專利名稱：光子晶體生物傳感器結(jié)構(gòu)以及制作方法
光子晶體生物傳感器結(jié)構(gòu)以及制作方法政府的利益本發(fā)明是在國家科學(xué)基金授予的批準(zhǔn)號(hào)BES04-27657下由政府扶 持做出的。政府在本發(fā)明中具有確定的權(quán)利。
背景技術(shù)：
基于表面構(gòu)造的光子晶體的無標(biāo)記物光學(xué)傳感器目前被證實(shí)是用 于進(jìn)行廣泛多樣的生物化學(xué)的和基于細(xì)胞的分析的高度靈敏的方法。參 見例如，Cunningham等人，Label-Free Assays on the BIND System 。于于 盲系統(tǒng)的無標(biāo)記物分析).Journal of Biomolecular Screening (生物分子篩 分雜志)，2004. 9: 481-490。當(dāng)用白光垂直入射照射時(shí)，這些傳感器僅僅 反射窄波段的波長，這里反射峰波長值(PWV)的正位移表示在傳感器表 面上的被檢測材料的吸收。參見例如，Cunningham等人，Colorimetric resonant reflection as a direct biochemical assay technique.(用作直接生物 化學(xué)分析技術(shù)的比色共振反射)Sensor and Actuators B (傳感器和加栽器: B)， 2002. 81: 316-328。通過在共振波長的空間束綽入射光子，在傳感器 表面產(chǎn)生高的光場，其延伸到測試樣品中達(dá)短距離，很類似于漸逝場。 在所述設(shè)備結(jié)構(gòu)中的共振光子高度的空間束縛導(dǎo)致在該結(jié)構(gòu)與被吸收 的生物材料之間強(qiáng)的相互作用，以及導(dǎo)致能夠進(jìn)行蛋白質(zhì)和細(xì)胞附著物 (attachment)的高分辨率成像。參見例如Li等人，A new method for label-free imaging of biomolecular interactions (—種新的分子生物相互作 用的無標(biāo)記物成像).Sensors and Actuators B(傳感器和加載器，B)， 2004. 99: 6-13。以前，光子晶體光學(xué)生物傳感器是從連續(xù)的塑料膜片，使用一種其 中周期性的表面結(jié)構(gòu)是使用UV固化的聚合物材料從硅主晶片進(jìn)行復(fù)制 的方法來制作的。參見例如Cunningham等人,A plastic colorimetric resonant optical biosensor for multiparallel detection of label-free biochemical interactions(用于無標(biāo)記物生物化學(xué)相互作用的多平行檢測 的塑料比色共振光學(xué)生物傳感器).Sensors and Actuators B(傳感器和加 載器，B), 2002.85: 219-226。這種圖案化的聚合物隨后可以用高折射率的Ti02層進(jìn)行涂覆，該Ti02層通常比表面結(jié)構(gòu)的高度更薄。這樣的裝置 已經(jīng)被證實(shí)用于各種不同的生物化學(xué)的和基于細(xì)胞的分析，具有小于 0.1 pg/mn^的質(zhì)量密度靈敏度和能夠檢測單個(gè)細(xì)胞的大的動(dòng)態(tài)范圍。參 見眾寸:i口 Lin等人, A label-free biosensors-based cell attachment assay for characterization of cell surface molecules (用于表征細(xì)胞表面分子的基于 無標(biāo)記物生物傳感器的細(xì)胞附著物的分析).Sensors and Actuators B(傳 感器和加栽器，B)，2005年4月接受發(fā)表。通常，裝置靈敏度的最佳化需 要增加電磁場強(qiáng)度分布與沉積在所述光子晶體表面的上面的分子之間 的相互作用。因此，光學(xué)材料的選擇和表面結(jié)構(gòu)拓樸的設(shè)計(jì)的目的是擴(kuò) 大從光子晶體的內(nèi)部區(qū)域(這里它們不能與被吸收的材料相互作用)到該 光子晶體的鄰近區(qū)域(其包括液體測試樣品)的電磁場輪廓(profile)。本領(lǐng)域需要增加這些和其他類型的傳感器的靈敏度以及降低它們 的制造成本的方法。發(fā)明概述本發(fā)明的一種實(shí)施方案提供一種制造傳感器的方法。該方法包括將 液體彈性體放入亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)模具中并固化液體彈性體來形成陰模(negative mold);從所迷的模具中取出該陰模；將所述的陰模置入 未固化的納米多孔薄膜中，其中所述的未固化的納米多孔薄膜通過基材 進(jìn)行支撐；使納米多孔薄膜完全固化、部分固化或未固化;從所述的完 全固化、部分固化或未固化的納米多孔薄膜中取出該陰模；在所述的完 全固化、部分固化或未固化的納米多孔薄膜上沉積高介電常數(shù)介電材 料，其中形成傳感器。所述的納米多孔薄膜可以包括多孔二氧化硅干凝 膠，多孔氣凝膠，多孔氫硅倍半氧烷，B階聚合物，多孔曱基硅倍半氧 烷，多孔聚(亞芳基醚)，或其組合?；目梢园ㄋ芰希h(huán)氧樹脂或玻 璃。所述的高介電常數(shù)介電材料可以是氧化錫、五氧化二鉭、硫化鋅、 二氧化鈦、氮化硅或其組合。所述的高介電常數(shù)介電材料的折射率可以 是大約1.8到大約3.0。該方法可以進(jìn)一步包括在高介電常數(shù)介電材料上 沉積覆蓋層。該方法可以進(jìn)一步包括在高介電常數(shù)介電材料表面上固定 一種或多種特定的結(jié)合物(bindingsubstance)。該方法可以進(jìn)一步包括在 覆蓋層的表面上固定一種或多種特定的結(jié)合物。所述的一種或多種特定 的結(jié)合物可以是無檢測標(biāo)記物的。所述的多孔薄膜的折射率可以是大約1.1到大約2.2。所述的多孔薄膜的折射率可以是大約1.1到大約1.5。亞 波長周期光柵結(jié)構(gòu)的周期可以是大約200nm到大約1500nm,并且該亞 波長周期光柵結(jié)構(gòu)的深度可以是大約50nm到大約900nm?；牡恼凵?率可以是大約1.4到大約1.6。所述的高介電常數(shù)介電材料的厚度可以是 大約30nm到大約700nm，并且所述的納米多孔材料的厚度可以是大約 10mn到大約5000nm。本發(fā)明另外一種實(shí)施方案提供一種制造傳感器的方法。該方法包括 在基材上固化具有低折射率的納米多孔材料層；在所述的納米多孔材料 上沉積高介電常數(shù)介電材料；以及將所述的高介電常數(shù)介電材料圖案化 成光柵。所述的納米多孔薄膜可以包括多孔二氧化硅干凝膠，多孔氣凝 膠，多孔氫硅倍半氧烷，B階聚合物，多孔曱基硅倍半氧烷，多孔聚(亞 芳基醚)，或其組合?；目梢园ㄋ芰?，環(huán)氧樹脂或玻璃。所迷的高介 電常數(shù)介電材料可以是氧化錫、五氧化二鉭、硫化鋅、二氧化鈦、氮化 硅或其組合。所述的高介電常數(shù)介電材料的折射率是大約1.8到大約 3.0。該方法可以進(jìn)一步包括在所述的高折射率介電材料上沉積覆蓋層。 該方法可以進(jìn)一步包括在所述的高折射率介電材料表面上固定一種或 多種特定的結(jié)合物。該方法可以進(jìn)一步包括在所述的覆蓋層表面上固定 一種或多種特定的結(jié)合物。所迷的一種或多種特定的結(jié)合物可以是無檢 測標(biāo)記物的。所迷的納米多孔薄膜的折射率可以是大約1.1到大約2.2。 所述的納米多孔薄膜的折射率可以是大約1.1到大約1.5。所述的亞波長 周期光柵結(jié)構(gòu)的周期可以是大約200nm到大約1500nm，并且該亞波長 周期光柵結(jié)構(gòu)的深度可以是大約50nm到大約900nm?；牡恼凵渎士?以是大約1.4到大約1.6。所述的高介電常數(shù)介電材料的厚度可以是大約 30nm到大約700nm，并且所述的納米多孔材料的厚度可以是大約10mn 到大約5000nm。因此，用于傳感器表面結(jié)構(gòu)的非常低的折射率材料的使用顯著地增 加了檢測的靈敏度。因此，相比于以前可行的，能夠在測試樣品中對(duì)具 有2-4倍更低的濃度、分子量和結(jié)合親和性的物質(zhì)進(jìn)行測量。


