專利名稱：產(chǎn)生電磁場分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在對于必需曝光的物質(zhì)可使用的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電磁場的裝置和方法。本發(fā)明特別涉及用于檢驗生物或化學物質(zhì)的光學傳感器。
電磁場在許多應(yīng)用場合用于在大多數(shù)液體樣品中檢測較低濃度的物質(zhì)。光學傳感器、其基于檢測在傳感器的表面上淀積的物質(zhì)、原則上分為兩種一種與標記的物質(zhì)一起工作(Label-Methoden)并且另一種沒有標記也可以(Label-freie Methoden)。
標記方法可以分類為這樣的方法，其中用發(fā)熒光的色素標記必須檢測的物質(zhì)。商業(yè)上慣用的熒光色素例如是532nm激發(fā)波長的CY5和635nm附近激發(fā)波長的CY3。
標記是可以選擇的，一般也涉及另外的、在必須檢驗的樣品中存在的物質(zhì)。如果標記不可選擇，則例如可以由此實現(xiàn)選擇性，制備傳感器的表面，即僅僅必須檢驗的、已標記物質(zhì)有選擇地鍵合在表面上。如果在之后清洗表面，通過由此產(chǎn)生的熒光信號的強度得到關(guān)于在檢驗樣品中必須檢驗的物質(zhì)濃度的定量結(jié)論。如果實現(xiàn)，激發(fā)熒光的電磁場集中在該表面上并且基本上不局限于此、在該表面上鍵合必須檢測的物質(zhì)，則不必清洗也能夠得出定量結(jié)論。
只要不是所有的、在表面上鍵合的已標記物質(zhì)發(fā)熒光，則一般適用在表面上建立的電磁場強度相對于輻射的光強度越高，則檢驗的信噪比(S/N-radio)越好。這直接影響傳感器的檢驗靈敏度。因此在如此傳感器中嘗試在表面的范圍內(nèi)與檢驗體積相比實現(xiàn)盡可能強的電磁場。
可是除了描述的標記方法外、也就是說基于標記的檢驗方法、無標記方法通常也是可以的。為此必須檢驗的物資例如由于折射率變化直接影響在傳感器中的場分布，必須檢驗的物質(zhì)當?shù)矸e在傳感器表面上時引起折射率的變化。這種影響直接作用于光檢驗參數(shù)、比如衍射效率或也許作用于導入波導管中的波，并且引起可測量的變化。為此至少一部分檢驗物質(zhì)可進入的范圍具有電磁場，檢驗物質(zhì)可能影響電磁場。
建立如此的、可供檢驗物質(zhì)使用的場分布的一種可能性是利用橫向衰減的電磁波。在最簡單的情況下以唯一的完全內(nèi)反射(TIR)工作。對此以激發(fā)光從基片以大于全反射臨界角的角度導入傳感器的表面。由此在表面上產(chǎn)生橫向衰減的磁場，其指數(shù)下降地從基片突入必須檢驗的介質(zhì)。在專業(yè)文獻中如此的場也稱為消散場。因為在此不是光在必須檢驗的介質(zhì)中傳播，而是僅僅“突入”必須檢驗的介質(zhì)，也就是說場局限于相應(yīng)交界面的鄰近區(qū)域。
所謂的滲透深度、也就是說交界面的距離、在該交界面上場強下降到1/e(e是歐拉常數(shù))、在這種情況下此外依賴于實際的入射角，并且典型地以激發(fā)光的真空波長的單位并以同一數(shù)量級檢驗該滲透深度。
與簡單的全反射相比提高如此消散場的可能性在于，激發(fā)光能夠在交界面上多次反射。例如如果具有與基片相比較高折射率和確定厚度的光學鍍層鍍在基片上，則必要時在該層的兩個交界面上發(fā)生全反射并且以所謂的波導模式在該層中定向傳播。在正確選擇波導管結(jié)構(gòu)的情況下這在波導管的表面上引起升高的消散場。
對此重要的是，波導層、也就是說在其內(nèi)部導入光波的層、具有這樣的折射率，其高于基片的折射率和與波導層鄰接的介質(zhì)的折射率。如果不是這種情況，則不會發(fā)生多次全反射并因此不會發(fā)生波導(例如參見WO86/071149)。因此在給定基片的情況下波導層的材料選擇局限于高折射率的材料。
由這個事實得出另一個難題，即模式傳播和為了激發(fā)提供使用的場的場強非常靈敏地依賴于波導管結(jié)構(gòu)并依賴于必要時存在的晶格缺陷。最微小的雜質(zhì)導致雜散光并導致導入光的強度減弱。這整體影響導入光在波導管中的傳播距離并因此在較小雜質(zhì)和/或缺陷的情況下可能歪曲檢驗結(jié)果。
另一個難點是光在波導管中的輸入，此外借助于正面導入、棱鏡耦合或耦合晶格可以實現(xiàn)光的輸入。在所有上述情況下難以實現(xiàn)恒定的耦合效率，可是對于定量結(jié)論應(yīng)當達到恒定的耦合效率。
為此基于波導管的延伸限制不同量程的密度。
提高消散場的另一種方案是激發(fā)所謂的表面等離子體。在等高面上傳播、在金屬層內(nèi)實現(xiàn)的激發(fā)態(tài)，直到例如由于在金屬中的吸收或由于散射而衰變。對在這種情況下通過表面等離子體實現(xiàn)的消散場強度的控制也是非常困難的。此外也限制量程密度，因為表面等離子體通常在其衰變之前傳輸有限距離。此外金屬在許多情況下具有穩(wěn)定性問題，特別是老化，這可能導致不可靠的檢驗。
