用。這里所列出的設(shè)備僅僅是為了讓技術(shù)人員理解此處報(bào)告的數(shù)據(jù)。例如，本發(fā)明的商業(yè)實(shí)施方式發(fā)明設(shè)備可采用基本上不同的形式，以便能低成本大規(guī)模生產(chǎn)。
第一個(gè)實(shí)施方式示例為遠(yuǎn)距離探測，這是用于從遠(yuǎn)處鑒別分析物的化學(xué)探測技術(shù)。本發(fā)明的粒子10包括感知特定分析物的受體。粒子的編碼以及與分析物結(jié)合的指示可以在反射率譜中被檢測到，例如使用低功率激光。該受體例如可以對于感知生物分子或者將編碼粒子附著在細(xì)胞、孢子或者花粉粒子上是特定的。
使用示范編碼多層多孔硅膜進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測技術(shù)的測試。通過在1∶3乙醇∶48％含水HF溶液中電化蝕刻(100)定向拋光的硅片(p++-型，B摻雜，＜1mΩ-cm電阻率)制備多層多孔硅膜。蝕刻電流密度周期性地由擬正弦波(在11.5至34.6mA/cm2之間)調(diào)整，以產(chǎn)生正弦變化的孔隙率梯度。通過施加30秒電流密度為600mA/cm2的電解拋光脈沖將薄膜與基底分離。此后通過機(jī)械研磨或者超聲波破裂將獨(dú)立式的薄膜制成粒子，以制造大小從幾百納米到幾百微米的粒子。圖5中的光學(xué)反射率譜近似于Rugate濾鏡，在滿足Bragg方程和適當(dāng)?shù)南嗥ヅ錀l件的的波長和源-樣品-探測器角度處顯示出尖銳的反射最大值。
將粒子固定在玻璃板上并放置在配有光學(xué)窗和Baratron壓力計(jì)的氣體配制室中。以10MW的He/Ne激光照射粒子。如圖5中所示，形成的粒子在空氣中強(qiáng)烈反射He/Ne激光的在632nm波長的光線。用于獲取圖5數(shù)據(jù)的激光的光譜位置顯示以供比較(垂直箭頭)。這些數(shù)據(jù)是通過在光學(xué)顯微鏡的焦平面上使用Ocean Optics CCD可視分光計(jì)獲得的。當(dāng)暴露于分析物氣體時(shí)，毛細(xì)凝聚作用導(dǎo)致粒子的反射率譜由于多孔介質(zhì)的折射率的提高向較長波長移動，且觀察到粒子變暗。
對于一系列可冷凝的分析物蒸汽，從許多粒子中同時(shí)反射的光強(qiáng)度的相對變化可以在固定波長(632nm)上被量化，如圖6中所示。在25℃下，每一種分析物的蒸汽壓力分別為222、60、28、和24托。以來自在8英寸Schmidt-Cassegrain采集光學(xué)設(shè)備的物鏡上安裝的放大硅光電二極管中的光電流測量相對反射光強(qiáng)度。樣品距離激光和探測光學(xué)裝置20米。為了清晰，光譜在Y軸方向偏移。在飽和蒸汽壓下，這些蒸汽被導(dǎo)入曝光室中。在正常熒光室照明存在下，使用中斷燈和相敏探測(Stanford Instruments SR-510鎖定放大器)在20米距離處測量反射光的強(qiáng)度。未使用任何其他光學(xué)或電子過濾。在多孔硅表面處的吸附和/或微毛細(xì)管凝聚的特性很大程度上依賴于表面化學(xué)，且對于疏水分析物相對于親水分析物，實(shí)驗(yàn)中使用的氫封端的、疏水形成的材料具有大得多的親和力。因此，在分壓與用于更疏水的有機(jī)分析物的分壓相當(dāng)時(shí)，粒子對于水蒸汽相對不敏感。沒有嘗試提供樣品或光學(xué)裝置的聲學(xué)或振動分離，在數(shù)據(jù)中觀察到的大部分噪音可歸結(jié)為實(shí)驗(yàn)室震動。使用近紅外激光光源，靈敏度還應(yīng)當(dāng)?shù)玫竭M(jìn)一步提高，其中背景輻射和大氣吸附以及散射更不顯著。