圖1表示納米復(fù)制的納米多孔光子晶體生物傳感器的示意圖。 圖2A-B表示用Gsolver模擬預(yù)測的(A)本體(bulk)和(B)表面位移。圖3A-B表示蓋印(imprmted)和固化的周期性的NANOGLASS 結(jié)構(gòu)的SEM圖像。圖4表示納米多孔傳感器在浸入到去離子水(DI)和異丙醇(IPA)下的^式驗(yàn)響應(yīng)。圖5A-E表示用于納米多孔傳感器制作的加工流程。圖6表示高介電常數(shù)納米多孔光子晶體傳感器的示意圖。圖7表示多孔玻璃傳感器的橫截面示意圖。圖8表示暴露于去離子水的多孔玻璃傳感器的共振峰，如通過 RCWA才莫擬所預(yù)測的。圖9表示試驗(yàn)測量的浸入到去離子水中的納米多孔玻璃傳感器的共 振峰。圖10表示對(duì)于沉積在多孔玻璃和聚合物傳感器設(shè)計(jì)(design)上的 PPL的比較PWV位移的動(dòng)態(tài)圖。圖11表示PWV位移對(duì)聚合物厚度的局部圖，這里PSS和PAH的 交替層對(duì)總實(shí)測位移做出貢獻(xiàn)。圖12表示對(duì)于沉積在多孔玻璃和聚合物傳感器設(shè)計(jì)上的蛋白質(zhì)A 的比較PWV位移的動(dòng)態(tài)圖。圖13表示用納米多孔玻璃傳感器測量的三個(gè)動(dòng)物IgGs對(duì)蛋白質(zhì)A 的結(jié)合動(dòng)力學(xué)。圖14表示每個(gè)不同的IgG-蛋白質(zhì)A相互作用的PWV位移的傳感器比較。發(fā)明詳述本發(fā)明的一種實(shí)施方案提供一種傳感器，其可以，尤其，用于檢測有機(jī)或無機(jī)材料，例如蛋白質(zhì)、DNA、小分子、病毒、細(xì)胞和細(xì)菌，而不需標(biāo)記物例如熒光或放射性標(biāo)記物。當(dāng)用寬的波長光源(例如白光或LED)照射時(shí)，本發(fā)明的光子晶體傳感器僅僅反射非常窄波段的波長或者一種波長。被反射的顏色位移到與材料附著到傳感器表面相應(yīng)的更長的波長。本發(fā)明的光子晶體傳感器結(jié)構(gòu)提供比前述結(jié)構(gòu)高2-4倍的靈敏度。在提供更高的靈敏度的傳感器結(jié)構(gòu)中一個(gè)關(guān)鍵的差異是用納米多孔低 折射率材料代替聚合物亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)。還公開了用于制作能夠低成本制造的傳感器結(jié)構(gòu)的方法。由于納米多孔低折射率材料代替聚合物亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)，因此本發(fā)明的傳感 器結(jié)構(gòu)具有比現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)更高的靈敏度。當(dāng)將恰好低于(和備選地包 括)亞波長光柵結(jié)構(gòu)的傳感器結(jié)構(gòu)的折射率減少到低于任何用在樣品中 的液體的折射率時(shí)，光子晶體的電磁場與測試樣品相互作用更強(qiáng)，產(chǎn)生 一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的反射波長由于給定量的被吸收的生物材料而更強(qiáng)地 調(diào)諧。該系統(tǒng)能夠檢測例如附著到其表面的單個(gè)細(xì)胞，本發(fā)明的原理還可以應(yīng)用到例如基于漸逝波的生物傳感器和任何結(jié)合光學(xué)波導(dǎo)的生物傳感器。參見例如美國專利4,815,843;美國專利 5,071,248;美國專利5,738,825。傳感器尤其應(yīng)用于以下方面藥物研究(例如高通量篩分、二次篩分、 質(zhì)量控制、細(xì)胞毒性、臨床試驗(yàn)評(píng)估)，生命科學(xué)研究(例如蛋白組學(xué)、 蛋白質(zhì)交互分析、DNA-蛋白質(zhì)交互分析、酶底物交互分析、細(xì)胞蛋白 質(zhì)交互分析)，診斷測試(例如，蛋白質(zhì)的存在、細(xì)胞鑒定)和環(huán)境監(jiān)測(細(xì) 菌和孢子的檢測和鑒定)，早先的專利申請(qǐng)和公開出版物描述了與高分辨 率成像工具相結(jié)合的光子晶體生物傳感器表面如何能夠被用作僅使用 納升的樣品材料而平行地對(duì)單 一表面進(jìn)行許多生物化學(xué)分析的平臺(tái)。參 見例如以下公開號(hào)的美國專利2002/0168295; 2002/0127565; 2004/0132172; 2004/0151626; 2003/0027328; 2003/0027327; 2003/017581; 2003/0068657 ;2003/0059855 ; 2003/0113766 ; 2003/0092075 ; 2003/0026891 ; 2003/0026891 ; 2003/0032039 ;2003/0017580 ; 2003/0077660; 2004/0132214。光子晶體傳感器本發(fā)明的光子晶體傳感器可以被用來產(chǎn)生在特定波長的尖銳的光 學(xué)共振反射，其可以用來以高靈敏度追蹤分子例如生物材料的相互作用 光子晶體傳感器包括亞波長結(jié)構(gòu)化表面。亞波長結(jié)構(gòu)化表面是一類 衍射光學(xué)元件，其可以模擬薄膜涂層的效果。參見例如，Peng&Morris， "Resonant scattering from two- dimensional gratings,"(由二維光4冊的共振 散射)J. Opt Soc. Am. A,第13巻，第5期，第993頁，1996年5月； Magnusson， & Wang， "New principle for optical filters,"(濾光器的新原理) Appl. Phys. Lett., 61,第9期，第1022頁，1992年8月；Peng & Morris,"Experimental demonstration of resonant anomalies in diffraction from two-dimensional gratings," (二維光柵衍射中的共振偏差的實(shí)驗(yàn)證明) Optics Letters,第21巻，第8期，第549頁，1996年4月。本發(fā)明的光子 晶體傳感器的光柵具有小于入射光線波長的光柵周期，使得除了反射的 和透射的零級(jí)次(order)外，不允許衍射級(jí)次。光子晶體傳感器可以包括 光柵，所述光柵包括或涂覆有高介電常數(shù)介電材料，夾在基材層和覆蓋 層之間，所迷覆蓋層填充光柵的凹槽(grating groove)。任選地，不使用 覆蓋層。所迷的光柵結(jié)構(gòu)選擇性地耦合(couple)窄波段波長的光。這種高 度靈敏的耦合情形可以在反射的輻射光鐠上產(chǎn)生共振光柵效果，導(dǎo)致窄 波段的反射的或透射的波長。所述的光柵的深度和周期小于共振光柵效 果的波長。光子晶體傳感器結(jié)構(gòu)的反射的或透射的顏色可以通過將分子如特 定的結(jié)合物或結(jié)合配偶體(partner)或二者添加到覆蓋層的上表面或光柵 表面而改變.所添加的分子增加了入射輻射通過傳感器結(jié)構(gòu)的光路長 度，并因此改變了最大的反射或透射將出現(xiàn)時(shí)的波長。在一種實(shí)施方案中，當(dāng)用白光照射時(shí)，傳感器被設(shè)計(jì)成僅反射單一 波長或窄波段的波長。當(dāng)分子被附著到傳感器表面時(shí)，由于被耦合到光 柵的光的光路改變，所反射的波長(顏色)出現(xiàn)位移(shifted)。通過固定分 子例如特定的結(jié)合物到傳感器表面，可以檢測互補(bǔ)的結(jié)合配偶體分子， 而不使用任何種類的熒光探針或顆粒標(biāo)記物。可以借助浸入流體的或被 干燥的傳感器表面來實(shí)施檢測技術(shù)。當(dāng)光子晶體傳感器用校準(zhǔn)的白光照射并反射時(shí)，僅僅窄波段的波長 或單一波段的波長被反射。窄波長波段被描述為波長"峰"。當(dāng)分子被從 傳感器表面沉積或除去時(shí)，"峰波長值"(PWV)改變。讀取裝置使用校準(zhǔn) 的白光照射了傳感器表面上的獨(dú)特的位置，并收集校準(zhǔn)的被反射的光 線。將所收集的光線聚集于波長分光計(jì)中來測量PWV。圖1表示了本發(fā)明的光子晶體傳感器的結(jié)構(gòu)。該傳感器包括基材， 圖案化的低k納米多孔材料，和基本上均勻的高折射率涂層。低k納米 多孔材料的表面被圖案化成亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)，在其上沉積高折射率材料。通常，本發(fā)明的低k介電材料具有大約1.1到大約3.9的介電常數(shù)k。 