在較新的附件中利用具有異常透射擾動的諧振晶格的熟知作用，比如在WO2001/002839中由Novartis描述(在下面稱為Novartis專利申請)。類似于波導管在這種情況下在基片上涂敷一個層，該層的折射率高于基片的折射率。否則不出現(xiàn)諧振效應(yīng)。此外通過周期溝道定義表面的檢驗場范圍。
選擇該結(jié)構(gòu)和層的參數(shù)，使在以確定的角度導入相干光時出現(xiàn)諧振作用，在這種情況下透射異常降低，對此建立所希望的消散場。這有這樣的優(yōu)點，光在波導模式下不必傳播較長距離，并且該裝置因此對晶格缺陷和散射中心非常不敏感。為此與在波導管中的耦合相比可以較小選擇該系統(tǒng)并且因此可以顯著提高量程的數(shù)目，因為光主要不是橫向傳播。可能提高量程密度的優(yōu)點首先在WO2000/75644中由Zeptosens(在下面稱為Zeptosens專利申請)強調(diào)。在Zeptosens專利申請中也實現(xiàn)在量程內(nèi)的連續(xù)調(diào)制，其中當然還是以光的層波導為出發(fā)點。
波導附件不僅在表面的范圍內(nèi)實現(xiàn)較高的場強而且該附件在具有異常透射的諧振晶格上也有這樣的缺點，即在表面上實現(xiàn)的場強僅僅是在高折射率的層和必要時的波導層中實現(xiàn)的場強的一小部分。在該系統(tǒng)中僅僅使用了該場的橫向衰減的尾部。
此外缺點是，在這種情況下高折射率的層用作與周圍介質(zhì)的隔絕。在SiO2上構(gòu)建生物化學研制最久遠。在應(yīng)用玻璃基片的情況下因此必須轉(zhuǎn)移到另外的材料上，以便實現(xiàn)與基片相比更高折射率的層。例如為此使用TiO2或Ta2O5?？墒桥cSiO2相比著這些材料不易與生物化學結(jié)合。存在這樣的可能性，即在高折射率層上涂敷一個薄層SiO2。這當然必須選擇非常薄的層，因為消散場的在該層內(nèi)呈指數(shù)下降。
本發(fā)明的任務(wù)是克服上述缺點。本發(fā)明的任務(wù)特別是提供一種裝置，借助于該裝置可以獲得更高的場強，其中可供檢驗物質(zhì)使用的最大場強不僅僅包含在該裝置中建立的場強的消散部分。本發(fā)明的另外方面是在處于表面上的層內(nèi)實現(xiàn)較高的、不是唯一的消散場強，該層的折射率不高于或僅僅不明顯高于(＜1％)基片的折射率。提供一種方法，根據(jù)該方法可以獲得如此的場強，這也是本發(fā)明的任務(wù)。
根據(jù)本發(fā)明借助于一個按照權(quán)利要求1、用于產(chǎn)生電磁場分布的平臺解決該任務(wù)。
一個如此的平臺包含-一個基片-一個在基片上設(shè)置的結(jié)構(gòu)層，其中該結(jié)構(gòu)層的層厚度由最大的結(jié)構(gòu)深度確定，-用于把導入的電磁輻射耦合入結(jié)構(gòu)層的耦合介體，以便在結(jié)構(gòu)層內(nèi)部建立電磁場分布-一個設(shè)置在基片和結(jié)構(gòu)層之間的多層系統(tǒng)，主要用于至少部分抑制在結(jié)構(gòu)層中建立的磁場耦合到在基片中傳播的高于第零衍射級的衍射級上，其中結(jié)構(gòu)層、耦合介體和多層系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，使在電磁輻射適當導入平臺的情況下形成的電磁場場強在結(jié)構(gòu)層的范圍內(nèi)是最大的。
此外該平臺的一個實施方式的特征在于，結(jié)構(gòu)層的折射率或必要時的實際折射率比基片的折射率高不到1％、但優(yōu)選小于基片的折射率。
此外該平臺的一個另外的實施方式的特征在于，結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)包含基本周期布置的造型，其是耦合介體的組成部分。
此外該平臺的一個另外的實施方式的特征在于，多層系統(tǒng)包含優(yōu)選由Al、Ag、Au、其組合或另外適合的材料組成的金屬層。
該平臺的一個另外的實施方式的特征在于，層系統(tǒng)包含介電層并且最好不包含金屬層，其中最好以交變的層結(jié)構(gòu)形式構(gòu)建該層系統(tǒng)，在該結(jié)構(gòu)形式中交替布置高折射率和低折射率的層。
該平臺的一個另外的實施方式的特征在于，選擇結(jié)構(gòu)形式、耦合介體和多層系統(tǒng)的層的數(shù)目以及材料和厚度分布，使在電磁輻射適當導入該平臺的情況下建立的場強分布在結(jié)構(gòu)層的暴露層材料的區(qū)域具有至少一個最大值。
以根據(jù)本發(fā)明的平臺可以制造一個場分布平臺，其附加包含一個用于產(chǎn)生電磁輻射的源和電磁場，該電磁場的場強在結(jié)構(gòu)層的區(qū)域內(nèi)是最大的。
