專利名稱：用于單納米顆粒檢測(cè)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于單納米顆粒檢測(cè)的裝置。
背景技術(shù)：
多種化學(xué)和生物學(xué)傳感器是基于被分析物的光學(xué)、電化學(xué)或物理特性而存在的。光學(xué)傳感器通?？梢蕴峁o(wú)損、高靈敏度的檢測(cè)，并在被分析物與通常的水背景之間具有良好的辨別力。光學(xué)手段包括表面等離子體共振、采用兩個(gè)波導(dǎo)支路的干涉測(cè)量、以及基于內(nèi)反射的折射率測(cè)量。檢測(cè)到的光學(xué)信號(hào)與在整個(gè)光學(xué)體積上平均的折射率成比例。
在某些應(yīng)用中，期望將用于分析的體積限制在小于1fL，以便即使在高濃度下也可以隔離出一個(gè)或多個(gè)分子。通常，用于光學(xué)傳感器的分析體積不小于工作波長(zhǎng)的立方，可能還要大得多。因此，對(duì)于通常為0.5μm到1.5μm的工作波長(zhǎng)，分析體積超過(guò)了1fL。對(duì)于通常的光學(xué)傳感器，探測(cè)光場(chǎng)成指數(shù)關(guān)系衰減，這可能影響光學(xué)傳感器的響應(yīng)度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，可以通過(guò)引入晶格缺陷由二維光子晶體的晶格制成光子晶體傳感器。這些二維光子晶體結(jié)構(gòu)使得可以將光場(chǎng)限制在小于1fL的被分析物體積中，靈敏度擴(kuò)展到了對(duì)單分子進(jìn)行檢測(cè)。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例。
圖2A示出對(duì)于TM偏振態(tài)，透射率/反射率隨入射角的變化。
圖2B示出對(duì)于TE偏振態(tài)，透射率/反射率隨入射角的變化。
圖2C示出對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，波長(zhǎng)改變隨折射率的變化。
圖2D示出對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，歸一化透射譜隨波長(zhǎng)的變化。
圖2E示出對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，工作波長(zhǎng)的改變?chǔ)う穗S膜厚度的變化。
圖2F示出對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，工作波長(zhǎng)/折射率的改變隨時(shí)間的變化。
圖2G示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例中的抖動(dòng)系統(tǒng)。
圖2H示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例中的同步掃描系統(tǒng)。
圖2I示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例中的寬帶多元件非可調(diào)諧光源系統(tǒng)。
圖2J示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例中的基于斜率的峰值檢測(cè)系統(tǒng)。
圖3A示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例。
圖3B示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例。
圖3C示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例。
圖3D示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例。
圖3E示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例。
圖4A-圖4B示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例。
圖5A示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例。
圖5B示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的簡(jiǎn)化視圖。
圖5C示出對(duì)于圖5所示一種實(shí)施例，透射率隨頻率的變化以及從光子晶體結(jié)構(gòu)平面的頂部泄漏出的光信號(hào)。
圖6A示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例。
圖6B示出根據(jù)本發(fā)明的衍射超晶胞的一種實(shí)施例。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明使用材料堆疊的一種實(shí)施例。
圖8A-圖8C示出用于制造根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的步驟。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例。
圖10示出對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的面外場(chǎng)。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明用于對(duì)單納米顆粒進(jìn)行差動(dòng)測(cè)量的一種系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
光子晶體結(jié)構(gòu)可以將光場(chǎng)緊緊地限制在小于約1μm3的體積。光子晶體結(jié)構(gòu)是介電常數(shù)具有周期性圖樣的材料，它可以產(chǎn)生稱為光子帶隙的禁止頻率或波長(zhǎng)范圍。如果光子的能量落在帶隙中，光子就不能經(jīng)過(guò)該材料傳播?？梢酝ㄟ^(guò)將缺陷引入光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)，在二維或三維光子晶體的晶格中產(chǎn)生光子晶體傳感器。為了本專利申請(qǐng)的目的，術(shù)語(yǔ)“光子晶體傳感器”定義為這樣的光學(xué)傳感器，它采用光子晶體將光場(chǎng)或光局限在一定體積內(nèi)，該體積的平均介質(zhì)磁化率小于周圍材料的平均介質(zhì)磁化率。這樣的體積例如為二維光子晶體傳感器中的缺陷空穴(參見(jiàn)圖1)。本申請(qǐng)中定義的光子晶體傳感器與光學(xué)微腔傳感器(例如，參見(jiàn)美國(guó)專利No.6,661,938，第3列，第26-38行)是有區(qū)別的。對(duì)于光學(xué)微腔傳感器，提高靈敏度需要提高Q因子。而如下面將要說(shuō)明的，對(duì)于光子晶體傳感器，情況不是這樣。
根據(jù)本發(fā)明的二維光子晶體晶格可以通過(guò)在高折射率材料板(例如由Si或InP制成)中刻蝕相同半徑的若干空穴來(lái)構(gòu)成，其中缺陷是半徑與其余空穴不同的空穴。通過(guò)在高折射率板的上方和下方使用低折射率包層來(lái)提供三維的光學(xué)限制，所述包層通常是氧化物膜(例如SiO2)或空氣。為了產(chǎn)生寬的光子帶隙，空穴的半徑通常在約0.2a到0.4a的范圍內(nèi)，其中a為晶格常數(shù)。具有六方對(duì)稱性的晶格結(jié)構(gòu)通常會(huì)產(chǎn)生最大的帶隙。
根據(jù)本發(fā)明，可以由具有高折射率的介質(zhì)桿層構(gòu)成三維光子晶體晶格。這樣，可以在所有三個(gè)維度上由光子帶隙提供光學(xué)限制。
在根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例中，參考圖1，可以用二維光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)110構(gòu)成光子晶體傳感器100。隨著材料內(nèi)部空穴115和空穴118的有效折射率即平均折射率的增大，光子晶體傳感器100的工作頻率降低?？梢酝ㄟ^(guò)在厚度約為260nm(0.59a)的Si板材料的三角形晶格上刻蝕直徑約為255nm(0.58a)的空穴115，而構(gòu)成帶隙在約1300nm到1600nm之間的光子晶體晶格結(jié)構(gòu)110，所述三角形晶格的晶格常數(shù)約為440nm。將缺陷空穴118的直徑從約255nm(0.58a)減少到約176nm(0.40a)即得到光子晶體傳感器100。