低k介電材料的例子包括例如含氟硅酸鹽玻璃(大約3.2-大約3.9);聚酰亞胺(大約3.1-大約3);氫硅倍半氧烷(HSQ)(大約2.9-大約3.2);金剛 石類碳(大約2.7-大約3.4);黑金剛石(SiCOH)(大約2.7-大約3.3);聚對(duì) 二曱苯基-N(大約2.7); B階聚合物(CYCLOTENETM和SiLK7M)(大約2.6-大約2.7);氟化聚酰亞胺(大約2.5-大約2.9);甲基硅倍半氧烷(MSQ)(大 約2力-大約2.8);聚(亞芳基醚)(PAE)(大約2.6-大約2.8);氟化DLC(大 約2.4-大約2.8);聚對(duì)二甲苯基-F(大約2.4-大約2.5); PTFE(大約1.9); 多孔二氧化硅干凝膠和氣凝膠(大約1.1-大約2.2);多孔氫硅倍半氧烷 (HSQ)(大約1.7-大約2.2);多孔SiLKTM(B階聚合物)(大約1.5-大約2.0); 多孔甲基硅倍半氧烷(MSQ)(大約1.8-大約2.2);多孔聚(亞芳基 醚)(PAE)(大約1.8-大約2.2)。低k納米多孔材料是無機(jī)的、多孔氧化物類低介電材料，其中折射 率n是大約1.1到大約2.2，并優(yōu)選大約1.1到大約1.5。低k納米多孔 材料可以是例如多孔二氧化硅干凝膠和氣凝膠(大約1.1-大約2.2);多孔 HSQ(大約1.7-大約2.2);多孔SiLKTM(B階聚合物)(大約1.5-大約2.0); 多孔MSQ(大約1.8-大約2.2);多孔PAE(大約1.8-大約2.2)。在本發(fā)明 的一種實(shí)施方案中，所述的納米多孔材料是NANOGLASS⑧，其為多孔 Si。2。在該Si02中產(chǎn)生多孔，由此將介電常數(shù)由大約3.9降低到低達(dá)1.9。具有高折射率的、適于本發(fā)明的材料包括例如氧化錫、五氧化二鉭、 硫化鋅、二氧化鈦、氮化硅或其組合。高k介電材料具有大約1.8到大 約3.0的折射率。折射率n被描述為介質(zhì)的光學(xué)特性，并被定義為在自 由空間的光速與在該介質(zhì)中的光速的比值。基材可以包括例如玻璃、塑 料或環(huán)氧樹脂。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，傳感器用下面的參數(shù)來定義"g 大約從1.8到3.0"賴。 大約從1.1到1.5"w 大約從1.4到1.6J 大約從200nm到1500nmD 大約從50nm到900nm&,《 大纟々A^ 30nm至,J 700nm"朋。 大約從10nm到5000nm在本發(fā)明的另一種實(shí)施方案中，所述的傳感器結(jié)構(gòu)包括下面的材料基材材料 玻璃納米多孑L材料 Nanoglass (Honeywell International, Santa Clara, CA) 高折射率涂層 Ti02并通過下面的參數(shù)來定義。<formula>formula see original document page 12</formula>使用GSolver (Grating Solver Development Co" Allen, TX)和FDTD Solutions (Lumerical Solutions, Inc., Vancouver, BC，力口拿大)來沖莫才以上面 的實(shí)施方案。示于圖2A中的結(jié)果預(yù)示了本體靈敏度相比于前先設(shè)計(jì)的 靈敏度提高了 l倍以上。本體靈敏度通過本體位移系數(shù)來確定，其對(duì)于 這個(gè)實(shí)施方案的定義和計(jì)算如下。豐jw-、,779.6-308 3 An "/"-"w 1.378—1,330 (1)不混有納米多孔材料的設(shè)計(jì)的模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)椐都給出了大約1 50的本體 位移系數(shù)。由于所提出的裝置通過漸逝場和非常接近于傳感器表面的材料的 相互作用而發(fā)揮作用，所以不但考慮全部的本體介質(zhì)的折射率，而且考慮在傳感器上面的薄層的折射率是有益的。圖2表示了以通過具有1.40 折射率的層建模的20nm厚的"生物涂層"的GSOLVER模擬結(jié)果。盡管 單獨(dú)的生物分子或生物分子單層的片段(fmctions)不具有確定的折射率 值，但是為了說明的目的，生物層被模擬為確定厚度的均勻薄膜。示于圖3中的圖案化的NANOGLASS⑧結(jié)構(gòu)的SEM圖像證明了一 種成功的蓋印方法。當(dāng)Ti02沉積后，使用去離子水和異丙醇，通過檢查 用讀取裝置上的分光計(jì)捕捉的所形成的峰波長(PWV)位移來詢問 (interrogated)所完成的傳感器的靈敏度。使用圖4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用等式l,可以計(jì)算本體位移系數(shù)An W/m-"w _ 1.378-1.330 ' 雖然是模擬，但其落入所證實(shí)的約5%的偏差范圍內(nèi)。亞波長光柵的橫截面曲線可以包括任何周期性重復(fù)函數(shù)(function)， 例如"矩形波"。光柵可以包括重復(fù)的形狀圖案，例如連續(xù)的平行線、正 方形、圓、橢圓、三角形、梯形、正弦波、卵形、矩形和六邊形。傳感器可以包括一維的線性光柵表面結(jié)構(gòu)，即一系列的平行線或凹 槽。雖然二維光柵在橫跨傳感器表面的平面的兩個(gè)橫向方向中具有都是 亞波長的特征， 一維光柵的橫截面僅僅在一個(gè)橫向方向上是亞波長的， 而長度(long dimension)可以大于共振光柵效果的波長。這些包括例如，三角形或V形、U形、倒V或U形、正弦曲線形、 梯形、階梯形和正方形。所述的光柵還可以在高度上正弦變化?？梢允褂媒惶娴膫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)，其由一組同心環(huán)組成。在這種結(jié)構(gòu)中， 每個(gè)同心環(huán)的內(nèi)徑和外徑的差等于大約光柵周期的一半。每個(gè)相繼的環(huán)具有比前一個(gè)環(huán)的內(nèi)徑約大一個(gè)光柵周期的內(nèi)徑。所述的同心環(huán)圖案延 伸而覆蓋單個(gè)傳感器位置——例如微陣列點(diǎn)(microarray point)或微量滴 定板孔。每個(gè)單獨(dú)的微陣列點(diǎn)或微量滴定板孔具有在其中中心化的單獨(dú) 的同心環(huán)圖案。這樣的結(jié)構(gòu)的全部偏振方向具有相同的橫截面曲線。同 心環(huán)結(jié)構(gòu)的光柵周期小于共振反射光的波長。本發(fā)明的傳感器可以進(jìn)一步包括在與基材層相對(duì)的光柵表面上的 覆蓋層。在存在覆蓋層的情況下， 一種或多種特定的結(jié)合物被固定在與 光柵相對(duì)的覆蓋層的表面上。優(yōu)選地，覆蓋層包括具有比包括光柵的材 料更低的折射率的材料。覆蓋層可以包括例如玻璃(包括旋涂玻璃 (SOG))、環(huán)氧樹脂或塑料。在光柵上沒有平面化(planarizing)覆蓋層的情況下，也可以獲得共振 反射。不使用平面化覆蓋層的情況下，周圍介質(zhì)(例如空氣或水)填充該 光柵。因此，分子在暴露于該分子的光柵的全部表面上，而不僅僅在上 表面上，被固定到該傳感器。本發(fā)明提供了共振反射結(jié)構(gòu)和透射過濾結(jié)構(gòu)。對(duì)于共振反射結(jié)構(gòu)，13光輸出的測量是在所述結(jié)構(gòu)的與照射光束的同一側(cè)進(jìn)行的。對(duì)于透射過 濾結(jié)構(gòu)，光輸出的測量是在所述結(jié)構(gòu)的與照射光束的相反一側(cè)進(jìn)行的。 反射的和透射的信號(hào)是互補(bǔ)的。也就是說，如果波長是強(qiáng)反射的，則其 是弱透射的。假定所述的結(jié)構(gòu)自身沒有能量吸收，則在任何給定波長， 反射的+透射的能量是恒定的。共振反射結(jié)構(gòu)和透射濾光片被設(shè)計(jì)成在 特定波長給出高效反射。因此，反射濾光片將"通過"窄波段的波長，而 透射濾光片將從入射光"切掉"窄波段的波長。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，提供了一種光學(xué)裝置。光學(xué)裝置包括類似于本發(fā)明的任何傳感器的結(jié)構(gòu)；但是，光學(xué)裝置不包括固定在光柵 上的一種或多種結(jié)合物。光學(xué)裝置可以被用作窄波段濾光器?；跐u逝波的傳感器可以包括基材承栽的波導(dǎo)薄膜；在波導(dǎo)薄膜(并 且任選地作為基材的一部分)之間是衍射光柵。參見例如美國專利 4,815,843。低k介電材料例如低k納米多孔材料可以用于所述的衍射光 柵或低k納米多孔材料和基材的組合。所迷的波導(dǎo)包括波導(dǎo)薄膜和基材。 波導(dǎo)薄膜可以是例如氧化錫、五氧化二鉭、疏化鋅、二氧化鈦、氮化硅 或其組合，或者聚合物例如聚苯乙烯(polystryrole)或聚碳酸酯。衍射光 柵存在于波導(dǎo)薄膜和基材的界面或者存在于波導(dǎo)薄膜的體積中。該衍射 光柵包括低k材料，例如低k納米多孔材料。波導(dǎo)薄膜的折射率高于鄰 近介質(zhì)(即基材和測試樣品)的折射率。所迷基材可以是例如塑料、玻璃 或環(huán)氧樹脂。特定的結(jié)合物可以被固定在所迷波導(dǎo)薄膜的表面上和添加 到該表面的測試樣品上。