在上述場分布平臺的一個特殊的實施方式中電磁場分布在結(jié)構(gòu)層的暴露層材料的區(qū)域內(nèi)具有至少一個最大值。
上述的平臺和場分布平臺可以是用于在生物的和/或化學的和/或生物化學的樣品中檢驗特定物質(zhì)的傳感器的組成部分。
以下面的步驟解決這個任務(wù)，即提供一種方法，根據(jù)該方法可以產(chǎn)生一個過高的、非唯一的消散場分布-選擇一個基片-選擇結(jié)構(gòu)層的材料和結(jié)構(gòu)-選擇多層系統(tǒng)的材料-確定用于導入的電磁輻射的參數(shù)-在包含基片、多層系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)層的平臺內(nèi)部在根據(jù)已確定的參數(shù)導入電磁輻射的情況下仿真并優(yōu)化電磁場分布，其中在基片和結(jié)構(gòu)層之間設(shè)置多層系統(tǒng)并且優(yōu)化宗旨是在結(jié)構(gòu)層內(nèi)部最大的場分布；-至少近似地根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果建立該平臺-根據(jù)確定的參數(shù)把電磁輻射導入該平臺。
在該方法的一個另外的實施方式中電磁場分布作為優(yōu)化宗旨力求在結(jié)構(gòu)層的暴露層材料的區(qū)域內(nèi)具有至少一個最大值。
根據(jù)本發(fā)明通過適當?shù)亟M合介電的多層系統(tǒng)的和光學晶格的特性解決該任務(wù)。對此不僅放棄在高折射率層中的波導原理而且也放棄諧振晶格透射異常降低的原理。與此相對在基片上布置一個介電的交變層系統(tǒng)，在系統(tǒng)上設(shè)置一個衍射晶格。
從應(yīng)用文獻中已知了如此的結(jié)構(gòu)建立，其中例如衍射級的效率調(diào)整到一個確定的值。例如Perry等人在US5′907′436中描述了一個如此的結(jié)構(gòu)，選擇其布局，使得通過層的數(shù)目、至少一個層的厚度和晶格結(jié)構(gòu)的深度和形式預先確定第零衍射級和較高衍射級的入射光、發(fā)射和透射的部分。
根據(jù)本發(fā)明僅僅或附加如下優(yōu)化如此的系統(tǒng)，即在表面結(jié)構(gòu)的區(qū)域內(nèi)并且特別是在晶格溝道的區(qū)域內(nèi)該優(yōu)化系統(tǒng)有較高的或甚至最高的場強。通過采取的如此措施得到這樣的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)在導入對于優(yōu)化確定的電磁輻射的情況下建立一個場分布，其在可供檢測使用的晶格溝道內(nèi)具有最大值。
不僅局部的優(yōu)化方法適合于優(yōu)化而且整體的方法也適合于優(yōu)化，光涂層領(lǐng)域的專業(yè)人士對于二者例如用于優(yōu)化光交變層系統(tǒng)了解已經(jīng)足夠多。如此的優(yōu)化方法與當前的優(yōu)化宗旨的關(guān)聯(lián)應(yīng)用對此是新的并且是獨創(chuàng)的。當然專業(yè)人士了解，正如所采取的措施，公開了一個全新的觀點，在一定的結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)對電磁場強都進行了優(yōu)化并且與此有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)用作優(yōu)化參數(shù)、特別是層厚度和晶格深度。因此完全公開了技術(shù)處理的原理。
為了更好地理解，還是應(yīng)當提供一個直觀的圖來進行闡述，如此多層系統(tǒng)關(guān)于較高的衍射級可以視為結(jié)構(gòu)層與基片隔離的介體。電磁輻射耦合進入結(jié)構(gòu)層或從結(jié)構(gòu)層輸出耦合在透射或反射方面主要限制于第零衍射級。特別是如果涉及具有低的衍射效率的衍射結(jié)構(gòu)，這導致在結(jié)構(gòu)層內(nèi)部建立較高的電磁場。
由于如此的直觀闡述、特別是在當前情況下，物理學僅僅有限的準確復述再次強調(diào)，拓寬了在光多層系統(tǒng)和衍射晶格以及其優(yōu)化方面已經(jīng)過培訓的專業(yè)人士對電磁場分布進行優(yōu)化的優(yōu)化策略，以便得到根據(jù)在此論述的技術(shù)任務(wù)的概述解決方案的、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)。