如果空穴115和缺陷空穴118填充有折射率約為1.00的空氣，則工作波長(zhǎng)約為1350nm。本專利申請(qǐng)所用的“工作波長(zhǎng)”或“工作頻率”定義為光場(chǎng)或光受到局限處的波長(zhǎng)或頻率。如果光子晶體傳感器100涂敷有通常折射率約為1.5、厚度約為10nm的共形薄膜，則空穴115與缺陷空穴118內(nèi)部的平均折射率通常會(huì)增大，而將工作波長(zhǎng)偏移到約1360nm。大多數(shù)感興趣的常用薄膜是共形的。對(duì)于水基溶液分析，確保光子晶體傳感器100的表面親水可以促進(jìn)這種共形。對(duì)于蛋白分析，可以使用聚電解質(zhì)薄膜沉積技術(shù)來(lái)制備連續(xù)的聚-右旋-賴氨酸(poly-d-lysine)共形涂層，它可以使蛋白質(zhì)更好地結(jié)合到表面。但是，只要膜材料進(jìn)入空穴115和缺陷空穴118，則薄膜不一定要共形。通常，工作波長(zhǎng)的偏移取決于空穴115的半徑和缺陷空穴118的半徑?？梢杂密浖鼇?lái)預(yù)測(cè)工作波長(zhǎng)，所述軟件包例如MIT Photonic Bands(MPB)包，它可以從Massachusetts Institute ofTechnology獲得。注意所有的空穴115和缺陷空穴118的深度都與板材料的厚度相符，在這個(gè)例子中約為260nm。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，長(zhǎng)約0.75mm的兩個(gè)傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)175用于將光耦合進(jìn)出光子晶體傳感器100，所述波導(dǎo)175沿這樣的方向安裝到光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)110，所述方向垂直于光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)110中波導(dǎo)傳播通常所用的方向。傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)175從約2μm的寬度變細(xì)到約1.4a的寬度即約0.6μm以與圖1所示的模式分布相匹配。傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)175的外端面通常是抗反射的，涂敷有成對(duì)的TiO2和SiO2層，以抑止法布里-珀羅諧振。使用波導(dǎo)錐形連接器(waveguide taper)將光學(xué)模式擴(kuò)展到低折射率(通常約為1.5)波導(dǎo)中可以避免使用減反射鍍膜，所述低折射率波導(dǎo)在空氣界面處沒(méi)有高反射率。光子晶體晶格結(jié)構(gòu)110上兩個(gè)特別的方向是最近的相鄰方向(ГK)和次近的相鄰方向(ГM)。光子晶體傳感器100在傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)175之間沿ГM方向通常具有6個(gè)光子晶體層，沿垂直的ГK方向通常具有11到12個(gè)層。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，光沿著ГM方向耦合進(jìn)光子晶體傳感器100，因?yàn)檠刂方向的耦合效率通常比ГK方向至少高4倍。耦合效率的差異是因?yàn)檫@類雙極模式中有限尺寸效應(yīng)所致的面內(nèi)泄漏主要沿著ГM方向。
透射譜通常是用可調(diào)諧窄帶光源測(cè)量的，該光源用自由空間光學(xué)器件或者波導(dǎo)光學(xué)器件耦合到光子晶體晶格結(jié)構(gòu)110。例如，可以用諸如顯微物鏡將可調(diào)諧的TE偏振激光束聚焦到傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)175中。傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)175具有數(shù)值孔徑(NA)或者與之相關(guān)的接收角。只要來(lái)自顯微物鏡的會(huì)聚激光束的NA小于傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)175的NA，即可將光耦合到傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)175中。傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)175的NA與波導(dǎo)芯折射率n1和波導(dǎo)包層折射率n2之間的差有關(guān)NA＝(n12-n22)1/2。與波導(dǎo)包層的折射率相比，波導(dǎo)纖芯的折射率越大，則NA或接收角越大。
例如，如果n1～3.4且n2～1.5，則接收角實(shí)際上是90度，但需要考慮反射率/透射率隨入射角的變化。圖2A示出的曲線圖280中，曲線281示出對(duì)于TM偏振波，反射率隨入射角的變化，而曲線282示出對(duì)于TM偏振波，透射率隨入射角的變化。圖2B示出的曲線圖285中，曲線287示出對(duì)于TE偏振波，反射率隨入射角的變化，而曲線286示出對(duì)于TE偏振波，透射率隨入射角的變化。所有波的偏振態(tài)都可以表示為TE偏振態(tài)和TM偏振態(tài)的線性組合。對(duì)于光子晶體傳感器100，只有TE偏振波有光子帶隙。
也可以用由寬帶光源照明的分光計(jì)或單色儀來(lái)測(cè)量透射譜。從傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)175透射出的功率通常用校準(zhǔn)的InGaAs檢測(cè)器或其他合適的光檢測(cè)器(未示出)來(lái)測(cè)量。可以用紅外照相機(jī)作為診斷裝置來(lái)監(jiān)視透射光的模式分布以確保只有來(lái)自波導(dǎo)模式的信號(hào)進(jìn)入光檢測(cè)器。當(dāng)窄帶光源的光波長(zhǎng)與光子晶體傳感器100的工作波長(zhǎng)匹配時(shí)，經(jīng)過(guò)光子晶體傳感器100透射的光功率最大。可以用曲線擬合使確定光子晶體傳感器100的工作頻率或波長(zhǎng)的靈敏度提高。
根據(jù)參考圖2G的本發(fā)明的一種實(shí)施例，在抖動(dòng)系統(tǒng)233中，窄帶光源260光耦合到光子晶體傳感器100?？梢酝ㄟ^(guò)從信號(hào)發(fā)生器269施加緩變正弦信號(hào)并使光頻率或波長(zhǎng)緩慢改變(有時(shí)稱為“抖動(dòng)”)來(lái)對(duì)窄帶光源260的光頻率進(jìn)行調(diào)制。窄帶光源260通常選擇為半導(dǎo)體激光器，所述半導(dǎo)體激光器可以通過(guò)對(duì)注入電流施加小的調(diào)制來(lái)進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)窄帶光源260的光頻率或波長(zhǎng)接近工作波長(zhǎng)或頻率的中心頻率或波長(zhǎng)時(shí)，響應(yīng)于緩變光頻率或波長(zhǎng)的來(lái)自光檢測(cè)器261的電壓也受到調(diào)制。來(lái)自光檢測(cè)器261的電壓幅值與緩變光頻率或波長(zhǎng)離工作頻率或波長(zhǎng)的遠(yuǎn)近有關(guān)。通常，可以用例如鎖定放大器263的器件產(chǎn)生通向窄帶光源260和處理器265的誤差信號(hào)。由于當(dāng)窄帶光源260的光頻率位于光子晶體傳感器100的工作頻率或波長(zhǎng)處時(shí)光檢測(cè)器261上抖動(dòng)信號(hào)的幅值最小，所以誤差信號(hào)可以用反饋環(huán)鎖定工作頻率的峰值。因此可以在處理器265中確定光子晶體傳感器100的工作頻率或波長(zhǎng)。