激光在該波導(dǎo)薄膜內(nèi)通過總內(nèi)反射來傳播。由傳感器的制造本發(fā)明的傳感器可以當(dāng)納米多孔材料是未固化的、可變形狀態(tài)時(shí)， 使用柔性的橡膠模板來將光柵結(jié)構(gòu)壓花到納米多孔材料中來制造。不同 于非柔性的固體模板，柔性的橡膠模板允許由納米多孔材料的固化過程 而產(chǎn)生溶劑蒸發(fā)離去。許多柔性的模板可以用單個(gè)硅晶片"主，，模板而低 成本產(chǎn)生，并且單個(gè)的柔性的模板可以多次使用而廉價(jià)地生產(chǎn)許多結(jié)構(gòu) 化納米多孔亞波長光柵結(jié)構(gòu)。傳感器可以在大表面區(qū)域上廉價(jià)地生產(chǎn)并且還可以例如，結(jié)合到單一用途的標(biāo)準(zhǔn)一次性分析液體處理格式中，例如微板、微列陣載玻片或 微流體片。圖5概迷了一種用于制作結(jié)合納米多孔層的光子晶體的工藝流程。 設(shè)計(jì)了圖案化的"主(master)"晶片，其通常是硅或玻璃，其包含將與隨后 蓋印到多孔薄膜中的那些精確相應(yīng)的特征(參見圖5A)。該主晶片(master) 然后用作模具，在其中灌入液體彈性體，如圖5B所示。固化后，小心 地從主晶片上剝離最新形成的負(fù)性橡膠"子(daughter)"模。在所述的多孔 薄膜應(yīng)用到期望的基材后，所述的子模放置在未固化的膜的頂上，例如 圖5D所示。在模真處于適當(dāng)位置的情況下，多孔材料被部分固化、完 全固化或未固化。氣體可透過的橡膠模具允許在這個(gè)固化過程中的溶劑 揮發(fā)。 一旦所述的薄膜能夠保持剛性的形狀，則剝離子模并使剩余的結(jié) 構(gòu)完全固化。表示在圖5F中的所完成的裝置是通過將薄的、高折射率 材料均勻地沿著多孔薄膜的圖案化表面沉積而獲得的。另一種用于制作結(jié)合納米多孔層的光子晶體生物傳感器的方法表 示在圖6中。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，將納米多孔材料層固化在基材上。接著， 將高介電常數(shù)材料均勻地沉積在所述多孔層的上面。高介電常數(shù)材料具 有比納米多孔材料的k高大約5。/。的介電常數(shù)k。在本發(fā)明的一種實(shí)施方 案中，該高介電常數(shù)材料具有大于大約3.5的k。被沉積的高k材料然 后通過電子束或DUV光刻(lithography)而圖案化，并隨后蝕刻來獲得期 望的特征。雖然由于對(duì)每個(gè)裝置需要高分辨率的光刻加工，這種傳感器 設(shè)計(jì)不是成本有效的，但是它顯示出對(duì)于獲得類似于上迷通過蓋印制作 的傳感器所見的靈敏度增強(qiáng)的希望?；跐u逝波的生物傳感器還可以使用如本文中所述的同樣的方法 來制造。特定的結(jié)合物和結(jié)合配偶體一種或多種特定的結(jié)合物可以通過例如物理吸附或者化學(xué)結(jié)合而 被固定在光柵或覆蓋層(如果存在的話)上。特定的結(jié)合物可以是例如有 機(jī)分子如核酸、多肽、抗原、多克隆抗體、單克隆抗體、單鏈抗體(scFv)、 F(ab)片段、F(ab')2片段、Fv片段、小有機(jī)分子、細(xì)胞、病毒、細(xì)菌、聚 合物、肽溶液、單鏈或雙鏈DNA溶液、RNA溶液、含有來自組合化學(xué) 庫的化合物的溶液或生物樣品；或無機(jī)分子。生物樣品可以是例如血液、血漿、血清、胃腸分泌物、組織或腫瘤的勻漿、滑液、糞便、唾液、痰、 嚢液、羊水、腦脊髓液、腹膜液、肺灌洗液、精液、淋巴液、眼淚或者 前列腺液。優(yōu)選地， 一種或多種特定的結(jié)合物被排列在傳感器上的不同特定的 位置的微列陣中。 一種或多種特定的結(jié)合物可以被結(jié)合到它們的特定的 結(jié)合配偶體。特定的結(jié)合物的微列陣包括在本發(fā)明傳感器表面上的一種 或多種特定的結(jié)合物，使得表面包含許多不同特定的位置，每個(gè)具有不 同的特定的結(jié)合物或者具有不同量的特定的結(jié)合物。例如，列陣可以包括l、 10、 100、 1,000、 10,000或IOO，OOO不同特定的位置。這樣一種傳感器表面被稱為微列陣，因?yàn)橐环N或多種特定的結(jié)合物典型地被布置在x-y坐標(biāo)的規(guī)則的柵格圖案中。但是，本發(fā)明的微列陣可以包括布置在 任何類型的規(guī)則或不規(guī)則圖案中的一種或多種特定的結(jié)合物。例如，不 同特定的位置可以限定一種或多種特定的結(jié)合物的微陣列點(diǎn)。微陣列點(diǎn) 直徑可以是大約50到大約500微米。微陣列點(diǎn)直徑還可以是大約150 到大約200微米。本發(fā)明傳感器上的微列陣可以通過將一種或多種特定的結(jié)合物的 微液滴放置到例如光柵或覆蓋層表面上的位置的x-y柵格上而產(chǎn)生。當(dāng)該傳感器暴露于包括一種或多種結(jié)合配偶體的測試樣品時(shí)，所述的結(jié)合 配偶體將優(yōu)選地被吸引到微列陣上的不同特定的位置，其包括對(duì)所迷的結(jié)合配偶體具有高親合力的特定的結(jié)合物。 一些不同特定的位置將在它 們的表面上聚集結(jié)合配偶體，而其他的位置將不是這樣。特定的結(jié)合物特定地結(jié)合到與本發(fā)明的傳感器表面接觸的結(jié)合配 偶體。特定的結(jié)合物特定地結(jié)合到它的結(jié)合配偶體，但是基本上不結(jié)合 到其他的與傳感器表面接觸的結(jié)合配偶體。例如，在所述的特定的結(jié)合物是一種抗體并且它的結(jié)合配偶體是特定的抗原的情況下，所述的抗體 特定地結(jié)合到所述的特定的抗原，但是基本上不結(jié)合到其他抗原。結(jié)合 配偶體可以是例如核酸、多肽、抗原、多克隆抗體、單克隆抗體、單鏈 抗體(scFv)、 F(ab)片段、F(ab')2片段、Fv片段、小有機(jī)分子、細(xì)胞、病 毒、細(xì)菌、聚合物、肽溶液、單鏈或雙鏈DNA溶液、RNA溶液、含有 來自組合化學(xué)庫的化合物的溶液、無機(jī)分子或生物樣品。本發(fā)明微列陣的 一個(gè)例子是核酸微列陣，其中在該列陣中的每個(gè)不 同特定的位置包含不同的核酸分子。在這種實(shí)施方案中，在所述核酸微列陣中的點(diǎn)檢測測試樣品中與核酸的相反鏈的互補(bǔ)化學(xué)結(jié)合。盡管微量滴定板是最普通的用于生物化學(xué)分析的格式，但是微列陣 日益被視為是用于使可以在一個(gè)時(shí)刻測量的生物化學(xué)相互作用的數(shù)目 最大化同時(shí)使貴重試劑的體積最小化的手段。通過用微陣列點(diǎn)樣儀(microarray spotter)將特定的結(jié)合物應(yīng)用到本發(fā)明的傳感器上，可以獲得 IO，OOO特定結(jié)合物/in2的特定結(jié)合物密度。通過聚焦照射光束來詢問單 個(gè)的微列陣位置，傳感器可以被用作無標(biāo)記物的微列陣讀取系統(tǒng)。雖然對(duì)于特定的結(jié)合物或結(jié)合配偶體而言，無需包括可檢測到的標(biāo) 記物，但是可檢測到的標(biāo)記物可以被用來檢測傳感器表面上的特定的結(jié) 合物或結(jié)合配偶體。在本發(fā)明的特定的結(jié)合物和結(jié)合配偶體沒有檢測標(biāo) 記物的情況下，它們?nèi)匀豢梢园ㄆ渌愋偷臉?biāo)記物和標(biāo)識(shí)物，用以增 加分析靈敏度、固定特定的結(jié)合配偶體到生物傳感器表面、強(qiáng)化特定的 結(jié)合物對(duì)他們的結(jié)合配偶體的結(jié)合和雜化、以及用于其他目的。一種或多種特定的結(jié)合物的固定分子可以被固定在傳感器上，使得它們將不會(huì)由于沖洗過程而被洗 掉，以及使得對(duì)測試樣品中的分子的結(jié)合不受傳感器表面的阻止。幾種 不同類型的表面化學(xué)手段已經(jīng)被用于將分子共價(jià)附著到例如，用于不同 類型的微列陣和傳感器中的玻璃上。這些相同的方法可以容易地適應(yīng)于 本發(fā)明的傳感器。一種或多種類型的分子可以通過物理吸附(即不使用化學(xué)鍵)或通過 化學(xué)結(jié)合(即使用化學(xué)鍵)附著到傳感器表面。化學(xué)結(jié)合可以產(chǎn)生在傳感 器表面上的分子的更強(qiáng)的附著并提供表面結(jié)合的分子的確定的取向和 構(gòu)型。其他類型的化學(xué)結(jié)合包括例如胺活化、醛活化和鎳活化。這些表面 可以用來將幾種不同類型的化學(xué)鍵附著到傳感器表面。雖然胺表面可以 用來附著幾種類型的連接分子(linker molecule),但是眵表面可以用來直 接結(jié)合蛋白質(zhì)，不需要另外的連接物(linker)。鎳表面可以用來結(jié)合具有 混入的組氨酸("his")標(biāo)記(tag)的分子。