本發(fā)明另外一項(xiàng)優(yōu)選示范應(yīng)用為通過本發(fā)明的編碼粒子10進(jìn)行生物分子篩選。對于少量層，可能產(chǎn)生數(shù)以百萬的編碼。已測試了使用熒光標(biāo)記的蛋白質(zhì)的簡單的基于抗體的生物檢測。對于范例的化學(xué)感應(yīng)實(shí)施方式，使用如前所述的周期性Rugate格式的編碼。通過在蝕刻前掩蔽晶片，生成了界限清晰的粒子板，如圖7中所示。
圖7粒子用于顯示632nm下的光子(photonic)光譜最大值。嵌入物(為了清晰在圖上方再現(xiàn))的比例相當(dāng)于每小格2μm。通過此種方式生成的多層編碼粒子在光學(xué)反射率譜中顯示出非常尖銳的譜線。這條線可以在可視至近紅外光譜范圍內(nèi)的任何地方出現(xiàn)，取決于程序蝕刻中使用的波形。
圖8中呈現(xiàn)了15種獨(dú)立編碼的示范波形。圖8呈現(xiàn)了使用正弦蝕刻(Rugate編碼結(jié)構(gòu))所制備的15種多孔硅多層樣品的反射率譜。每一樣品包含單獨(dú)的Rugate頻率碼。使用具有70×的物鏡的Cambridge Instruments顯微鏡獲得該譜。用鎢燈照明樣品，通過Ocean Optics SD2000CCD(電荷耦合器件)分光計(jì)測量反射光譜。樣品粒子通過在48％的含水HF∶乙醇(3∶1，體積比)溶液中陽極蝕刻p++型、B摻雜的、(100)定向硅(電阻率＜1mΩ-cm2)制備。在擬正弦電流波形中使用的Rugate結(jié)構(gòu)的典型蝕刻參數(shù)為振蕩范圍11.5至19.2mA cm-2，50循環(huán)，周期為18秒。使用時(shí)長40秒的460mA cm-2電流脈沖將薄膜從基底上分離。在電化蝕刻(在顯影(development)前以轉(zhuǎn)速4000r.p.m旋涂60秒，在90℃下軟烤2分鐘，使用接觸式掩模對準(zhǔn)器進(jìn)行紫外線曝光，在120℃下硬烤30分鐘)之前在硅片上施用S-1813光致抗蝕劑(Shipley)來制備光刻(lithographically)限定的粒子。圖8中呈現(xiàn)的光譜特征可比從分子或核-殼量子點(diǎn)獲得的熒光光譜窄很多。
圖9A顯示了由單周期(底部)和3個(gè)獨(dú)立周期(頂部)進(jìn)行蝕刻的多孔硅Rugate編碼粒子的反射率譜。圖9B圖解顯示了優(yōu)選實(shí)施方式的多重編碼粒子10a，其中含有三組編碼層12、16和18。多重Rugate編碼可以空間隔離，也可以在同一物理位置進(jìn)行蝕刻，如在不同的深度上形成的多層組，各自形成獨(dú)立的Rugate編碼。每一編碼層組12、16和18具有周期性變化的孔隙率，從而構(gòu)成獨(dú)立的Rugate或者Bragg編碼。
示例粒子在反射率光譜中呈現(xiàn)表示它們的多層結(jié)構(gòu)的峰。這些在底部光譜上顯示的示例粒子是用在11.5至19.2mA cm-2變化的正弦電流(循環(huán)50，周期18秒)蝕刻的。頂部光譜代表的三重編碼的粒子(三重Rugate)是用振蕩在11.5至34.6mA cm-2的正弦電流(循環(huán)20，周期10秒(520nm)；循環(huán)45，周期12秒(610nm)；和循環(huán)90，周期14秒(700nm))蝕刻的。該示例粒子的厚度大約為15μm。為了清晰，光譜在y軸方向上偏移。
為了在測試編碼方法在生物篩選應(yīng)用中的可靠性，我們準(zhǔn)備了兩批不同的編碼粒子作為單獨(dú)Rugate結(jié)構(gòu)。兩批粒子均經(jīng)過臭氧氧化處理，以增加其在水介質(zhì)中的穩(wěn)定性并使其具有親水表層。用經(jīng)壓縮空氣稀釋的O3流對粒子進(jìn)行氧化。對用750-nm光譜特征編碼的對照粒子用濃縮的BSA進(jìn)行處理(Sigma，5g在100毫升兩次蒸餾水中)并在37℃在空氣中在5％CO2下培育3個(gè)小時(shí)。540-nm編碼的測試粒子暴露于在涂覆緩沖液中(1000毫升兩次蒸餾水中2.93克NaHCO3、1.61克Na2CO3)的50μg ml-1鼠清蛋白，并在37℃在5％CO2下培育2個(gè)小時(shí)。測試粒子隨后在37℃下在5％CO2下暴露于兔子抗鼠清蛋白原發(fā)抗體在BSA濃縮溶液的1∶100稀釋物1個(gè)小時(shí)。兩批粒子此后混合在一起并在FITC(異硫氰酸熒光素)共軛的山羊抗兔子免疫球蛋白-G在BSA溶液中的存在培育1個(gè)小時(shí)。用熒光和光譜發(fā)射系數(shù)顯微術(shù)隨后探測與編碼粒子結(jié)合的分析物。