根據(jù)參考圖2H的本發(fā)明的一種實(shí)施例，同步掃描系統(tǒng)234可以用于確定工作頻率或波長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量來(lái)自光檢測(cè)器261的隨時(shí)間變化的光電流并同步到時(shí)變可調(diào)諧窄帶光源245例如可調(diào)諧激光器，可以將工作頻率或波長(zhǎng)作為時(shí)間延遲6進(jìn)行編碼。例如，如果對(duì)耦合到光子晶體傳感器100的可調(diào)諧窄帶光源245進(jìn)行均勻的調(diào)諧，在約20毫秒內(nèi)從1490nm到1510nm進(jìn)行掃描，并在掃描開(kāi)始時(shí)由時(shí)鐘246向峰值捕獲電路268發(fā)送脈沖，則確定產(chǎn)生峰值電流的時(shí)間即可確定工作頻率或波長(zhǎng)。例如，如果峰值電流是在表示波長(zhǎng)掃描開(kāi)始的脈沖發(fā)送到峰值捕獲電路268之后10毫秒產(chǎn)生的，則工作波長(zhǎng)位于1500nm處。
根據(jù)參考圖2I的本發(fā)明的一種實(shí)施例，以比較低的成本，可以使用寬帶多元件非可調(diào)諧光源系統(tǒng)235，該系統(tǒng)使用比較普通的非可調(diào)諧光源例如發(fā)光二極管(LED)。例如可以使用三個(gè)LED 241、242、243，它們各具有約40nm的半高全寬(FWHM)譜寬度，中心分別位于不同的波長(zhǎng)1480nm、1500nm和1520nm。各個(gè)LED 241、242、243是由時(shí)鐘246依次開(kāi)啟的，并光耦合到光子晶體傳感器100。光檢測(cè)器261依次測(cè)量來(lái)自每個(gè)LED 241、242、243的透射功率。光檢測(cè)器261產(chǎn)生的電流由LED的功率分布與光子晶體100的透射率曲線的卷積決定。使用三個(gè)LED241、242、243消除了當(dāng)工作波長(zhǎng)或頻率與光源的峰值頻率不匹配時(shí)存在的波長(zhǎng)或頻率的不確定性，并增大了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。光源的頻率跨度越大，可以處理的工作頻率就越多，這使膜厚范圍可以更寬，寬至缺陷空穴118的尺寸。如果LED的FWHM約為40nm，傳感器譜線分布的FWHM約為2nm，則可以獲得足夠的波長(zhǎng)分辨力。
根據(jù)參考圖2J的本發(fā)明的一種實(shí)施例，使用了基于斜率的峰值檢測(cè)系統(tǒng)236，該系統(tǒng)236使用光耦合到光子晶體傳感器100的可調(diào)諧窄帶光源247，其中在頻率f0處可調(diào)諧窄帶光源247的頻率或波長(zhǎng)在兩個(gè)光波長(zhǎng)之間切換。兩個(gè)光波長(zhǎng)之間的差由可調(diào)諧窄帶光源247中的電子器件保持恒定，可調(diào)諧窄帶光源247以“抖動(dòng)”模式工作。光檢測(cè)器261測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同波長(zhǎng)處透射的相對(duì)功率，來(lái)自中心位于f0處的帶通濾波器249的誤差信號(hào)對(duì)較低的頻率或波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧，使得對(duì)于兩個(gè)波長(zhǎng)，來(lái)自光檢測(cè)器261的電流相等。因此，工作波長(zhǎng)位于較低和較高波長(zhǎng)之間的中點(diǎn)。
用注射器將標(biāo)定的商用硅酮流體滴施加到光子晶體傳感器100的表面，通常在光子晶體傳感器100的表面上產(chǎn)生厚度在幾百微米量級(jí)、覆蓋面積約5mm2的膜。由于光子晶體傳感器100表面上硅酮流體的體積比感測(cè)用體積大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以可以用硅酮流體取代空氣作為無(wú)限的均勻背景。在施加具有不同折射率的下一滴硅酮流體之前，將光子晶體傳感器100在丙酮和異丙醇中清洗，然后干燥。
圖2C中的曲線圖200示出對(duì)于根據(jù)圖1所示的本發(fā)明的實(shí)施例，工作波長(zhǎng)隨空穴115和空穴118中的環(huán)境折射率n的改變?chǔ)う耍溅?n)-λ(空氣)。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)201和計(jì)算得到的數(shù)據(jù)202都進(jìn)行二次擬合203。計(jì)算得到的數(shù)據(jù)202與測(cè)量數(shù)據(jù)201密切相符，表明硅酮流體完全填充了空穴115和118。
圖2D示出用5個(gè)不同的折射率分別獲得的歸一化透射譜271、272、273、274、275，所述5個(gè)不同的折射率從約n＝1.446到n＝1.454，增量為Δn＝0.002。對(duì)于Δn＝0.002的折射率增加，圖2D中的工作波長(zhǎng)增加了約0.4nm。透射率數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了數(shù)值平滑處理以消除由傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)175端面的殘余反射引起的法布里-珀羅振蕩。工作的峰值波長(zhǎng)是通過(guò)將數(shù)據(jù)擬合為洛侖茲形而確定的。透射譜271、272、273、274、275是通過(guò)將商用硅酮流體滴連續(xù)地施加到光子晶體傳感器100的表面而獲得的。所用的商用硅酮流體的標(biāo)定折射率精度為Δn＝±0.0002，折射率增量為Δn＝0.002。
圖2E中的曲線圖250示出了對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，工作波長(zhǎng)隨膜厚的改變?chǔ)う?。曲線圖250示出了使用示例性材料的工作波長(zhǎng)改變，該示例性材料具有與蛋白質(zhì)和抗體相似的折射率(折射率n在從約1.4到1.5的范圍內(nèi))。帶電聚合物的逐層靜電組裝是用聚醚酰亞胺(PEI)、聚4-苯乙烯磺酸鈉(PSS)和聚(d-賴氨酸氫溴酸鹽)(PLS-HBR)進(jìn)行的。通常每個(gè)薄膜層厚度處于2-3nm范圍內(nèi)。PEI和PLS-HBR上的有效電荷是正的，而PSS上的有效電荷是負(fù)的。PEI作為表面制備化學(xué)品通常表現(xiàn)良好，因?yàn)樗子诟街絊iO2表面。PSS和PLS-HBR是沉積成平滑、均勻單層的弱電解質(zhì)。
光子晶體傳感器100可以用于測(cè)量薄膜的厚度，其中膜厚小于空穴118的半徑。在填充缺陷空穴118和空穴115之后，工作波長(zhǎng)或頻率將不會(huì)改變，因?yàn)楣鈭?chǎng)或光被限制在光子晶體傳感器100的平面內(nèi)。如果在空穴115之前填充缺陷空穴118，則仍然會(huì)產(chǎn)生工作波長(zhǎng)或頻率的改變。在通常的操作中，缺陷空穴118沒(méi)有被完全填充。
光子晶體傳感器100還可以用于進(jìn)行時(shí)間分辨原位感測(cè)。例如，將5％甘油的去離子水溶液滴施加到光子晶體傳感器100表面，所述滴具有上述硅酮流體液滴量級(jí)的體積。然后加熱光子晶體傳感器100使去離子水蒸發(fā)。圖2F的曲線圖299示出了工作波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化，其中右側(cè)的縱坐標(biāo)示出用圖2A的二次擬合所獲得的對(duì)應(yīng)折射率n。隨著去離子水的蒸發(fā)，對(duì)應(yīng)于折射率從約n＝1.338到n＝1.451的變化，工作波長(zhǎng)從約1480.82nm改變到約1501.45nm。起始和最終的折射率分別對(duì)應(yīng)于甘油與去離子水混合物中甘油占5％和85％的情況。甘油與去離子水的混合物在約900秒后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
光子晶體傳感器100的噪聲來(lái)源包括溫度改變。例如，水的折射率取決于水的溫度。對(duì)于約20℃到50℃范圍內(nèi)的溫度，在約1500nm處，水的折射率對(duì)溫度的關(guān)系是dn/dT≈3×10-4。因此，溫度改變1℃引起約3×10-4的折射率變化，光子晶體傳感器100的工作頻率或波長(zhǎng)的變化約為0.06nm。