用鎳活化表面檢測"his-標(biāo)記的"分 子是本領(lǐng)域公知的(Whitesides， Anal. Chem. 68, 490, (1996》。特定的結(jié)合物固定到塑料、環(huán)氧樹脂或高折射率材料可以基本上如 所述的固定到玻璃一樣進(jìn)行。但是，可以取消酸洗步驟，此處這種處理將損害其中特定的結(jié)合物固定其上的材料。 含液體的容器本發(fā)明的傳感器可以包括內(nèi)表面，例如含液體的容器的底部表面。 含液體的容器可以是例如微量滴定板孔、試管、陪替培養(yǎng)皿或微流體通 道。本發(fā)明的一種實(shí)施方案是結(jié)合到任何類型的微量滴定板的傳感器。 例如，傳感器可以通過將反應(yīng)容器的壁裝配到共振反射表面上而被結(jié)合 到微量滴定板的底部表面，使得每個(gè)反應(yīng)"點(diǎn)"可以暴露于不同特定的測 試樣品。因此，每個(gè)單獨(dú)的微量滴定板孔可以充當(dāng)各自的反應(yīng)容器。因 此，各自的化學(xué)反應(yīng)可以在鄰近的孔中發(fā)生，而不需要混合反應(yīng)流體， 并且化學(xué)上不同特定的測試溶液可以被應(yīng)用于單個(gè)的孔。用于藥物高通量篩分實(shí)驗(yàn)室、分子生物學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室和診斷分析實(shí) 驗(yàn)室的最常見的分析格式是微量滴定板。所述板是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的塑料盒(cartridge),其可以包含96、 384或1536個(gè)單獨(dú)的分布于柵格中的反應(yīng) 容器。由于這些板的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械構(gòu)造，因此設(shè)計(jì)液體分配、自動(dòng)化板操作 和檢測系統(tǒng)，從而與這種常見的格式一起工作。本發(fā)明的傳感器可以被 結(jié)合到常規(guī)的微量滴定板的底部表面。因?yàn)閭鞲衅鞅砻婵梢栽诖蟮膮^(qū)域 中制作，并且因?yàn)樽x取系統(tǒng)不與傳感器表面物理接觸，因此可以限定任 意數(shù)量的單獨(dú)的傳感器區(qū)域，其僅僅受照射光學(xué)元件的聚焦分辨率和沿 著傳感器表面掃描照射/檢測探針的x-y工作臺(tái)的限制。傳感器還可以結(jié)合到其他一次性實(shí)驗(yàn)室分析格式例如微列陣載玻 片、流動(dòng)池和細(xì)胞培養(yǎng)板。為了與現(xiàn)有的微列陣處理裝置例如點(diǎn)樣儀 (spotters)和培養(yǎng)室的兼容性，將傳感器結(jié)合到普通實(shí)驗(yàn)室格式中是令人 期望的。傳感器的使用方法可以使用本發(fā)明的傳感器，例如，平行研究一種或多種分子/分子相 互作用；例如，通過應(yīng)用一種或多種結(jié)合配偶體到具有固定其表面上的 一種或多種特定的結(jié)合物的傳感器上，可以檢測一種或多種特定的結(jié)合 物對(duì)它們各自的結(jié)合配偶體的結(jié)合，而不使用標(biāo)記物。將傳感器用光線 照射，并檢測來自傳感器的光線的最大反射波長或最小透射波長。如與 其中 一種或多種特定的結(jié)合物沒有結(jié)合到它們各自的結(jié)合配偶體的情形相比較，如果一種或多種特定的結(jié)合物已結(jié)合到它們各自的結(jié)合配偶 體，那么光線的反射波長位移。在將傳感器用包含一種或多種特定的結(jié) 合物的不同特定的位置的列陣進(jìn)行覆蓋的情況下，那么從傳感器的每個(gè) 不同特定的位置檢測光線的最大反射波長或最小透射波長。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，以列陣格式可以將各種特定的結(jié)合物 例如抗體固定到本發(fā)明的傳感器上。所述傳感器然后與包括結(jié)合配偶體 的所關(guān)注的測試樣品例如蛋白質(zhì)相接觸。僅僅特定地結(jié)合到固定到傳感 器上的抗體的蛋白質(zhì)保持對(duì)傳感器的結(jié)合。這種方法基本上是酶連接的 免疫吸收劑分析的大規(guī)模版本，但是不需要使用酶或熒光標(biāo)記物?？梢酝ㄟ^檢測來自傳感器的光線反射波長并且將一種或多種酶施 加到該傳感器來檢測酶的活性，其中在所述傳感器上已固定一種或多種 特定的結(jié)合物。清洗該傳感器并用光線照射。自傳感器測定光線的反射 波長。在一種或多種酶通過酶活性改變了傳感器的一種或多種特定的結(jié) 合物的情況下，光線的反射波長位移。另外，測試樣品，例如，含有結(jié)合配偶體的細(xì)胞溶解產(chǎn)物可以被應(yīng) 用到本發(fā)明的傳感器，隨后清洗以除去未結(jié)合的材料。結(jié)合到傳感器的 結(jié)合配偶體可以隨后從傳感器上洗脫并通過例如質(zhì)語來識(shí)別。任選地，噬菌體DNA展示文庫可以應(yīng)用到本發(fā)明的傳感器，隨后清洗除去未結(jié) 合的材料。結(jié)合到傳感器上的單個(gè)噬菌體顆?？梢员环蛛x，然后可以對(duì) 這些噬菌體顆粒中的插入片段(inserts)進(jìn)行排序而確定結(jié)合配偶體的身份。對(duì)于上面的應(yīng)用，特別是蛋白組應(yīng)用，選擇性結(jié)合材料的能力，例 如，由測試樣品到本發(fā)明傳感器上的結(jié)合配偶體，隨后選擇性地從傳感 器的不同特定的位置除去結(jié)合的材料以便進(jìn)一步分析的能力是有利的。 本發(fā)明的傳感器還能夠通過測量光線反射波長的位移來檢測和量化結(jié) 合到傳感器列陣不同特定的位置的來自樣品的結(jié)合配偶體的數(shù)量。此 外，在一個(gè)不同特定的傳感器位置處的波長位移可以與在其他的不同特 定的傳感器位置處的正和負(fù)控制進(jìn)行比較從而確定結(jié)合到傳感器列陣 的不同特定的位置的結(jié)合配偶體的數(shù)量。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，可以檢測第一分子與第二測試分子之 間的相互作用。使用上述的傳感器；但是，沒有固定在其表面上的特定 的結(jié)合物。因此，該傳感器包括一維或二維光柵、支撐所述一維或二維光柵的基材層和任選地，覆蓋層。如上所述，當(dāng)照射所述傳感器時(shí)，在 反射輻射光鐠中產(chǎn)生共振光柵效果，并且光柵的深度和周期小于該共振 光柵效果的波長。為了檢測第一分子與第二測試分子之間的相互作用，將第一和笫二 分子的混合物應(yīng)用到傳感器上的不同特定的位置。不同特定的位置可以 是傳感器上的一個(gè)點(diǎn)或者孔，或者可以是傳感器上的大的區(qū)域。第一分 子和第三對(duì)照分子的混合物也被應(yīng)用到傳感器上的不同特定的位置。該傳感器可以是與上述相同的傳感器，或者可以是笫二傳感器。如果該傳 感器是相同的傳感器，則第二不同特定的位置可以用于第一分子和第三 對(duì)照分子的混合物?；蛘?，在第一和第二分子被從傳感器清洗后，可以 使用相同的不同特定的傳感器位置。所述的第三對(duì)照分子不與第一分子 相互作用，并且與第一分子尺寸大約相同。測量來自一個(gè)或多個(gè)傳感器 的不同特定的位置的光線的反射波長的位移。如果來自具有第一分子和 第二測試分子的不同特定的位置的光線的反射波長的位移大于來自具 有第一分子和第三對(duì)照分子的不同特定的位置的反射波長的位移，則第 一分子和第二測試分子相互作用。相互作用可以是，例如，核酸分子的 雜化、抗體或抗體片段與抗原的特定結(jié)合、以及多肽的結(jié)合。笫一分子、 第二測試分子或第三對(duì)照分子可以是，例如，核酸、多肽、抗原、多克隆抗體、單克隆抗體、單鏈抗體(scFv)、 F(ab)片段、F(ab')2片段、Fv片 段、小有才幾分子、細(xì)胞、病毒和細(xì)菌。本文中任何地方所提及的全部的專利、專利申請(qǐng)和其他科學(xué)或技術(shù) 著述以其全部內(nèi)容引入作為參考。本文中所述的作為目前優(yōu)選的實(shí)施方 案代表的方法和組合物是示例性的，并且目的不是限制本發(fā)明的范圍。 本文中的改變和其他用途對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，并且包 涵于本發(fā)明的精神中。在不存在任何的沒有明確在本文中公開的 一種或 多種要素、 一種或多種限制的情況下，本文中例證性描述的本發(fā)明能夠 適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行實(shí)踐。因此，例如，在本文中各自實(shí)例中，任何的術(shù)語"包 括"、"基本上由...