圖10中呈現(xiàn)了解碼的結(jié)果。對16個(gè)粒子進(jìn)行解碼獲得以下結(jié)果在8個(gè)綠色熒光粒子中，8個(gè)粒子被確定地解碼，屬于功能化的鼠清蛋白批次(圖10的曲線A)。8個(gè)非熒光粒子中，6個(gè)粒子被正確地解碼(圖10的曲線B)，一個(gè)粒子顯示出錯(cuò)誤的編碼，另外一個(gè)粒子無法解讀。可能顯示錯(cuò)誤編碼的粒子屬于第一批的粒子，但沒有用鼠清蛋白進(jìn)行充分地功能化，所以未能在抗體檢測中產(chǎn)生熒光。這是可以理解的，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中鼠清蛋白沒有共價(jià)附著在氧化硅覆蓋的粒子上。許多穩(wěn)定的化學(xué)改性化學(xué)已經(jīng)被開發(fā)出來，用于氧化或非氧化的多孔硅，且其中一些已用特定抗體或受體證明。因此固定生化或者化學(xué)組分的問題很容易得到解決。另外，化學(xué)改性可以防止在水介質(zhì)中的侵蝕，這種侵蝕可能導(dǎo)致在光學(xué)編碼中的不期望的移動和/或不可讀的粒子。在已經(jīng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，除了進(jìn)行臭氧氧化以產(chǎn)生氧化硅層外，沒有進(jìn)行鈍化化學(xué)處理，在浸在堿性水介質(zhì)時(shí)，觀察到光譜編碼根據(jù)培育時(shí)間在0至50nm之間移動。
多層多孔硅編碼結(jié)構(gòu)較目前的編碼方法具有許多優(yōu)勢?？蓸?gòu)造多孔硅編碼結(jié)構(gòu)，其顯示跨越光譜的可見光、近紅外和紅外區(qū)域的光譜。另外，與從量子點(diǎn)的高斯集合中獲取的光譜相比，Rugate濾鏡的反射率光譜可以顯示尖銳得多的光譜特征。在其他實(shí)施方式中，光譜移動可用于探測，因此避免編碼方法與檢測讀出的光譜重合。本發(fā)明包括不同編碼粒子庫，還包括不同形狀的粒子。
由于其多孔編碼結(jié)構(gòu)，更多編碼可以被置于更窄的譜窗。不同于基于成層金屬納米棒、熒光或振動特征的編碼方法，該發(fā)明的編碼粒子可以使用光衍射技術(shù)進(jìn)行探測，因此無需使用成像光學(xué)來閱讀編碼。編碼粒子可使用常規(guī)的熒光標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行檢測，感光(sensitive)化學(xué)和生物化學(xué)檢測技術(shù)也可導(dǎo)入編碼粒子的光學(xué)結(jié)構(gòu)，消除對熒光探針和聚焦光學(xué)器件的需要。此外，由于優(yōu)選實(shí)施方式的氧化多孔硅編碼粒子對于環(huán)境呈現(xiàn)類似氧化硅的表面，它們不容易猝熄來自有機(jī)發(fā)色團(tuán)的熒光，并且可以使用為玻璃珠生物鑒定而開發(fā)的化學(xué)對其處理和改性。硅基編碼粒子易于與現(xiàn)有芯片技術(shù)結(jié)合。
在醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用時(shí)使用本發(fā)明的編碼硅粒子比有機(jī)染料或量子點(diǎn)更有優(yōu)勢?；铙w研究已顯示出多孔硅的生物相容性和多層結(jié)構(gòu)的反射數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性。此外，可能在近紅外、組織穿透性的波長對粒子進(jìn)行光學(xué)編址，而沒有與低熒光量子的產(chǎn)率有關(guān)的耗損，使得這些材料可受體內(nèi)診斷的檢驗(yàn)。最后，由于多孔編碼是多孔結(jié)構(gòu)的整體有序部分，所以對于編碼的部分不能缺失、混淆或光退色，而這些情況是可能發(fā)生于量子點(diǎn)或熒光分子上的。
下面我們討論一些具體編碼，以它們?yōu)槔?，說明可用于構(gòu)建編碼庫的復(fù)雜的編碼。圖11顯示的是多孔硅中的實(shí)例編碼和因此產(chǎn)生的折射率。該編碼是一個(gè)波形，其具有根據(jù)時(shí)間施加的特定的蝕刻電流密度，如圖11中的電流對時(shí)間曲線所示，并且在蝕刻變形多孔材料中產(chǎn)生特定的折射率相對深度的圖的編碼，如圖11右側(cè)所示。
通過實(shí)驗(yàn)核實(shí)，編碼庫可根據(jù)以下表格中的信息通過對于時(shí)間的不同蝕刻電流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)構(gòu)成。
表格I

表格II


上述表格I描述了圖12顯示的波形的定時(shí)。該波形包括最初的低電流15毫安及后來在特定時(shí)間的45毫安的高電流。使用在Princeton InstrumentsModel 363穩(wěn)壓器/穩(wěn)流器(galvenastat)中的PCI-6042E DAQ卡，通過鉑網(wǎng)狀電極以每秒2000次更新向約1毫歐T型硅片施以電流。蝕刻溶液由48％氫氟酸與乙醇以3∶1配成。樣品蝕刻后以乙醇沖洗并放置于真空混合皿(desecrator)直至獲得光譜。使用海洋光學(xué)(ocean optic)SD2000CCD分光計(jì)獲得光譜，在十分鐘周期過程中在22毫秒下，0.1秒延遲，沒有平均。表格II顯示了不同的樣品和應(yīng)用于不同樣品的編碼。表格I給出了五個(gè)編碼。對于兩個(gè)樣品的每一個(gè)得出結(jié)果，且該兩個(gè)樣品的每一個(gè)給出的編碼顯示了由此產(chǎn)生的光學(xué)特征具有唯一的可識別的特點(diǎn)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)之間細(xì)微的偏移是由實(shí)驗(yàn)制作過程的不精確引起的。商業(yè)制造過程可以減少這種偏移。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解，在任何情況下，用同一編碼蝕刻的晶體間的細(xì)微差異是允許的。當(dāng)今有很多技術(shù)可用于比較有細(xì)微不同的光學(xué)特征并決定是否與編碼實(shí)質(zhì)上匹配。例如，可以使用總波形包跡線(envelope)、以及與在編碼內(nèi)的內(nèi)標(biāo)(internal reference)(即，第一個(gè)、中間和最后的條紋)有關(guān)的條紋數(shù)量、頻率等，來區(qū)分復(fù)制和采用方法如主要(principle)組分分析或其他多變量分析方法的其他編碼。比如，按照本發(fā)明經(jīng)蝕刻產(chǎn)生的光學(xué)特征中的圖樣從而形成可識編碼，因而為了鑒定，足以鑒定特征圖樣的信息可儲存在圖樣編碼庫中。
盡管已顯示和描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但其他修改、代替和替換對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。在不偏離由所附權(quán)利要求確定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可作出這些修改、代替和替換。