可以構(gòu)成圖1中光子晶體傳感器的不同靈敏度的變體。圖3A-圖3E示出了圖1所示光子晶體傳感器100的變體。光子晶體傳感器300、301、302、303、304分別使用高折射率板320、321、322、323、324，所述板具有對(duì)應(yīng)例如Si或GaAs的材料的約3.4的折射率n以及約0.6a的厚度，其中a為晶格常數(shù)。板320、321、322、323、324各自置于低折射率材料上方，所述低折射率材料具有對(duì)應(yīng)例如SiO2的材料的約為1.4的折射率。分別對(duì)應(yīng)于板320、321、322、323、324的5層空穴315、316、317、318、319沿傳播方向設(shè)置并用于光子晶體傳感器300、301、302、303、304。寬度為1.4a的傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)375用于將光耦合進(jìn)、出光子晶體傳感器300、301、302、303、304。空穴315、316、317、318、319分別作在高折射率板320、321、322、323、324中，位于晶格常數(shù)為a的三角形晶格上?？昭?15、316、317、318、319采用空氣填充或用折射率約為1.4的低折射率材料填充。高折射率板320、321、322、323、324上方的區(qū)域或者是空氣，或者是折射率約為1.4的低折射率材料。光子晶體傳感器300、301、302、303、304的工作頻率變化Δv除以空氣中的工作頻率vair提供了光子晶體傳感300、301、302、303、304靈敏度的量度。Δv/vair越大，具體的光子晶體傳感器的靈敏度就越高，得到的傳感器就越好。
圖3A示出光子晶體傳感器300，根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，其中空穴315半徑約為0.29a，或者根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中空穴半徑約為0.36a，其中a為晶格間距。當(dāng)空穴315的半徑約為0.29a時(shí)，空穴355的半徑約為0.17a，當(dāng)空穴315的半徑約為0.36a時(shí)，空穴355的半徑約為0.21a。對(duì)于光子晶體傳感器300，當(dāng)空穴315的半徑約為0.29a時(shí)，得到的靈敏度的量度Δv/vair＝0.044，當(dāng)空穴315的半徑約為0.36a時(shí)，得到的靈敏度的量度Δv/vair＝0.065。
圖3B示出光子晶體傳感器301，根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，其中空穴316半徑約為0.29a，或者根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中空穴316的半徑約為0.36a?？昭?56和中間層的空穴391在傳播方向上拉長(zhǎng)了約0.125a，得到了橢圓形空穴391，所述橢圓形空穴391的長(zhǎng)軸約為0.705a或0.845a，分別對(duì)應(yīng)于半徑約為0.29a或0.36a的空穴316。當(dāng)空穴316的半徑約為0.29a時(shí)，橢圓形空穴356的長(zhǎng)軸約為0.465a，當(dāng)空穴316的半徑約為0.36a時(shí)，長(zhǎng)軸約為0.545a。對(duì)于光子晶體傳感器301，當(dāng)空穴316的半徑約為0.29a時(shí)，得到的靈敏度的量度Δv/vair＝0.038，當(dāng)空穴316的半徑約為0.36a時(shí)，得到的Δv/vair＝0.056。
圖3C示出光子晶體傳感器302，根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，其中空穴317半徑約為0.29a，或者根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中空穴317的半徑約為0.36a?？昭?57和中間層的空穴392在傳播方向上拉長(zhǎng)了約0.125a，得到了橢圓形空穴392，橢圓形空穴392的長(zhǎng)軸約為0.705a或0.845a，分別對(duì)應(yīng)于半徑約為0.29a或0.36a的空穴317。當(dāng)空穴317的半徑約為0.29a時(shí)，橢圓形空穴357的長(zhǎng)軸約為0.525a，當(dāng)空穴317的半徑約為0.36a時(shí)，長(zhǎng)軸約為0.625a。對(duì)于光子晶體傳感302，當(dāng)空穴317的半徑約為0.29a時(shí)，得到的靈敏度的量度Δv/vair＝0.044，當(dāng)空穴317的半徑約為0.36a時(shí)，得到的Δv/vair＝0.063。
圖3D示出光子晶體傳感器304，根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，其中空穴319半徑約為0.29a，或者根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中空穴319的半徑約為0.36a。圓形空穴359的半徑約為0.57a。對(duì)于光子晶體傳感器304，當(dāng)空穴319的半徑約為0.29a時(shí)，得到的靈敏度的量度Δv/vair＝0.045，當(dāng)空穴319的半徑約為0.36a時(shí)，得到的靈敏度的量度Δv/vair＝0.073。
圖3E示出光子晶體傳感器303，根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，其中空穴318半徑約為0.29a，或者根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中空穴318的半徑約為0.36a。橢圓形空穴358的短軸約為0.66a，長(zhǎng)軸約為1.48a。對(duì)于光子晶體傳感器303，當(dāng)空穴318的半徑約為0.29a時(shí)，得到的靈敏度的量度Δv/vair＝0.051，當(dāng)空穴318的半徑約為0.36a時(shí)，得到的Δv/vair＝0.077。因此，光子晶體303對(duì)折射率變化具有最高的靈敏度，但光子晶體301和302具有更高的Q因子，因?yàn)樗鼈儗?duì)高折射率材料中的光場(chǎng)有更大的局限作用。這種更大的局限作用降低了靈敏度。
空穴315、316、317、318、319的半徑約為0.36a的情況與半徑約為0.29a的情況相比，光子晶體傳感器300-304的透射率較低，這是由于傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)375與高折射率板320、321、322、323、324之間的耦合降低了。例如，空穴318的半徑約為0.29a時(shí)，光子晶體傳感器303的透射率約為0.31，相比之下，空穴318的半徑約為0.36a時(shí)，透射率約為0.11。當(dāng)空穴315、316、317、318、319的半徑約為0.36a時(shí)，與半徑約為0.29a時(shí)相比，高折射率板320、321、322、323，324的平均介電常數(shù)更小。因此，高折射率板320、321、322、323、324與傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)375之間的折射率不連續(xù)性增大，導(dǎo)致耦合降低。通過(guò)如上所述將傳統(tǒng)波導(dǎo)375制成錐形可以使耦合提高。通過(guò)在高折射率板320、321、322、323、324的上方和下方設(shè)置金屬層以增大光學(xué)限制可以增強(qiáng)靈敏度?？梢允褂美缃稹y或鋁的金屬，因?yàn)樗鼈兊奈崭?。金屬層的厚度通常在晶格常?shù)a的量級(jí)或更小。詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)通過(guò)引用而結(jié)合于此的美國(guó)專利公開(kāi)No.20020159126A1。因?yàn)榻饘賹拥男Ч窃诖怪庇诙S光子晶體板的方向?qū)膺M(jìn)行限制，所以可以使用除了Si以外的材料，例如Al2O3、GaN、SiN或SiO2。這增加了光子晶體傳感器(例如光子晶體傳感器303)的靈敏度。但是，金屬的光學(xué)吸收(特別是在可見(jiàn)光波長(zhǎng)和近紅外波長(zhǎng)處)通常會(huì)使這類光子晶體傳感器的透射率和Q因子降低。