特別以一個這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)如此的場分布，該系統(tǒng)的、在其上面布置晶格的均勻?qū)雍?或其晶格結(jié)構(gòu)包括低反射率的材料并且特別包括這樣的材料，其折射率小于或等于基片的折射率。因此這種效應(yīng)明確基于高折射率的波導效應(yīng)和與其聯(lián)系的電磁場，還歸因于具有反射和/或透射異常的、高折射率的諧振晶格的效應(yīng)。與此相反，也絕對能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，其違背現(xiàn)有技術(shù)基本上不允許反射，正如下面進一步描述的，這對于應(yīng)用是絕對有益的。


圖1示意指出了根據(jù)Novartis專利申請、按照現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)。該圖附加指出了在導入光的情況下在該結(jié)構(gòu)中建立的場分布。
圖2作為波長的函數(shù)指出了反射和透射的、與在圖1中指出的結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的相關(guān)性。明顯可以看出透射的異常降低到不足1％。
圖3示意指出了根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的一個實施方式。該圖附加指出了在導入光的情況下建立的場分布。
圖4作為波長的函數(shù)指出了反射和透射的、與在圖3中示出的系統(tǒng)相聯(lián)系的相關(guān)性。光譜既不具有異常反射也不具有異常透射。
圖5示意指出了根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的另一個有益的實施方式。
圖6作為波長的函數(shù)指出了反射和透射的、與在圖5中示出的系統(tǒng)相聯(lián)系的相關(guān)性。明顯看出，反射下降到1％以下。
圖7指出了類似于圖6的、632.8nm至633.2范圍的圖形。其中很明顯在632.95nm處甚至可以完全抑制反射。
圖8指出了根據(jù)本發(fā)明的、用于選擇檢測被檢驗物質(zhì)的檢驗結(jié)構(gòu)。
下面借助于實例并根據(jù)附圖詳細描述本發(fā)明。
為了更好地理解本發(fā)明的基本構(gòu)思，首先最好仔細地分析至少一個根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的典型實例，比如在Novartis專利申請中公開的。在圖1中示意描述了一個如此的系統(tǒng)97。在該系統(tǒng)中涉及一個折射率n＝1.52的結(jié)構(gòu)基片101，在該基片中實現(xiàn)360nm晶格周期和38nm晶格深度的周期晶格。該結(jié)構(gòu)基片101被折射率n＝2.2并且厚度為1310nm的介電層覆蓋。因此該層的折射率明顯高于基片的折射率。在這種情況下基片的晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到表面上，該表面同周圍介質(zhì)形成隔絕，在下面稱為頂片113。也繪出了生物的鍵合分子109，其例如應(yīng)用在抗體-抗原反應(yīng)中。
在實例中以TE極化在θ1＝2.9°入射角的情況下633nm波長的光導入該系統(tǒng)。該角度相當于這個系統(tǒng)的諧振角，在該系統(tǒng)中透射異常降低。從頂片正面實現(xiàn)導入。入射的光束與平面垂線一起在高折射率的層上撐開入射面。如此實現(xiàn)導入，即晶格隔板垂直穿透入射面，也就是說在考慮的實例中涉及非圓錐形的導入。TE極化的特征在于，對此在垂直于入射面的平面內(nèi)傳播電場矢量。
在圖1中附加繪出了虛線，該虛線表示場分布的相同的幅度平方。相應(yīng)的附圖標記5、10、15、20給出幅度平方的相應(yīng)值。在該文章中關(guān)于幅度平方值的所有說明是相對于平面波的幅度值的說明。換句話說，導入的光的幅度平方為1。僅僅對于最大值之一繪出了附圖標記。必須注意，在高折射率的層上對于必須檢驗的物質(zhì)難以繪出幅度平方的最大值，生物耦合成分僅僅探尋到場的消散的尾部。
在此考慮衍射效率作為波長的函數(shù)，在圖2中示出，很清楚，在這種情況下全部導入的能量集中在第零衍射級。這是在現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用的諧振效應(yīng)的前提。此外在633nm的波長處達到幾乎100％的反射，而透射相應(yīng)降低到幾乎0％，也就是說在633nm處可以看出透射異常降低的效應(yīng)。在圖2中對數(shù)標度用于說明諧振效應(yīng)。