本發(fā)明的各種特征在所附權(quán)利要求中列明。
權(quán)利要求
1.光學(xué)編碼粒子(10，10a)庫生成方法，包括選擇一組電腦控制波形中的一個(gè)波形；和在蝕刻材料過程中應(yīng)用一組電腦控制波形中的這一波形，以從該材料制造粒子庫的粒子，該粒子庫的粒子包括，具有折射率相對深度的圖(profile)的多孔層，該折射率相對深度的圖唯一對應(yīng)于一組電腦控制波形的這一波形，該折射率相對深度的圖在反射率光譜中唯一的干涉圖樣，其形成與一組電腦控制波形中的這一波形相對應(yīng)的光學(xué)特征。
2.權(quán)利要求1中的粒子庫生成方法，其中粒子的直徑為數(shù)百微米或更小。
3.權(quán)利要求1中的粒子庫生成方法，其中所述在反射率光譜中的干涉圖樣延伸超越可見光譜。
4.權(quán)利要求1中的粒子庫生成方法，進(jìn)行以形成第一多孔層和n層其他多孔層，其中所述第一多孔層和所述n層其他多孔層周期性交替并形成Bragg堆疊。
5.權(quán)利要求1中的粒子庫生成方法，進(jìn)行以形成第一多孔層和n層其他多孔層，其中所述第一多孔層和所述n層其他多孔層形成Rugate反射體。
6.權(quán)利要求1中的粒子庫生成方法，其中該材料包括半導(dǎo)體。
7.權(quán)利要求6中的粒子庫生成方法，其中所述半導(dǎo)體包括硅。
8.權(quán)利要求1中的粒子庫生成方法，其中該材料包括絕緣體。
9.權(quán)利要求1中的粒子庫生成方法，進(jìn)一步含有結(jié)合預(yù)定的分析物的受體。
10.光學(xué)編碼粒子(10，10a)，包括薄膜，其中孔隙率根據(jù)電腦控制波形庫中的一個(gè)波形以產(chǎn)生在反射率光譜中可識別的編碼庫中的一個(gè)編碼的方式變化。
11.權(quán)利要求10中的粒子，使用的分析檢測方法包括檢測譜移的步驟。
12.權(quán)利要求10中的粒子，進(jìn)一步含有受體。
13.權(quán)利要求12中的粒子，其中所述受體是用于生物分析物的受體。
14.權(quán)利要求12中的粒子，其中所述受體是用于化學(xué)分析物的受體。
15.權(quán)利要求12中的粒子，其中所述受體是用于氣態(tài)分析物的受體。
16.權(quán)利要求10中的粒子，進(jìn)一步含有用于檢測該粒子的熒光標(biāo)記。
17.權(quán)利要求10中的粒子，其中該薄膜含有多孔硅。
18.權(quán)利要求10中的粒子，為微米級的。
19.對薄膜進(jìn)行編碼的方法，包括下述步驟蝕刻半導(dǎo)體或絕緣體基底以形成含有孔的薄膜；根據(jù)一組電腦控制波形中的一個(gè)波形，改變蝕刻條件，以產(chǎn)生折射率相對深度的圖，其產(chǎn)生圖樣，該圖樣將產(chǎn)生在反射率光譜中響應(yīng)于照明的可識別編碼。
20.權(quán)利要求19中的方法，進(jìn)一步包含從該半導(dǎo)體或絕緣體基底分離該薄膜的步驟。
21.權(quán)利要求20中的方法，進(jìn)一步包括將該薄膜分成粒子的步驟。
22.權(quán)利要求21中的方法，進(jìn)一步包括掩蔽半導(dǎo)體或絕緣體基底的初步步驟，以限定圖樣來限定當(dāng)粒子從薄膜分離時(shí)的粒子中的形態(tài)。
23.權(quán)利要求19中的方法，進(jìn)一步包括以下步驟通過照明一個(gè)或多個(gè)粒子產(chǎn)生在反射率光譜中的干涉圖樣；從干涉圖樣確定粒子編碼。
24.權(quán)利要求19中的方法，進(jìn)一步包括空間限定半導(dǎo)體或絕緣體基底的步驟，以在空間限定的位置或多個(gè)位置進(jìn)行所述蝕刻步驟。
25.權(quán)利要求24中的方法，其中所述改變步驟進(jìn)一步在不同的空間限定位置中改變蝕刻條件以在薄膜中進(jìn)行多重編碼。