圖4A-圖4B分別以側(cè)視圖和俯視圖示出根據(jù)本發(fā)明的三維光子晶體傳感器400。光子晶體傳感器400具有21個(gè)層。因?yàn)楣庾泳w傳感器400是三維的，對(duì)于光的任意入射角都會(huì)出現(xiàn)缺陷區(qū)域435引起的透射峰。因此，在工作波長(zhǎng)處，可以用例如傳統(tǒng)脊形波導(dǎo)452和453分別將光從一側(cè)耦合進(jìn)光子晶體傳感器400并在相反側(cè)耦合出來(lái)。如果要將光垂直于三維光子晶體晶格401的層進(jìn)行耦合，則通常使用光纖波導(dǎo)。三維光子晶體傳感器400提供了比光子晶體傳感器300、301、302、303、304更好的靈敏度，但是通常更難制造。在根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例中，三維光子晶體傳感器400由多層折射率約為3.6的介質(zhì)桿450構(gòu)成以形成三維光子晶體晶格401，通常是Si、GaAs或InP。介質(zhì)桿450具有例如約0.22c乘以0.25c的截面尺寸，其中c為沿堆疊方向一個(gè)單位晶胞的厚度，它等于四個(gè)介質(zhì)桿450的厚度。介質(zhì)桿450在每層內(nèi)彼此分開(kāi)約0.6875a。通過(guò)從桿451的中部除去約0.625a來(lái)產(chǎn)生缺陷區(qū)域435。光子晶體傳感器400靈敏度的量度Δv/vair＝0.112。
實(shí)際上，位于光子晶體傳感器400的缺陷區(qū)域435中的感測(cè)用體積是由光刻限定的。由于光場(chǎng)或光局限在缺陷區(qū)域435中，所以重要的是使得被分析物只能填充在缺陷周圍的空間。用例如SiO2取代空氣可以簡(jiǎn)化操作和制造而同時(shí)維持光子晶體傳感器400的性能，參見(jiàn)通過(guò)引用而結(jié)合于此的Fleming，J.G.和Lin，S.Y.在Journal of Lightwave Technology，v17(11)，p.1956-1962，1999的文章。在光子晶體傳感器400的三維層完成之后，將光刻膠中的開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)光子晶體傳感器400的缺陷區(qū)域435。用氫氟酸刻蝕或?qū)iO2進(jìn)行刻蝕的其他選擇性刻蝕可以除去感測(cè)用體積中的SiO2。這樣可以控制被分析物流入光子晶體400中界限明確的小體積中，所需的被分析物更少。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，二維光子晶體傳感器可以如圖5A所示的光子晶體結(jié)構(gòu)500來(lái)布置，以便可以處理圖5B所示的多個(gè)缺陷空穴。缺陷空穴515可以將光耦合出光子晶體波導(dǎo)520。在缺陷空穴515的工作波長(zhǎng)處，由于將光耦合出光子晶體波導(dǎo)520，所以沿光子晶體波導(dǎo)520的透射率下降，針對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)500平面的頂部出來(lái)的功率產(chǎn)生峰值。改變?nèi)毕菘昭?15的尺寸和/或形狀可以改變工作波長(zhǎng)?？梢匀鐖D5B的概念性視圖中所示沿光子晶體波導(dǎo)550的長(zhǎng)度方向設(shè)置一系列缺陷空穴525、535、545。隨著可調(diào)諧光源(未示出)掃過(guò)一個(gè)波段，對(duì)于從光子晶體波導(dǎo)575的平面泄漏出的信號(hào)，在缺陷空穴525、535、545的不同的工作波長(zhǎng)處產(chǎn)生信號(hào)峰581、582、583。信號(hào)峰581、582、583(參見(jiàn)圖5B)通常是用設(shè)在缺陷空穴525、535、545上方的光檢測(cè)器(未示出)分別測(cè)量的。微透鏡(未示出)通常用于將信號(hào)聚焦到每個(gè)光檢測(cè)器上。
例如，對(duì)于圖5A，根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，光子晶體結(jié)構(gòu)500的空穴560半徑約為0.29a，在設(shè)于SiO2襯底上的硅板561中深度為0.6a，其中a為晶格常數(shù)?？昭?60中的一行由短軸約為0.66a、長(zhǎng)軸約為1.48a的橢圓形空穴562取代。缺陷空穴515的半徑約為0.41a。圖5C示出沿著光子晶體波導(dǎo)520透射率隨頻率的變化以及從光子晶體結(jié)構(gòu)500平面的頂部泄漏出的光學(xué)信號(hào)的曲線圖599。在缺陷空穴515的工作頻率0.254c/a處，其中c為真空中的光速，590線表明沿光子晶體波導(dǎo)520的透射率有大約8dB的下降，591線指出了從平面泄漏出的功率峰值。大約8％的泄漏進(jìn)入了下方的SiO2襯底，大約7％的泄漏向上離開(kāi)平面進(jìn)入了空氣。
對(duì)于圖5B，缺陷空穴525、535、545的次序通常排列為使與光子晶體波導(dǎo)520耦合更強(qiáng)的缺陷空穴設(shè)在光子晶體波導(dǎo)520的下方更遠(yuǎn)處，該處的透射信號(hào)較弱。這是因?yàn)檩敵鲂嗜Q于平面內(nèi)的質(zhì)量因子與垂直于平面的質(zhì)量因子的比值。當(dāng)該比值為1時(shí)輸出效率最大。質(zhì)量因子取決于缺陷空穴525、535、545的形狀和尺寸、缺陷空穴525、535、545與光子晶體波導(dǎo)520之間的間隔、光子晶體板562的厚度以及光子晶體板562和襯底(圖5B中未示出)的折射率。因?yàn)楣庾泳w波導(dǎo)550有損耗，所以缺陷空穴525、535、545中輸出效率較低的缺陷空穴設(shè)在靠近光子晶體波導(dǎo)550的輸入處，缺陷空穴525、535、545中輸出效率較高的缺陷空穴設(shè)在靠近光子晶體波導(dǎo)550的末端處。關(guān)于輸出效率的詳細(xì)內(nèi)容可以在M.Imada等人在Journal of Lightwave Technology，20，873，2002的文章中找到，該文章通過(guò)引用而結(jié)合于此。
如圖6A的簡(jiǎn)化形式所示，根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，可以在傳感器芯片600上布置光子晶體傳感器610的陣列。波導(dǎo)615的陣列可以設(shè)在傳感器芯片600的邊緣，每個(gè)光子晶體傳感器610對(duì)應(yīng)于一個(gè)波導(dǎo)615。波導(dǎo)615陣列的間距通常約為4μm。根據(jù)本發(fā)明的高NA聚焦透鏡的焦距通常為1mm，聚焦透鏡的孔徑通常為0.5mm。陣列中可處理的波導(dǎo)615的數(shù)目實(shí)際上是由這樣的因素限定的，即對(duì)于固定的輸入功率，在維持進(jìn)入波導(dǎo)615的透射率足夠(參見(jiàn)圖2A和2b)的同時(shí)可以獲得多大的入射角。
可以用衍射陣列發(fā)生器640處理光子晶體傳感器610的陣列以同時(shí)處理或耦合進(jìn)波導(dǎo)615的陣列。衍射陣列發(fā)生器例如衍射陣列發(fā)生器640在例如Gmitro，A.F.和Coleman，C.L.，Optoelectronic Interconnects andPackaging，Proceeding SPIE，v.CR62，88，1996中有說(shuō)明，該文章通過(guò)引用而結(jié)合于此。商用衍射陣列發(fā)生器能產(chǎn)生20個(gè)衍射級(jí)次，效率約為95％。衍射陣列發(fā)生器640設(shè)計(jì)為在相鄰的衍射級(jí)次或子束(beamlet)之間提供預(yù)定的角度間隔。例如，如果焦距約為1mm，波導(dǎo)615的陣列間距為4μm，則需要的角度間隔為0.004弧度。衍射陣列發(fā)生器640通常被劃分為衍射超晶胞690。角度間隔確定了衍射超晶胞690的尺寸(參見(jiàn)圖6B)，該尺寸由λ/sinθ確定，其中λ為光波長(zhǎng)，θ為角度間隔。對(duì)于θ＝0.004、λ＝1500nm，衍射超晶胞690的尺寸約為375μm。衍射超晶胞690通常被劃分為若干個(gè)象素695，其中每個(gè)象素695加入一段相位延遲。由每個(gè)象素695產(chǎn)生的相位延遲由衍射超晶胞690的表面687中的刻蝕深度d確定，該相位延遲由(n1-n2)2dπ/λ給出，其中n1為衍射超晶胞690的折射率，n2為周圍介質(zhì)的折射率，λ為光波長(zhǎng)。
象素695的數(shù)目越多，可以處理的衍射級(jí)次就越多，各衍射級(jí)次上的功率均勻度就越好。設(shè)象素695的尺寸約為1μm，衍射超晶胞690的尺寸為375μm，這樣可以使光衍射到約100級(jí)，每個(gè)級(jí)次的強(qiáng)度相等，差別在20％以內(nèi)。