組成"和"由...組成"可以用其他兩個(gè)術(shù)語中的任一個(gè)來 代替。已經(jīng)被使用的術(shù)語和表述被用作說明書的術(shù)語而非限制，并且這 樣的術(shù)語和表迷的使用目的不是排除所示和所述的特征或它們的一部 分的任何等價(jià)物，但是，應(yīng)當(dāng)理解在所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍內(nèi)各種變 形是可能的。因此，應(yīng)當(dāng)理解盡管本發(fā)明已經(jīng)通過實(shí)施方案和任選的特征進(jìn)行了特定的公開，但是本文中所公開的概念的變形和變化被認(rèn)為是 在如說明書和所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，在本發(fā)明的特征或方面按照備選內(nèi)容的馬庫什組或其他組進(jìn) 行描述的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明因此還按照所迷的馬 庫什組或其他組的任何單獨(dú)的組元或組元的子集進(jìn)行了描述。實(shí)施例實(shí)施例1 ^絲微使用嚴(yán)格耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA)和時(shí) 域有限差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)模擬來預(yù)測一維表面 光子晶體生物傳感器的共振波長和本體折射率靈敏度。該裝置結(jié)合了低 折射率(n4.17)納米多孔介電表面結(jié)構(gòu)來代替以前報(bào)道過的聚合物 (n-1.39)表面結(jié)構(gòu)。使用軟接觸壓花方法來產(chǎn)生在玻璃基材上的表面結(jié)以便能夠進(jìn)行并排^靈敏度對(duì)J^"。通過將-靈敏度表征為5本體折射率;表 面吸附材料的方法來比較多孔玻璃生物傳感器與非多孔聚合物生物傳 感器的靈敏度。最后，進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)合分析對(duì)比來證明傳感器的穩(wěn)定性 和所述裝置用于選擇性檢測功能的能力。使用兩個(gè)軟件包來建模和模擬所述的聚合物和多孔玻璃傳感器。首 先，使用RCWA算法的2-D衍射光柵分析工具(GSOLVER)提供了用于 最初的傳感器建模的快速和簡單的方法。第二， FDTD(Lumerical)提供了 更加通用和強(qiáng)大的工具，其能夠?qū)τ扇我獾脑凑丈涞娜我夤鈱W(xué)裝置計(jì)算 在任何時(shí)間或光譜位置的任何場分量。參見例如Kunz&Luebbers, The Finite Difference Time Domain method for Electromagnetics (用于電磁學(xué) 的時(shí)域有限差分方法).1993， Boca Raton: CRCPress。使用FDTD來校驗(yàn) RCWA結(jié)果并用來更深入的觀察改變所述傳感器結(jié)構(gòu)的效果。RCWA和FDTD模擬都表明將先前裝置的圖案化的UV固化聚合物 用低折射率材料進(jìn)行取代產(chǎn)生本體位移系數(shù)的2倍增加。通過RCWA 預(yù)測浸入到DIH20中多孔玻璃傳感器的共振波長為844.3nm，具有大約 2nm的半峰全寬(FWHM),如圖8所示。模擬預(yù)示了具有傳感器幾何形 狀微小改變的本體位移系數(shù)更進(jìn)一步的改進(jìn)。使用DI H20和IPA的本體靈敏度測試是在23個(gè)多孔玻璃傳感器和 11個(gè)聚合物傳感器上進(jìn)行的。對(duì)于所述的多孔玻璃和聚合物傳感器來 說，平均PWV位移分別是13.6士2.4nm和5.1士1.5nm。所測量的多孔玻 璃傳感器的本體位移系數(shù)(APWV/An)是聚合物裝置的2.7士1.2倍。在DI H20中的多孔玻璃裝置的測量給出了 829.5士16.5nm的平均PWV和 3.5士2.5nm的FWHM。所測量的光語之一在圖9中示出，其中所迷的響 應(yīng)已經(jīng)被規(guī)格化成為理想的反射體來說明任何的儀器損失。從所述的復(fù) 制裝置測量的較低的反射效率和更寬的FWHM可以被歸結(jié)為小的、但 是可測量的材料損失以及在該復(fù)制結(jié)構(gòu)中所觀察到的缺陷。所測量的光 語特征的大的差異是由于，至少在部分上由于，使用幾種略微不同的(盡 管標(biāo)稱相同的)主圖案和缺少對(duì)復(fù)制過程的自動(dòng)控制。實(shí)施例2將源自溶膠-凝膠的低折射率納米多孔二氧化硅薄膜(參見例如美國 專利6，395,651)結(jié)合到傳感器中來代替先前設(shè)計(jì)中使用的UV固化的環(huán) 氧樹脂。因?yàn)榈驼凵渎实牟牧鲜峭ㄟ^加熱固化而非UV暴露，因此需要 開發(fā)一種新的制作方法。盡管很顯然塑料基材不能維持用于多孔玻璃退 火所必需的高溫，但是理想的是保留了低成本的蓋印方法。 一種對(duì)于溶 膠-凝膠玻璃蓋印可行方法是使用聚二曱基硅氧烷(PDMS)模具和玻璃基 材。參見例如Parashar等人，Nano-replication of diffractive optical elements in sol-gel derived glasses(在源自溶膠-凝膠的玻璃中的衍射光學(xué) 元件的納米復(fù)制).Microelectronic Engineering, 2003. 67-8: 710-719。所述的低k生物傳感器的亞波長光柵結(jié)構(gòu)是使用光刻、成型和蓋印 的方法的結(jié)合而形成的。首先用Sylgard 184PDMS(DowCorning)子模復(fù) 制硅主晶片圖案，該圖案具有最終的傳感器中所期望的表面結(jié)構(gòu)的正圖 像。為了便于PDMS模具從所述硅晶片中脫出，該晶片是用二甲基二氯 硅烷(Repel Silane, Amersham Biosciences)的脫模層進(jìn)行表面處理的。參 見例如Beck等人, Improving stamps for 10nm level wafer scale nanoimprint lithography. Microelectronic Engineering, 2002. 61-2: 441-448。該P(yáng)DMS復(fù)制品然后凈皮用來蓋印未固化的旋涂在玻璃基材上 的NANOGLASSO的薄膜(Honeywell Elec. Mat),所述薄膜是一種低折射率的溶膠凝膠玻璃。
一旦所述的低折射率電介質(zhì)變硬，則除去該柔性的PDMS模具并通過進(jìn)一步的烘焙來使所述的溶膠-凝膠玻璃完全固化。該 傳感器結(jié)構(gòu)通過蒸鍍175nm的Ti02到所述的圖案化的表面來完成。隨 后用二甲基二氯硅烷的表面處理促進(jìn)了生物吸附并且提高了傳感器的 穩(wěn)定性。圖7表示了該裝置橫截面的示意圖。所述的聚合物結(jié)構(gòu)類似于先前出版物中所描述的聚合物結(jié)構(gòu)。參見 伊J:io Cunningham等人，A plastic colorimetric resonant optical biosensor for multiparallel detection of label-free biochemical interactions. Sensors and Actuators B， 2002. 85:219-226。盡管聚酯/聚合物和低折射率多孔玻 璃裝置分別使用120nm和165nm Ti02涂層，但是兩種結(jié)構(gòu)都使用550nm 周期和170nm的蓋印深度。這兩種裝置將在整個(gè)其余的實(shí)施例中被稱為 "聚合物，，和"多孔玻璃"傳感器。所述的聚合物裝置以排列并附著到無底 的96孔標(biāo)準(zhǔn)微量滴定板(SRU Biosystems)上的傳感器的列陣的形式提 供。所述的多孔玻璃裝置在75mmx25mmxlmm玻璃顯微鏡栽玻片上制 作。對(duì)于每個(gè)栽玻片上的5-6個(gè)傳感器，將粘性橡膠孔(Research International Corp.)附著在所述的玻璃表面來提供液體包含物。使用去離子水(DI H20, n = 1.333)和異丙醇(IPA, n = 1.378)來測定每 個(gè)傳感器的本體位移系數(shù)。首先，將DI H20移液到傳感器的表面并測 量PWV。讀取裝置的構(gòu)造先前已經(jīng)報(bào)道過。參見例如Cunningham等人， colorimetric resonant reflection as a direct biochemical array technique. Sensors and Actuators B， 2002. 81: 316-328。