在根據(jù)本發(fā)明的、在圖3中示出的第一實例中，公布了一個根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)11，在折射率大約為n＝1.52的基片13上實現(xiàn)該系統(tǒng)。這相當于例如BK7或類似玻璃的折射率。在該基片上涂敷具有6層的介電層系統(tǒng)17。第一層的折射率為大約n＝2.35，例如借助于TiO2可以實現(xiàn)該折射率。第二層的折射率為大約n＝1.48，例如通過SiO2可以實現(xiàn)該折射率。以最上面的SiO2層結(jié)束該層系統(tǒng)。在該層上涂敷一個周期的晶格結(jié)構(gòu)。晶格周期處在550nm，晶格隔板的材料具有大約n＝1.48的折射率，這通過SiO2層的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。晶格溝道的折射率為大約n＝1，也就是說空氣或真空或類似物質(zhì)的折射率。在實例中矩形晶格具有550nm的周期，其隔板和溝道具有相同的延伸，也就是所占空因數(shù)f＝0.5。鄰接晶格的介質(zhì)、在下面稱為頂片37、同樣折射率n＝1，也就是說晶格形成系統(tǒng)對周圍的介質(zhì)的隔絕。晶格溝道因此對于沉積和積聚的檢驗物質(zhì)可自由進入。
在實例中波長為633nm的光以TE極化在θ1＝2°入射角的情況下導入該系統(tǒng)。從頂片正面實現(xiàn)導入。入射光束與平面垂線一起在最后的層上撐開入射面。如此實現(xiàn)導入，即晶格隔板垂直穿透入射面，也就是說在考慮的實例中涉及非圓錐形的入射。TE極化的特征在于，對此在垂直于入射面的平面內(nèi)傳播電場矢量。因此除改變?nèi)肷浣侵夤獾膶霔l件與已經(jīng)闡述的現(xiàn)有技術(shù)的實例相同。
為了完整定義該系統(tǒng)僅缺少各層的層厚度以及晶格結(jié)構(gòu)的晶格深度。借助于實際的優(yōu)化找到這些參數(shù)。關(guān)于優(yōu)化的最終作用存在不同的可能性。在本實例中在晶格溝道內(nèi)部范圍內(nèi)在一個位置上的最大場強定義為優(yōu)化目標。不僅局部的優(yōu)化方法適合于優(yōu)化而且整體的方法也適合于優(yōu)化。，對于在薄膜技術(shù)內(nèi)對光學交變層系統(tǒng)的優(yōu)化來說專業(yè)人員對這兩種方法了解足夠多。如此優(yōu)化方法的應(yīng)用結(jié)合當前的應(yīng)用對此是新的并且是獨創(chuàng)的。當然專業(yè)人員熟悉，比如前面介紹的，只要對專業(yè)人員揭示一個新的觀點，其就能夠優(yōu)化場強，與此有關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)用作優(yōu)化參數(shù)，特別是層厚度和晶格深度。因此完全公開技術(shù)處理的原理。
下面的表1指出了如此優(yōu)化的結(jié)果
表1

在圖3中圖示指出了在實例中描述的系統(tǒng)11。在基片上涂敷包括6層的層系統(tǒng)17。在該層系統(tǒng)17上實現(xiàn)一個晶格結(jié)構(gòu)19，其不僅包含晶格隔板23而且也包含晶格溝道29。晶格周期為550nm。在圖3中也繪出了在表面上的生物的鍵合分子31、31′、31″，其例如應(yīng)用在抗體-抗原反應(yīng)中。對此也許存在處于溝道底部的如此鍵合分子31，也許存在粘在側(cè)壁上的如此鍵合分子31′，并且也許存在處于晶格隔板上的如此鍵合分子31″。當然另外的晶格輪廓、比如正弦形或傾斜的輪廓也是可能的，其中隨處可以固著耦合成分。在圖3中附加繪出了虛線，該虛線表示場分布的相同的幅度平方。相應(yīng)的附圖標記50、100、150、200給出幅度平方的相應(yīng)值。對此值得注意，在晶格結(jié)構(gòu)的溝道29內(nèi)達到大于200的最大幅度平方。該最大值明顯高于在現(xiàn)有技術(shù)中的值并且與現(xiàn)有技術(shù)不同完全可用于檢驗物質(zhì)。
正如從圖3中可以看出的，整個最大的場分布限制在晶格的范圍內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比這也是一個新的系統(tǒng)，因為形成晶格的材料分別具有不高于基片折射率的折射率并且甚至可以是明顯低的折射率。
從現(xiàn)有技術(shù)中已知諧振晶格的效應(yīng)、其導致透射的異常降低，正如描述的，隨著幾乎100％的反射而出現(xiàn)。在圖4中描述了在根據(jù)本發(fā)明描述的第一實例的情況下衍射效率作為光波長函數(shù)的相關(guān)性。明顯看到，在整個所考慮的波長范圍內(nèi)反射不高于70％并且透射在第零級不低于2％。在這種在實例中所考慮的633nm波長的情況下反射為14％，而第零級的透射為大約25％。