當(dāng)波長(zhǎng)改變時(shí)，需要考慮可調(diào)諧光源的效果。例如，假設(shè)可調(diào)諧光源的調(diào)諧范圍約10nm，中心波長(zhǎng)為1500nm，則在1500nm處，第50個(gè)衍射級(jí)以約為11.57度的角度衍射，在1510nm處，第50個(gè)衍射級(jí)以約為11.62度的角度衍射。那么，衍射級(jí)的橫向位移在1500nm處約為200μm，在1510nm處約為201μm。盡管耦合效率降低了，但在可調(diào)諧光源的整個(gè)10nm調(diào)諧范圍中很大部分仍然耦合進(jìn)波導(dǎo)615。對(duì)于在存在水的情況下對(duì)粘附到光子晶體傳感器610的生物分子進(jìn)行檢測(cè)，10nm的調(diào)諧范圍通常足以覆蓋光子晶體傳感器610的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。為了獲得更寬的調(diào)諧范圍，通常必須減小衍射級(jí)次的數(shù)目，并因此減小可處理的波導(dǎo)615的數(shù)目。用于衍射陣列發(fā)生器640的靜態(tài)衍射元件通常由例如石英的介質(zhì)材料或者例如聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯的聚合物制成。
衍射陣列發(fā)生器的替換物包括可用作動(dòng)態(tài)可重構(gòu)衍射陣列發(fā)生器的空間光調(diào)制器(SLM)，參見(jiàn)例如Kirk，A.等，Optical Communications，vol.105，302-308，1994，以及基于MEMS的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)反射鏡陣列，參見(jiàn)例如Yamamoto，T等，IEEE Photonics Technology Letters，1360-1362，2003。SLM通常可以對(duì)每個(gè)波導(dǎo)615按時(shí)間順序進(jìn)行單獨(dú)處理。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明使用了材料堆疊700的一種實(shí)施例。高折射率芯層710由包層720和730包圍，所述芯層710的折射率在從3到4的范圍，例如Si或Ge單晶材料或者例如GaAs或InP的化合物半導(dǎo)體材料。包層720和730通常由折射率約為1.5的材料制成，例如SiO2、Al2O3或旋涂玻璃(spin on glass)。在使用Si單晶材料時(shí)，頂部和底部的包層720和730通常由折射率約為1.5的材料形成，例如SiO2或旋涂玻璃。在使用化合物半導(dǎo)體材料例如III-IV族元素材料時(shí)，底部包層720通常是Al2O3(折射率約為1.76)，因?yàn)橛煤X化合物易于形成外延層。此后用橫向氧化對(duì)鋁層進(jìn)行氧化。如果要將光耦合出材料堆疊200的平面，則上面的包層730通常比下面的包層720折射率更高，可以由SiO2、Si3N4或折射率小于2的其他適當(dāng)材料制成。
根據(jù)本發(fā)明，用于二維光子晶體傳感器的通常初始結(jié)構(gòu)是絕緣體上硅(SOI)晶片、GaAs/AlxOy或InGaAsP/AlxOy材料。二維光子晶體傳感器可以使用為垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)開(kāi)發(fā)的濕式氧化技術(shù)用例如GaAs/AlxOy或InGaAsP/AlxOy材料實(shí)現(xiàn)，也可以用折射率差異較小的材料例如基于InGaAsP/InP或GaAs/AlGaAs的材料實(shí)現(xiàn)，這需要在深度刻蝕的同時(shí)維持垂直的側(cè)壁以減小傳播損耗。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，參考圖8A，二維光子晶體傳感器由SOI晶片制造，其中厚度約為1μm的SiO2層810將厚度約為260nm的Si板801與Si襯底816隔開(kāi)。圖8A示出了用低溫等離子輔助化學(xué)氣相沉積在SOI晶片810上沉積的100nm厚的SiO2硬掩模815。選擇Si板816的厚度以提供較大的光子帶隙，如Johnson，S.G.等，Physical Review B，vol.60，8，p.5751，1999中所述。用有效折射率法可以發(fā)現(xiàn)Si板816的厚度大于260nm將導(dǎo)致多模波導(dǎo)。因此用不同的包層來(lái)對(duì)Si板816的厚度進(jìn)行調(diào)整。
用電子束光刻機(jī)在一次光刻步驟中形成光子晶體晶格結(jié)構(gòu)110和脊形波導(dǎo)175(參見(jiàn)圖1)的圖樣。通常以約5nm網(wǎng)格的高精度模式對(duì)光子晶體晶格結(jié)構(gòu)110進(jìn)行限定，而通常以約50nm的較粗糙網(wǎng)格對(duì)脊形波導(dǎo)175進(jìn)行限定。通過(guò)將光子晶體晶格結(jié)構(gòu)110和脊形波導(dǎo)175都對(duì)之前的光刻步驟中產(chǎn)生的金屬對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(未示出)進(jìn)行定位來(lái)保持光子晶體晶格結(jié)構(gòu)110與脊形波導(dǎo)175對(duì)準(zhǔn)。空穴118通常由垂直于脊形波導(dǎo)175中傳播方向的2到4個(gè)晶格周期包圍。通常通過(guò)使用CHF3/He/O2化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)將電子束光刻圖樣轉(zhuǎn)移到SiO2硬掩模815中(參見(jiàn)圖8B)。用HBr化學(xué)物質(zhì)對(duì)Si板816進(jìn)行刻蝕(參見(jiàn)圖8c)以產(chǎn)生高度垂直和光滑的側(cè)壁，參見(jiàn)Painter等，Journal of Lightwave Technology，17(11)，p.2082，1999，該文章通過(guò)引用而結(jié)合于此。為了在光子晶體晶格結(jié)構(gòu)110上獲得質(zhì)量良好的端面，光子晶體晶格結(jié)構(gòu)110的頂面由熱穩(wěn)定的有機(jī)介質(zhì)(通常是光刻膠)保護(hù)，所述有機(jī)介質(zhì)在沉積之后對(duì)光子晶體晶格結(jié)構(gòu)110進(jìn)行切割和拋光時(shí)易于除去。拋光通常用SYTON硅膠拋光劑來(lái)進(jìn)行。
缺陷空穴118和空穴115的適當(dāng)尺寸是通過(guò)將布局結(jié)構(gòu)方面的考慮與電子束劑量進(jìn)行均衡而獲得的。在對(duì)納米尺度構(gòu)件的劑量限定(dosedefinition)實(shí)驗(yàn)中，必須考慮鄰近效應(yīng)。劑量與SiO2和Si刻蝕處理之后的最終空穴外形尺寸有關(guān)。空穴115和缺陷空穴118的最終外形尺寸通常小于電子束光刻所限定的構(gòu)件，這表明刻蝕處理產(chǎn)生的側(cè)壁通常并非垂直的。
用于將圖樣轉(zhuǎn)移到SiO2層815中的具體的刻蝕處理對(duì)空穴115和缺陷空穴118的直徑有影響。根據(jù)具體的刻蝕條件，可以增加或減小空穴115和缺陷空穴118的直徑。在刻蝕處理期間，較小的反應(yīng)器壓力使空穴115和缺陷空穴118的最終外形尺寸相對(duì)于設(shè)計(jì)外形尺寸的直徑改變較小。從初始的光刻圖樣到光子晶體晶格結(jié)構(gòu)110，通常的制造公差小于2％。保留下面的SiO2層810可以提供附加的機(jī)械支撐。