將寬波長光源耦合到光纖， 其從基材下垂直入射來照射所述的光子晶體表面的大約2 mm直徑區(qū) 域。反射光通過第二光纖進(jìn)行收集并用分光計(jì)測量，第二光纖被捆扎而 緊接于所述的照射纖維。自動(dòng)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)能夠在定時(shí)間隔平行收集來自 許多孔的反射數(shù)椐，使得獲得動(dòng)態(tài)信息。接下來，徹底干燥所述表面并對(duì)IPA重復(fù)前迷步驟。然后計(jì)算DI H20和IPA之間的本體位移系數(shù)PWV的變化除以本體折射率的變化。實(shí)施例3尸尸丄^橫份者W試表面吸附材料的靈敏度表征為借助施用到傳感器表面的0.01M磷 酸鹽緩沖鹽水(PBS; pH-7.4)來檢測制備成0.5mg/ml溶液的PoIy(LyS,23Phe)(PPL; Sigma-Aldrich; MW-35，400Da)的單層薄膜。在1分鐘的取樣 間隔中，生物附著測試從將PBS移液到測試孔中開始。IO分鐘之后， 將緩沖液用PPL溶液代替并使其穩(wěn)定30分鐘。然后清洗這些孔三次并 用PBS填充而獲得最后的30分鐘的數(shù)據(jù)測量。PPL被沉積在5個(gè)多孔玻璃和9個(gè)聚合物傳感器上。圖10比較了每 個(gè)裝置的動(dòng)態(tài)圖，表明多孔玻璃傳感器有大約4倍的表面靈敏度增加。 第一步驟建立了基線，第二個(gè)步驟對(duì)應(yīng)于PPL的快速表面吸附和飽和， 并且最后的第三部分的曲線說明在通過用PBS緩沖液沖洗而消除弱的 或非特定結(jié)合的分子后的單層穩(wěn)定性。在PPL固定到多孔玻璃傳感器上 的過程中產(chǎn)生的PWV位移比使用聚合物裝置所測量的PWV位移飽和得 更慢。顯然，多孔玻璃傳感器表面明顯不利于蛋白質(zhì)單層吸附。進(jìn)一步 的表面化學(xué)最優(yōu)化應(yīng)當(dāng)會(huì)減輕這種效果。但是，所述的多孔玻璃傳感器 在將未結(jié)合的分子洗掉后表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。實(shí)施例4為了表征作為距離傳感器表面的距離的函數(shù)的不同的靈敏度，將一 系列聚合物電解質(zhì)單層沉積在傳感器上。當(dāng)在檢測裝置上連續(xù)監(jiān)測時(shí)， 通過在帶正負(fù)電荷的聚合物層之間交變，可以在傳感器上形成堆棧的均 勻的自P艮的聚合物。參見例如Cunningham等人，Enhancing the surface sensitive of colorimetric resonant optical biosensors. Sensors and Actuators B， 2002.87 (2): 365-370。將三個(gè)不同的聚合電解質(zhì)沉積在傳感器表面上 陰離子聚(4-苯乙烯磺酸鈉)(PSS; MW=70000 Da)、陽離子聚(亞乙基酰亞 胺)(PEI; MW=60000 Da)和陽離子聚(烯丙基胺氯化氬)(PAH; MW-70000 Da)。所述的聚合物電解質(zhì)購自Sigma-Aldrich。用去離子水制備0.9M NaCl緩沖液溶液(Sigma-Aldrich)。將所迷的聚合物電解質(zhì)以5mg/ml的 濃度溶解在該緩沖液中。在l分鐘的取樣間隔中，在5分鐘的步驟中進(jìn) 行多層表面靈敏度表征。首先，將NaCl緩沖液移液到傳感器孔中。接 著，將該緩沖液除去和用PEI溶液代替。然后清洗所迷孔三次并用緩沖 液填充。對(duì)PSS和PAH重復(fù)前面兩個(gè)步驟直到7個(gè)PSS-PAH層已經(jīng)沉 積在單個(gè)PEI層上。在它們被吸附到所述表面上時(shí)，前述的PSS和PAH的14個(gè)交替層每個(gè)產(chǎn)生被檢測的PWV中的可測量的位移。圖11給出了 PWV位移對(duì)聚合物厚度的空間曲線圖，其中在清洗步驟之后，在緩沖液中測量每個(gè)PWV位移。每個(gè)聚合物電解質(zhì)的單層是大約4.4nm厚并且具有1.49的 4斤射率。參見例A口， Picart等人,Determination of structural parameters characterizing thin films by optical methods: A comparison between scanning angle reflectometry and optical waveguide lightmode spectroscopy. Journal of Chemical Physics, 2001.115(2): 1086-1094。所述的多孔玻璃 傳感器表現(xiàn)出為所述的聚合物傳感器的大約1.5倍的平均表面靈敏度。 但是，應(yīng)當(dāng)提到的是沉積在多孔玻璃裝置上的每個(gè)所述的前兩層(大約 9nm)產(chǎn)生了兩倍于其余各層值的PWV位移，而在聚合物裝置中未觀察 到這樣的效果。實(shí)施例5J^為、浙..f醋綺G為了證明用所提出的裝置的選擇性檢測，進(jìn)行生物分析，其表征了 人、羊和雞的IgG的蛋白質(zhì)A的親合性。蛋白質(zhì)A (Pierce Biotechnology) 是用0.01 M PBS制備成0.5mg/ml的濃度。在使用前用0.22nm注射過濾 器(Nalgene)過濾器過濾所述的緩沖液。將人、羊和雞免疫球蛋白-G(IgG) 血清(Sigma-Aldrich)在0.01 M PBS中稀釋成濃度為0.5 mg/ml。在每個(gè)步 驟之間允許30分鐘并且間隔1分鐘取樣，首先將PBS溶液移液到傳感 器的孔。接著，將所述的緩沖液用蛋白質(zhì)A溶液代替。然后沖洗所迷的 孔三次，并用緩沖液填充。在信號(hào)穩(wěn)定后，將所迷孔中的三個(gè)孔的緩沖 液用人、羊和雞的IgG代替，而將第四個(gè)孔放置作為僅僅含有緩沖液的 參照物。最后，除去IgGs并再次沖洗所迷的孔并用PBS填充來獲得最 后30分鐘的數(shù)據(jù)測量。將蛋白質(zhì)A引入到15個(gè)多孔玻璃和16個(gè)聚合物傳感器的孔中。在 清洗步驟之后所產(chǎn)生的PWV位移是多孔玻璃裝置的大約4倍。圖13表 示了所測試的多孔玻璃傳感器的具有蛋白質(zhì)A的人、羊和雞的IgG的實(shí) 測結(jié)合動(dòng)力學(xué)，而圖14給出了兩種裝置之間的對(duì)于每個(gè)抗體的終點(diǎn) PWV位移比較(相對(duì)于沒有IgG的參考孔)。在聚合物傳感器表面上，蛋 白質(zhì)A的表面吸附飽和得更快，這類似于在PPL生物附著測試中所觀察 到的。多孔玻璃裝置表現(xiàn)出對(duì)具有蛋白質(zhì)A更高親合力的抗體更大的靈敏度。以兩倍的靈敏度檢測人IgG結(jié)合，而雞IgG缺乏對(duì)于蛋白質(zhì)A的 任何特異性(參見例如，Richman等人，The binding of Staphylococci protein A by the sera of different animal species. Journal of Immunology, 1982. 128:2300-2305)，產(chǎn)生相當(dāng)?shù)捻憫?yīng)并提供非特定結(jié)合的量度。將光子晶體生物傳感器設(shè)計(jì)成將電磁能耦合到沉積到它的表面上 的來自液體測試樣品的生物材料。雖然所述裝置自身是由低折射率表面 結(jié)構(gòu)和高折射率介電涂層組成，但是填充在所述表面結(jié)構(gòu)中的液體測試 樣品也必須被認(rèn)為是該傳感器的整體部分——以及唯一的可以引起共 振波長的改變的動(dòng)態(tài)組件，將非常低折射率材料結(jié)合到光子晶體生物傳 感器結(jié)構(gòu)中的目的是使共振波長的電磁場偏向于與液體測試樣品較強(qiáng)域較弱的相互作用。、— "' ''旋涂低k介電材料的使用平衡了(leverage off)在集成電路制造團(tuán)體 進(jìn)行的大量的投資，所述團(tuán)體需要快速加工、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和排除液體滲 透。這個(gè)工作的獨(dú)特的方面是使用蓋印方法來精確地將亞微米表面結(jié)構(gòu) 賦予到納米多孔玻璃薄膜，而不使用光刻。在固化加工的最初階段過程 中，在低k薄膜表面上蓋印工具的存在不會(huì)改變最終的固化結(jié)構(gòu)化薄膜 的折射率。所述的蓋印方法能使主要的成本僅僅存在于所述的"主"硅晶 片制造中，這又用來產(chǎn)生幾乎不限數(shù)量的"子"PDMS蓋印工具。每個(gè) PDMS工具可以被用來產(chǎn)生大量的傳感器結(jié)構(gòu)而不損壞該工具，這是因 為僅僅需要很小的力來使得旋涂液體低k層適應(yīng)于該工具。