在下面的第二實例中甚至實現(xiàn)，該系統(tǒng)的反射下降到不足10％。該系統(tǒng)211還是包含一個基片233、一個層系統(tǒng)227、一個周期為550nm的晶格區(qū)域229、生物耦合成分233、233′、233″和一個頂片239。導光的形式與第一實例的形式一致。在優(yōu)化中把要求作為目標，當在晶格溝道內(nèi)仍舊較高場強的情況下反射保持相對較低。根據(jù)在第一實例中描述的系統(tǒng)確定該系統(tǒng)，其中16層用于優(yōu)化并且代替TiO2層使用Ta2O5層。層厚的優(yōu)化得到下面的系統(tǒng)

圖5以在圖1和3中示出的形式指出了該系統(tǒng)以及相應(yīng)的場分布。然而在圖5中由于表示的原因?qū)τ谠趯用娣较蛏系难由炫c在層厚方向上的延伸相比選擇二倍放大的比例。在圖5中附加繪出了虛線，該虛線表示場分布的相同的幅度平方。相應(yīng)的附圖標記250、500、750、1000給出幅度平方的相應(yīng)值。對此值得注意，在晶格溝道內(nèi)實現(xiàn)高的場強。
附屬的圖6作為波長的函數(shù)給出了反射和透射。很明顯，在所考慮范圍的較小波長處反射接近100％。在這里非?？赡艽嬖谥C振效應(yīng)，可是該效應(yīng)很明顯不同于在現(xiàn)有技術(shù)(Novartis專利申請)中描述的效應(yīng)。
圖7與圖6一致，其中僅僅描述了632.8nm至633.2nm的波長范圍。對此看出，對于632.95的波長甚至完全抑制反射。在Perry′436中晶格周期不是優(yōu)化參數(shù)，因為在這種情況下較高衍射級也不會喪失衍射效率和其傳播方向。通過晶格周期確定方向。由于這在本發(fā)明中不是很重要，所以晶格周期是一個自由參數(shù)，相應(yīng)可以優(yōu)化該參數(shù)。由于這個原因能夠例如通過定標如此匹配晶格，即最大反射處在所希望的波長位置。假如注意到由于反射沒有激發(fā)光到達熒光檢測器，這則是特別有益的。
圖8概括指出了一種根據(jù)本發(fā)明可以形成檢驗結(jié)構(gòu)307的可能性。測定在檢驗芯片311上耦合的熒光特征特定的物質(zhì)。在準確定義的角度下基本上平行的激發(fā)光LA導入檢驗芯片311。這例如可以由此實現(xiàn)，即通過一個透鏡331透射成束的光束。在實例中激發(fā)光LA從光源313出發(fā)，透過選擇鏡317并透過透鏡313，到達檢驗芯片311的表面。在此在晶格區(qū)域內(nèi)建立較強的電磁場，該電磁場激發(fā)必須檢驗的特殊的并且鍵合在表面上的物質(zhì)發(fā)出熒光。熒光LF然后傳播到透鏡331。由于該表面處在透鏡313的聚焦平面上，因此該熒光LF作為基本上平行的光線傳播到選擇鏡317，該選擇鏡把平行光線反射到檢測器337，該檢測器檢驗熒光的強度。
當然存在如此布置的不同設(shè)計形式。例如可以應(yīng)用一個這樣的光源，其同時以不同的離散的或連續(xù)的角度輸入到透鏡313，并且因此輻射到檢驗芯片311的多個點或一個完整的區(qū)域。如果代替檢測器應(yīng)用一個檢測器行或矩陣(例如CCD芯片)，則可以同時統(tǒng)計分析檢驗芯片的多個區(qū)域。
必須檢驗的物質(zhì)自然地以液體樣品涂在基片上。對此在表面上可以實現(xiàn)液滴的較小延伸是重要的。必須指出，特別是在深的晶格溝道的情況下液滴傾向于散開。這基于通過溝道作用于液滴的毛細力。在極端情況下液滴甚至相互溢出交匯。為了能夠抵制這種現(xiàn)象，通過流體圍欄堵住溝道。這例如可能是垂直于晶格桿的、連貫的側(cè)壁。如此側(cè)壁能夠通過平臺的介電涂層橫穿掩模實現(xiàn)。在下面稱為斑點直徑的各個檢驗場直徑的典型尺寸目前是80μm至200μm?？墒怯幸娴貎蓚€側(cè)壁的間隔比必須達到的斑點直徑小因數(shù)3、主要小因數(shù)五至十。因此保證實際上兩個液滴不能共享同一隔板區(qū)域。
目前僅僅考慮一種用于檢驗特殊鍵合的物質(zhì)的方法，該方法基于熒光標記工作?？墒呛芮宄鶕?jù)本發(fā)明的方法也是一種直接的檢驗方法，也就是說該檢驗方法沒有特殊的標記也可以。例如在WO86/07149中找到如此的無標記方法的詳盡描述。如此檢驗的目標例如是確定在一個在實例中為液體的檢驗物質(zhì)的光焦度變化。該檢驗物質(zhì)充滿晶格區(qū)域的溝道。如果檢驗物質(zhì)中的折射率改變，則因此在溝道范圍內(nèi)的折射率也改變。這種改變直接影響晶格的結(jié)構(gòu)和在其內(nèi)部建立的場強分布?？梢越柚诓煌姆椒y量這種變化，因為這直接影響反射的和/或透射的衍射級(第零級和更高的級)。當然在此也考慮光譜的和/或依賴角度的測量，也就是說作為波長函數(shù)測量一個或多個衍射級。
例如通過在表面上必須檢驗的物質(zhì)的特殊的化學吸附作用或物理吸附作用、吸附作用、解吸附作用和/或化學鍵合(在下面綜合為物質(zhì)影響)能夠進行無標記的、選擇檢驗。這導致檢驗芯片的共同確定場分布的總布局結(jié)構(gòu)的可測量變化，特別是晶格區(qū)域的變化。例如由于如此的物質(zhì)影響可以改變晶格區(qū)域的占空因數(shù)，可是相應(yīng)地這共同影響衍射效率。很清楚，借助于一個附加層也可以實現(xiàn)如此物質(zhì)影響的選擇性，該層借助于鑰匙-鎖原理特殊地本身鍵合必須檢驗的物質(zhì)。例如在檢驗開始時僅僅抗體鍵合在晶格表面、特別是晶格溝道下面。在檢驗期間相應(yīng)的抗原鍵合并且由此改變晶格結(jié)構(gòu)。