根據(jù)本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)單納米顆粒檢測(cè)。為了本申請(qǐng)的目的，納米顆粒定義為這樣的顆粒，例如有效半徑在1到250納米量級(jí)的分子。對(duì)于例如用于測(cè)量薄膜的光子晶體傳感器303-304，與用于測(cè)量固定體積(例如單一納米顆粒)的光子晶體傳感器相比，工作波長(zhǎng)的選擇不同。通常，二維光子晶體傳感器的靈敏度為Δλ/λ(或者Δv/v)，它與被分析物體積除以光學(xué)模式體積成比例。光學(xué)模式體積與工作波長(zhǎng)的立方(λ3)成比例，其中光學(xué)模式的體積可以定義為涵蓋了90％光強(qiáng)度的體積。在測(cè)量薄膜時(shí)，被分析物體積與工作波長(zhǎng)的平方(λ2)成比例，所以測(cè)量的響應(yīng)度(Δλ)與厚度成比例，而與工作波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。但是，對(duì)于單納米顆粒檢測(cè)，被分析物體積是固定的。所以，測(cè)量的絕對(duì)響應(yīng)度Δλ與λ2成反比。因此，測(cè)量的絕對(duì)波長(zhǎng)響應(yīng)度Δλ隨著工作波長(zhǎng)的減小而增大。在減小工作波長(zhǎng)方面，物理上的障礙通常包括材料的吸收以及適當(dāng)?shù)目烧{(diào)諧光源。例如，Si吸收光源中小于約1μm的波長(zhǎng)。通過(guò)改用在短于1μm的波長(zhǎng)處透明的材料(例如GaN或GaAs)，以及將檢測(cè)方案改為上述無(wú)需可調(diào)諧光源的檢測(cè)方案之一，可以解決這個(gè)問(wèn)題。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的光子晶體傳感器900，它可以進(jìn)行單納米顆粒檢測(cè)。通常在整個(gè)光子晶體板918上從頭到尾刻蝕相同半徑的空穴905，光子晶體板918通常是Si、GaN、InP或GaAs，或者其他適當(dāng)?shù)母哒凵渎什牧稀９庾泳w板918光耦合到用于將光輸入光子晶體傳感器900中的波導(dǎo)(圖9中未示出)。光子晶體傳感器900由二維光子晶體晶格結(jié)構(gòu)形成，通過(guò)將單一空穴結(jié)構(gòu)改為其他形式的均勻二維周期性晶格來(lái)產(chǎn)生缺陷空穴910。區(qū)域915示出了有效感測(cè)體積。三維光學(xué)限制通常是通過(guò)低折射率支撐物920(通常是SiO2)以及襯底922(通常是Si)上方的空氣層925來(lái)提供的。光子晶體傳感器900可以用來(lái)測(cè)量是否有納米顆粒存在于缺陷空穴910中或者從其穿過(guò)。根據(jù)本發(fā)明，納米顆粒通常懸浮在載液中，例如水中。
隨著空穴905和空穴910內(nèi)材料的有效折射率或平均折射率增大，光子晶體傳感器90的工作頻率減小。光子晶體傳感器900的響應(yīng)度定義為相應(yīng)于折射率改變?chǔ)的波長(zhǎng)改變。對(duì)于用絕緣體上硅(SOI)材料制造的光子晶體傳感器900，響應(yīng)度Δλ/Δn通常在約150nm到約300nm的范圍。當(dāng)折射率只在缺陷空穴910中改變時(shí)，響應(yīng)度Δλ/Δn通常在約75nm到約150nm的范圍。根據(jù)本發(fā)明的光子晶體傳感器900的一種實(shí)施例晶格常數(shù)a約為440nm，對(duì)于空穴905，半徑r在約0.25a到約0.4a的范圍內(nèi)；對(duì)于缺陷空穴910，半徑r’在約0.15a到約0.25a的范圍內(nèi)；對(duì)于光子晶體板918，厚度t約為0.6a。對(duì)于缺陷空穴910，通常體積在1×10-17L或者6×106nm3量級(jí)。因此，直徑10nm的納米顆粒(例如分子)占據(jù)的體積比例約為10-4。最常見(jiàn)的有機(jī)分子，例如蛋白質(zhì)、抗體或病毒，具有約1.5的折射率，而水的折射率約為1.3。因此，缺陷空穴910中存在10nm的分子提供了約2×10-5的折射率改變，給光子晶體傳感器900的工作波長(zhǎng)造成約3pm的改變。上面討論的采用波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器的檢測(cè)方案就具有所需的靈敏度。
通常，通過(guò)改變r(jià)/a和r’/a并且針對(duì)于僅僅在缺陷空穴910中發(fā)生的折射率變化確定工作頻率的變化(對(duì)于缺陷空穴910的體積歸一化)，來(lái)調(diào)整光子晶體傳感器900的設(shè)計(jì)以獲得單納米顆粒的響應(yīng)度，其中r和r’分別為空穴905和缺陷空穴910的半徑，a為晶格常數(shù)。如上所述，隨著空穴905和缺陷空穴910的尺寸增大，工作波長(zhǎng)也增大，對(duì)于可調(diào)諧光源的調(diào)諧范圍固定的情況，這點(diǎn)很重要。為了將工作波長(zhǎng)保持在光源的固定調(diào)諧范圍內(nèi)，需要對(duì)晶格常數(shù)也進(jìn)行調(diào)整。調(diào)諧的一個(gè)例子是減小缺陷空穴910的半徑，以增大對(duì)固定波長(zhǎng)進(jìn)行感測(cè)時(shí)工作波長(zhǎng)的漂移。例如，計(jì)算表明，在對(duì)半徑約10nm的單納米顆粒進(jìn)行感測(cè)時(shí)，對(duì)于缺陷空穴910的半徑r’從約107nm減小到約67.5nm的情況，工作波長(zhǎng)的測(cè)量響應(yīng)增加了約50％，從Δλ～0.012nm到～0.018nm。
生物分子的通常尺寸，對(duì)于蛋白質(zhì)約為2nm到4nm，對(duì)于抗體約為4nm到10nm，對(duì)于病毒約為40nm到100nm?？梢杂梦⒘黧w通道將一個(gè)個(gè)的分子發(fā)送到缺陷空穴910。微流體通道可以在各種材料上制造，所述材料例如玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亞胺或其他可以光限定的(photodefinable)有機(jī)物。如果需要，可以通過(guò)除去低折射率支撐物925，將光子晶體傳感器900轉(zhuǎn)換為膜結(jié)構(gòu)。在需要被分析物進(jìn)入光子晶體傳感器900的缺陷空穴910中時(shí)，制成膜結(jié)構(gòu)有利于控制被分析物的流動(dòng)。使流動(dòng)重定向?yàn)榱鹘?jīng)膜結(jié)構(gòu)而不是在傳感器之上流動(dòng)，有利于液體流入缺陷空穴910。被分析物與傳感器場(chǎng)的相互作用增大了，但是液體流動(dòng)所經(jīng)過(guò)的直徑減小了，直徑減小減緩了微流體通道中的總體流動(dòng)，或者說(shuō)需要更大壓力來(lái)獲得相同的總流速。
在根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例中，對(duì)經(jīng)過(guò)或進(jìn)入空穴905的流動(dòng)進(jìn)行阻擋，使得可以流經(jīng)或流入缺陷空穴910。折射率在約1到約1.7之間的材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅，可以用于填充空穴905，同時(shí)仍然使光子晶體傳感器900具有滿意的性能。根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例，光子晶體傳感器900對(duì)于經(jīng)過(guò)空穴905顆粒的響應(yīng)度通常比光子晶體傳感器900對(duì)于經(jīng)過(guò)缺陷空穴910的顆粒的響應(yīng)度小至少兩倍。因此，通常只有在被分析物顆粒的濃度較高時(shí)才需要填充空穴905。
根據(jù)本發(fā)明，空穴905和缺陷空穴910都可以用低折射率材料填充，因?yàn)槿鐖D10所示，缺陷空穴910附近的光場(chǎng)既向光子晶體板918上方延伸，也向其下方延伸。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于λ～1350nm，通常的面外光場(chǎng)分布1000，它以缺陷空穴910的中心軸附近為中心。因此，當(dāng)顆粒放在缺陷空穴910上方時(shí)，光子晶體傳感器900的工作頻率也會(huì)改變。由于水與被分析物之間的折射率差，這種檢測(cè)模式通常不需要被分析物上的任何標(biāo)記或標(biāo)簽，因此便于樣品制備工作，但是降低了專用性(specificity)。