26.權(quán)利要求25中的方法，進(jìn)一步包括從該半導(dǎo)體或絕緣體基底分離該薄膜的步驟。
27.權(quán)利要求26中的方法，進(jìn)一步包括將該薄膜分離成粒子的步驟。
28.一種鑒定附著于權(quán)利要求10的編碼粒子的分析物、或鑒定含有權(quán)利要求10的編碼粒子的主體(host)的方法，該方法包括以下步驟將編碼粒子與分析物或主體聯(lián)合；通過照明粒子產(chǎn)生在反射率光譜中的干涉圖樣；從該干涉圖樣中確定粒子編碼；根據(jù)上述確定步驟鑒定分析物或主體。
29.權(quán)利要求28中的方法，進(jìn)一步包括通過用特殊受體或靶向部分使粒子改性以指定該粒子與分析物相結(jié)合的步驟。
30.權(quán)利要求29中的方法，其中該靶向部分為糖或多肽。
31.權(quán)利要求30中的方法，進(jìn)一步包括通過熒光標(biāo)識或分析物自身熒光來表示分析物的結(jié)合的步驟。
32.一種編碼微米級粒子的方法，該方法包括以下步驟蝕刻晶片從而形成具有改變的孔隙率的薄膜，其將產(chǎn)生響應(yīng)于照明的可檢測的光學(xué)特征，該光學(xué)特征選自光學(xué)特征庫；對晶片施以電解拋光電流來從晶片除去多孔薄膜；將薄膜切成微米級粒子，每個(gè)微米級粒子保留有由上述蝕刻步驟產(chǎn)生的光學(xué)特征。
33.權(quán)利要求32中的方法，進(jìn)一步包括以特殊受體或靶向部分對粒子改性的步驟。
34.具有編碼庫的編碼的編碼微米級粒子(10，10a)，該編碼通過粒子不同區(qū)域之間的折射率變化嵌入其物理結(jié)構(gòu)中。
35.權(quán)利要求34中的編碼微米級粒子，其中折射率變化是由變化的孔隙率引起的。
36.權(quán)利要求34中的編碼微米級粒子，其中粒子不同區(qū)域的厚度不同。
37.權(quán)利要求34中的粒子，進(jìn)一步含有受體。
38.權(quán)利要求37中的粒子，其中所述受體是用于生物分析物的受體。
39.權(quán)利要求37中的粒子，其中所述受體是用于化學(xué)分析物的受體。
40.權(quán)利要求37中的粒子，其中所述受體是用于氣態(tài)分析物的受體。
41.權(quán)利要求37中的粒子，進(jìn)一步含有用于分析粒子的熒光標(biāo)識。
42.權(quán)利要求34中的粒子，其中該薄膜包括多孔硅。
43.光學(xué)編碼粒子(10，10a)，具有孔隙率，為了確切鑒別所述粒子，以及鑒別在分析物存在下的譜移，該孔隙率的光學(xué)反射率光譜可被識別為來自圖樣庫中的一個(gè)圖樣的顯著干涉圖樣。
44.一種識別權(quán)利要求43中所述的粒子的方法，該方法包含進(jìn)行主要成分分析，以使光學(xué)反射率光譜與圖樣庫中的這一個(gè)圖樣匹配。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有通過在粒子不同區(qū)域之間的折射率變化而嵌入其物理結(jié)構(gòu)的編碼庫編碼的粒子(10，10a)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，薄膜具有孔隙率，該孔隙率以產(chǎn)生在反射率光譜中可檢測的編碼的方式變化。分析檢測方法使用該粒子并檢測在分析物存在下的譜移。還公開了包含附加特征的其他實(shí)施方式。
文檔編號C12Q1/68GK1918304SQ200480041981
公開日2007年2月21日 申請日期2004年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月22日
發(fā)明者邁克爾·J·賽勒, 肖恩·O·米德 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會