這種方案是特別有益的，在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)上直接集成一個濾光器。這樣能夠如此對晶格結(jié)構(gòu)加涂層，即不填充或僅僅少量填充晶格溝道，而涂層材料主要在晶格隔板上淀積。這例如可以通過借助于濺射技術(shù)的涂層實現(xiàn)。在涂層過程中隨著涂層厚度的增加晶格溝道變窄。因此出現(xiàn)通向表面變窄的溝，也就是說借助于涂層可以調(diào)整每個所希望的開口寬度，其小于或等于最初的溝道寬度。處在檢驗物質(zhì)中并且其直徑大于溝寬度微粒不能擴散進入溝道區(qū)域。因此能夠集成機械的濾光。也能夠由交變層系統(tǒng)形成變窄的溝，考慮光學要求可以優(yōu)化其材料和層厚分布。
在WO 86/07149中描述了一種薄膜，其預先過濾檢驗物質(zhì)，因此引起預先選擇。在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中也可以預接一個如此附加的薄膜。該系統(tǒng)特別適合于分析生物過程，該過程與所謂的顯示物質(zhì)(Botenstoffen)有關(guān)。在一些生物過程中例如在薄膜的一面滲入一種特定的物質(zhì)在薄膜的另一面上發(fā)生特殊的反應(yīng)。這例如可能在于，顯示物質(zhì)離開薄膜并擴散進入鄰接的介質(zhì)。如此的顯示物質(zhì)有時可能引起PH值的改變。如此制備溶液，既如此的PH值變化引起溶液的顏色改變。至少通過溶液的光吸收特性的改變實現(xiàn)顏色變化，如此的變化再度影響在晶格區(qū)域內(nèi)的場分布，根據(jù)前面描述的實例根據(jù)本發(fā)明可以測量這種變化。
描述了根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的不同實施方式。為了能夠制造對此所必需的層系統(tǒng)，可以應(yīng)用不同的并且專業(yè)人員熟悉的涂層方法，比如熱蒸鍍、PVD、CVD、特別是PECVD或PICVD和另外的方法。干涉法、特別是基于借助于雙光束干涉的感光層曝光或利用階段掩模的方法適合于產(chǎn)生晶格區(qū)域。接下來借助于已知的光刻技術(shù)在感光層內(nèi)實現(xiàn)的晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到其下面的層。
一個難點在于，在晶格區(qū)域下面的層系統(tǒng)干擾用于產(chǎn)生晶格的曝光。在這種情況下這是有益的，轉(zhuǎn)換為壓印技術(shù)，在該技術(shù)中例如在層系統(tǒng)上涂敷聚合物，按下來借助于壓印凸模在聚合物上壓印出晶格。借助于后面的光刻技術(shù)晶格轉(zhuǎn)移到下面的層。回避該難點的另一種方案在于，選擇一個根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中在基片上實現(xiàn)晶格，該晶格結(jié)構(gòu)一直轉(zhuǎn)移到表面上。如此的實施方式允許這種可能性，即根據(jù)本發(fā)明建立的電磁場的主要部分集中在晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)并且此外集中在可供檢驗物質(zhì)使用的晶格溝道內(nèi)。
在此討論的本發(fā)明的實施方式僅僅看作實例，可是本發(fā)明的目標絕不局限于該實例。例如可以考慮實施光照的不同變型
-在實例中全部應(yīng)用TE極化的光，其中本發(fā)明的目標應(yīng)當也涉及導入TM極化光。
-在實例中僅僅考慮了光的非圓錐形導入。可是也可以選擇具有圓錐形導入的結(jié)構(gòu)。
-也可以考慮這樣的實施方式，應(yīng)用相干的、非相干的或部分相干的光。
-也可以考慮具有偏振光或具有非偏振光的根據(jù)本發(fā)明的實施方式。在特殊選擇的偏振的情況下、例如在圓形偏振的情況下能夠測量相移、特別能夠測量相移變化。
-寬帶的光源和/或窄帶的光源和/或單色光源考慮作為光源。也就是說此外能夠使用連續(xù)或脈沖的激光器，特別是半導體激光器、發(fā)光二極管(LED)和白熾燈。
用于導入的光可以來自不同的方向-基片一方-頂片一方-通過在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中附加集成的并且必要時構(gòu)造的波導管或來自單個或多個或所有形式的組合。