在蓋印之后， 該低k介電薄膜在熱板上使用易于自動(dòng)化的方法快速固化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)柔 性的蓋印工具的使用比用硅主晶片直接蓋印更加有利，因?yàn)镻DMS模具 更易于從部分固化的低k薄膜中脫出，并且能夠使在固化過程中釋放的 揮發(fā)性溶劑透過。雖然在本文所述的工作中僅蓋印了 lx3英寸的顯微鏡 栽玻片區(qū)域，但是所述的蓋印方法可以按比例放大到更大的表面面積來 達(dá)到能夠制造大到足以覆蓋整個(gè)96孔或384孔標(biāo)準(zhǔn)微板(大約3x5英寸) 的傳感器面積。在多孔玻璃傳感器結(jié)構(gòu)和聚合物傳感器結(jié)構(gòu)比較過程中發(fā)現(xiàn)的一 種令人感興趣的和有用的結(jié)果是在本體折射率靈敏度和表面吸附的層 靈敏度之間贏得了靈敏度不同。盡管計(jì)算機(jī)建模精確預(yù)測了對(duì)于由覆蓋 多孔玻璃傳感器表面的溶液的本體折射率變化導(dǎo)致的PWV位移所測量的大約2倍的靈敏度增加，但是對(duì)于被吸附材料的薄層一貫測量出PWV 位移的大約4倍增加。通過使用聚合物多層試驗(yàn)來測量PWV位移隨厚 度的變化(圖11),我們能夠表征作為距傳感器表面的距離的函數(shù)的耦合 電磁場的相互作用強(qiáng)度。對(duì)于多孔玻璃傳感器，被吸附的聚合物的頭若 干單層的相互作用特別強(qiáng)，而對(duì)于每個(gè)在聚合物傳感器結(jié)構(gòu)上被吸附的 單層，聚合物厚度和PWV之間的關(guān)系是高度線性的。測試樣品和共振 電磁場分布之間的相互作用是非常復(fù)雜的，因?yàn)楸粰z測的材料可以吸附 到所述結(jié)構(gòu)的水平和垂直表面，其中特征場曲線從每個(gè)表面延伸到樣 品。對(duì)于多孔玻璃生物傳感器，基于表面的檢測靈敏度被提高到超出了 本體靈敏度的改進(jìn)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)生物分子相互作用被期望在距傳感器表 面的頭幾納米的范圍內(nèi)發(fā)生，因此表面靈敏度對(duì)于增加基于表面的生物 化學(xué)分析中的靈敏度是最重要的。
權(quán)利要求
1.一種制造傳感器的方法，該方法包括(a)將液體彈性體放入亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)模具中，并固化該液體彈性體來形成陰模；(b)從所述的模具中取出該陰模；(c)將所述的陰模置入未固化的納米多孔薄膜中，其中所述的未固化納米多孔薄膜通過基材進(jìn)行支撐；(d)使納米多孔薄膜完全固化、部分固化或未固化；(e)從所述的完全固化、部分固化或未固化的納米多孔薄膜中取出該陰模；(f)在所述的完全固化、部分固化或未固化的納米多孔薄膜上沉積高介電常數(shù)介電材料，其中形成傳感器。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述的納米多孔薄膜包括多孔二氧化硅 干凝膠，多孔氣凝膠，多孔氫硅倍半氧烷，B階聚合物，多孔甲基硅倍 半氧烷，多孔聚(亞芳基醚)，或其組合。
3. 權(quán)利要求l的方法，其中所述的基材包括塑料、環(huán)氧樹脂或玻璃。
4. 權(quán)利要求l的方法，其中所迷的高介電常數(shù)介電材料是氧化錫、 五氧化二鉭、硫化鋅、二氧化鈦、氮化硅或其組合。
5. 權(quán)利要求的方法，其中高介電常數(shù)介電材料的折射率是大約 1.8到大約3.0。
6. 權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括在高介電常數(shù)介電材料上沉積覆蓋層。
7. 權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括在高介電常數(shù)介電材料的表面 上固定一種或多種特定的結(jié)合物。
8. 權(quán)利要求6的方法，其進(jìn)一步包括在覆蓋層的表面上固定一種或 多種特定的結(jié)合物。
9. 權(quán)利要求7的方法，其中所述的一種或多種特定的結(jié)合物不包括 可檢測的標(biāo)記物。
10. 權(quán)利要求8的方法，其中所述的一種或多種特定的結(jié)合物不包 括可檢測的標(biāo)記物。
11. 權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的多孔薄膜的折射率是大約1.1到大約2.2。
12. 權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的多孔薄膜的折射率是大約1.1 到大約1.5。
13. 權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)的周期 是大約200nm到大約1500nm,并且該亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)的深度是大 約50nm到大約900nm。
14. 權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的基材的折射率是大約1.4到 大約1.6。
15. 權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的高介電常數(shù)介電材料的厚度 是大約30nm到大約700nm，并且所述的納米多孔材料的厚度是大約 10mn到大約5000亂
16. —種制造傳感器的方法，該方法包括(a) 在基材上固化具有低折射率的納米多孔材料層；(b) 在所述的納米多孔材料上沉積高介電常數(shù)介電材料；以及(c) 將所述的高介電常數(shù)介電材料圖案化成光柵。
17. 權(quán)利要求16的方法，其中所述的納米多孔薄膜包括多孔二氧化 硅干凝膠，多孔氣凝膠，多孔氫硅倍半氧烷，B階聚合物，多孔曱基硅 倍半氧烷，多孔聚(亞芳基醚)，或其組合。
18. 權(quán)利要求16的方法，其中所迷的基材包括塑料、環(huán)氧樹脂或玻璃。
19. 權(quán)利要求16的方法，其中所述的高介電常數(shù)介電材料是氧化 錫、五氧化二鉭、硫化鋅、二氧化鈦、氮化硅或其組合。
20. 權(quán)利要求16的方法，其中所迷的高介電常數(shù)介電材料的折射率 是大約1.8到大約3.0。
21. 權(quán)利要求16的方法，其進(jìn)一步包括在所述的高折射率介電材料 上沉積覆蓋層。
22. 權(quán)利要求16的方法，其進(jìn)一步包括在所迷的高折射率介電材料 的表面上固定一種或多種特定的結(jié)合物。
23. 權(quán)利要求21的方法，其進(jìn)一步包括在覆蓋層的表面上固定一種 或多種特定的結(jié)合物。
24. 權(quán)利要求22的方法，其中所述的一種或多種特定的結(jié)合物不包 才舌可4企測的標(biāo)記物。
25. 權(quán)利要求23的方法，其中所迷的一種或多種特定的結(jié)合物不包 括可檢測的標(biāo)記物。
26. 權(quán)利要求16的傳感器，其中所迷的納米多孔薄膜的折射率是大 約1.1到大約2.2。
27. 權(quán)利要求16的傳感器，其中所述的納米多孔薄膜的折射率是大 約1.1到大約1.5。
28. 權(quán)利要求16的傳感器，其中所述的亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)的周期 是大約200nm到大約1500nm,并且該亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)的深度是大 約50nm到大約900nm。
29. 權(quán)利要求16的傳感器，其中所述的基材的折射率是大約1.4到 大約1.6。
30. 權(quán)利要求16的傳感器，其中所迷的高介電常數(shù)介電材料的厚度 是大約30nm到大約700nm,并且所述的納米多孔材料的厚度是大約 10mn到大約5000nm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制造傳感器的方法。在一種實(shí)施方案中，該方法包括在納米多孔薄膜上圖案化亞波長周期光柵，然后在該圖案化的納米多孔薄膜上沉積高介電常數(shù)材料。在另一種實(shí)施方案中，所述的方法包括在納米多孔薄膜上沉積并圖案化高介電常數(shù)材料。
文檔編號(hào)G02B5/18GK101263378SQ200680033125
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2006年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者B·T·坎寧安, I·布洛克, L·L·-Y·陳 申請(qǐng)人:伊利諾伊大學(xué)評(píng)議會(huì)