可以用非常小的顆粒對(duì)特定的分子進(jìn)行標(biāo)簽，所述顆粒是半徑在約1nm到5nm量級(jí)的高折射率材料，例如Au或Ag。詳細(xì)情況可以參見(jiàn)例如J.F.Hainfeld，“Labeling with nanogold and undecagoldtechniques andresults”，Scanning Microscopy Supplement，10，309-325，1996以及J.F.Hainfeld and R.D.Powell，“New Frontiers in gold Labeling”，Journal ofHistochemistry and Cytochemistry，48，471-480，2000，這些文章通過(guò)引用而結(jié)合于此。這里，光子晶體傳感器900對(duì)于作為標(biāo)簽的高折射率顆粒的存在作出響應(yīng)，從而可以對(duì)被標(biāo)簽的特定分子進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明可以對(duì)非常小的折射率改變進(jìn)行檢測(cè)，所以可以使用許多不同的標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)高度的復(fù)用。通常用于標(biāo)簽的高折射率材料包括CdS、InP或者前述例如Au或Ag的金屬。
可以對(duì)直徑約30nm到100nm的小珠子進(jìn)行功能化，以允許具體的生物分子粘附到珠子表面。通常，珠子是水溶液中的聚苯乙烯膠乳珠。聚苯乙烯膠乳珠通常涂敷有用CVD(化學(xué)氣相沉積)沉積的SiO2薄膜，薄膜厚度通常在約10A到約50A量級(jí)。這種涂敷之后，通常用CVD沉積憎水硅烷化合物，例如全氟癸烷三氯硅烷(FDTS)或癸基三氯硅烷(C-10)。珠子表面通常用例如蛋白質(zhì)、生物素化的蛋白質(zhì)或抗體來(lái)進(jìn)行官能化。如果用蛋白質(zhì)對(duì)珠子表面進(jìn)行官能化，則與用于具體蛋白質(zhì)的抗體發(fā)生鍵合。如果用抗體對(duì)珠子表面進(jìn)行官能化，則與用于具體抗體的蛋白質(zhì)發(fā)生鍵合。如果用生物素化的蛋白質(zhì)對(duì)珠子表面進(jìn)行官能化，則與蛋白質(zhì)表面上的生物素發(fā)生鍵合。用于具體蛋白質(zhì)的抗體可以固化到所得的憎水表面上，能夠得到對(duì)于具體珠子尺寸的具體鍵合信息。在珠子尺寸得到良好控制的情況下，隨著珠子經(jīng)過(guò)光子晶體傳感器900的缺陷空穴910，可以測(cè)量鍵合到珠子表面的生物分子數(shù)目。工作波長(zhǎng)的改變?chǔ)う嘶蚬ぷ黝l率的改變?chǔ)與缺陷空穴910的體積或折射率的改變比例成比例Δλ～αρ3，其中α包含了傳感器的響應(yīng)度，ρ為球半徑。這樣得到了對(duì)珠子半徑的響應(yīng)度為Δλ/Δρ～3αρ2。例如，設(shè)珠子直徑為50nm，則工作波長(zhǎng)的改變相對(duì)于由于生物分子的粘附造成的半徑改變?yōu)棣う?Δρ～0.23，于是半徑每改變1nm，對(duì)應(yīng)于工作波長(zhǎng)改變0.23nm?？梢杂貌煌幕瘜W(xué)物質(zhì)對(duì)含有不同直徑珠子的溶液進(jìn)行官能化，從而在溶液中進(jìn)行多種不同的鍵合實(shí)驗(yàn)，然后通過(guò)使珠子經(jīng)過(guò)光子晶體傳感器900的缺陷空穴910來(lái)分析結(jié)合系數(shù)(binding coefficient)。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，其中光子晶體傳感器1106、1107、1108和1109集成在單一的襯底1104上，從而可以進(jìn)行差動(dòng)測(cè)量。注意，對(duì)于光子晶體傳感器1106、1107、1108和1109，光子晶體晶格不一定相同。光波導(dǎo)1110使得可以對(duì)光子晶體傳感器1106和1107分別進(jìn)行光學(xué)查詢(interrogation)，而光波導(dǎo)1115使得可以對(duì)光子晶體傳感器1108和1109分別進(jìn)行光學(xué)查詢。微流體通道1120、1121、1122和1123(示意性示出)分別將流體成分發(fā)送到光子晶體傳感器1106、1107、1108和1109。用于產(chǎn)生被分析物或與期望的被分析物進(jìn)行反應(yīng)的結(jié)構(gòu)1155和1150分別位于微流體通道1121和1122中光子晶體傳感器1107和1108上游處。例如，如果結(jié)構(gòu)1150和1155分別為正常細(xì)胞和異常細(xì)胞，則這些細(xì)胞在芯片上孵化和固化，參見(jiàn)例如H.Andersson and A.Van den Berg，“Microfabrication and microfluidics for tissue engineeringstate of the art andfuture opportunities”，Lab on a chip，4，98-103，2004，該文通過(guò)引用而結(jié)合于此。微流體通道1120和1123分別與光子晶體傳感器1106和1109一起提供參考信號(hào)，從而能夠?qū)囟绕七M(jìn)行補(bǔ)償，并提供載液中的緩沖劑和溶劑等。外部微流體輸入口1199用于引入用于細(xì)胞的藥品、水和培養(yǎng)基，光子晶體傳感器1106、1107、1108和1109下游的相應(yīng)輸出口(未示出)用于收集過(guò)量的流體。光子晶體傳感器1106、1107、1108和1109可以用于例如測(cè)量細(xì)胞的藥品消耗量，或者對(duì)存在藥品或其他分子的情況下，從細(xì)胞排出的蛋白質(zhì)中的改變進(jìn)行測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)單納米顆粒的二維光子晶體傳感器裝置(900)，包括用于輸入光的波導(dǎo)(920)；和光耦合到所述波導(dǎo)(920)的光子晶體板(918)，所述光子晶體板(918)由二維周期性晶格形式的空穴(905)穿過(guò)，所述二維周期性晶格形式的空穴(905)包括晶格常數(shù)和缺陷空穴(910)，所述缺陷空穴(910)被調(diào)整為適于檢測(cè)所述單納米顆粒，所述光子晶體板(918)能夠從所述波導(dǎo)(920)接收所述光，并能夠在工作波長(zhǎng)處將所述光限制在所述缺陷空穴(910)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，除了所述缺陷空穴(910)之外的所述二維周期性晶格形式的空穴(905)由低折射率材料填充。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述缺陷空穴(910)由所述低折射率材料填充。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，包括了所述單納米顆粒的載液流過(guò)所述缺陷空穴(910)上方。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，用所述光子晶體板(1104)上的微流體通道(1120、1121、1122、1123)使所述載液流到所述缺陷空穴(910)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，包括了所述單納米顆粒的載液通過(guò)所述缺陷空穴(910)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，用所述光子晶體板(1104)上的微流體通道(1120、1121、1122、1123)使所述載液流到所述缺陷空穴(910)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述波導(dǎo)(920，1110)是傳統(tǒng)的脊形波導(dǎo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述單納米顆粒由高折射率顆粒進(jìn)行標(biāo)簽作用。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中，采用復(fù)用來(lái)對(duì)所述經(jīng)過(guò)標(biāo)簽作用的單納米顆粒進(jìn)行檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于單納米顆粒檢測(cè)的光子晶體傳感器。它可以檢測(cè)非常小的單個(gè)顆粒和單個(gè)分子。該傳感器可以適用于進(jìn)行差動(dòng)測(cè)量。
文檔編號(hào)G02F1/00GK1942794SQ200680000087
公開(kāi)日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月11日
發(fā)明者安納特斯·C·格洛特, 勞拉·威爾斯·米爾卡里米, 米哈伊爾·M·西加拉斯, 周啟祥 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司