在此僅僅描述了這個晶格區(qū)域，其具有一維的、矩形的晶格輪廓。在此涉及普通晶格結(jié)構(gòu)的根據(jù)本發(fā)明的實施方式也是可能的并且是本發(fā)明的目標。例如-一維的晶格，其輪廓不是矩形和/或其占空因數(shù)不是0.5。
-一維晶格，在該晶格中疊加了二個或多個晶格周期，其點陣矢量彼此平行。
-二維晶格，也就是說具有至少兩個非平行點陣矢量的周期結(jié)構(gòu)(交叉晶格)，其中特別感興趣涉及偏振效應(yīng)的這樣的二維晶格，其晶格矢量彼此垂直和/或數(shù)值上相等。
-周期的結(jié)構(gòu)，其本身由層系統(tǒng)構(gòu)成。
作為本發(fā)明的部分目標已經(jīng)敘述，較高的場分布集中在晶格區(qū)域，在該晶格區(qū)域內(nèi)相關(guān)材料的折射率等于或小于基片的折射率。
本發(fā)明的另一個部分目標是這種方案，即根據(jù)晶格溝道必須檢驗的物質(zhì)可使用最大場強區(qū)域。本發(fā)明的這個目標也可以通過構(gòu)造的晶格區(qū)域達到，在該晶格區(qū)域一種或多種相關(guān)材料具有高于基片折射率的折射率。
在實例中僅僅描述了這樣的系統(tǒng)，其僅僅借助于介電材料達到根據(jù)本發(fā)明的效果?？墒歉鶕?jù)本發(fā)明的實施方式也可能包含金屬材料并且特別包含結(jié)構(gòu)上的金屬材料。此外這種實施方式也是可能的，其使根據(jù)本發(fā)明的效果(在供檢驗材料使用的晶格溝道內(nèi)的高磁場)與從現(xiàn)有技術(shù)中已知的效果、特別是與表面等離子組合。
本說明書中的重點是在傳感器中應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)當然可以在那里應(yīng)用，在近場內(nèi)(也就是說距離表面直到大約10個波長的范圍內(nèi))對物質(zhì)曝光。例如在圖5的系統(tǒng)中通過一個晶格周期實現(xiàn)幾乎4個場強最大值的事實例如允許這種方案，在近場內(nèi)對光敏感層曝光，即實現(xiàn)幾乎小四倍的晶格周期。
附圖標記表97 系統(tǒng)101基片103周期晶格107介電層109生物耦合成分113頂片11 系統(tǒng)13 基片17 層系統(tǒng)19 晶格結(jié)構(gòu)23 晶格隔板29 晶格溝道31 在溝道底部上的生物耦合成分31′ 在側(cè)壁上的生物耦合成分31″ 在晶格隔板上的生物耦合成分37 頂片211系統(tǒng)223基片227層系統(tǒng)229晶格區(qū)域233在溝道底部上的生物鍵合分子233′ 在側(cè)壁上的生物鍵合分子233″ 在晶格隔板上的生物鍵合分子239頂片307檢驗結(jié)構(gòu)311檢驗芯片313光源
317選擇鏡331透鏡337檢測器LA 激發(fā)光LF 熒光5 值為5的相同幅度平方的線10 值為10的相同幅度平方的線15 值為15的相同幅度平方的線20 值為20的相同幅度平方的線50 值為50的相同幅度平方的線100值為100的相同幅度平方的線150值為150的相同幅度平方的線200值為200的相同幅度平方的線250值為250的相同幅度平方的線500值為500的相同幅度平方的線750值為750的相同幅度平方的線1000 值為1000的相同幅度平方的線
權(quán)利要求
1.用于產(chǎn)生電磁場分布的平臺，具有-一個基片-一個在基片上設(shè)置的結(jié)構(gòu)層，其中該結(jié)構(gòu)層的層厚度由最大的結(jié)構(gòu)深度確定，-用于把導入的電磁輻射耦合入結(jié)構(gòu)層的耦合介體，以便在結(jié)構(gòu)層內(nèi)部建立電磁場分布-在基片和結(jié)構(gòu)層之間的多層系統(tǒng)，主要用于至少部分抑制在結(jié)構(gòu)層中建立的電磁場耦合到在基片中傳播的高于第零衍射級的衍射級上，其中結(jié)構(gòu)層、耦合介體和多層系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，使在電磁輻射適當導入平臺的情況下形成的電磁場場強在結(jié)構(gòu)層的范圍內(nèi)是最大的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的平臺，其特征在于，結(jié)構(gòu)層的折射率或必要時的實際折射率比基片的折射率高不到1％、但優(yōu)選小于基片的折射率。
3.按照權(quán)利要求1和2之一的平臺，其特征在于，結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)包含基本周期布置的造型，其是耦合介體的組成部分。
4.按照上述權(quán)利要求之一的平臺，其特征在于，多層系統(tǒng)包含優(yōu)選由Al和/或Ag形成的金屬層。
5.按照權(quán)利要求1至3之一的平臺，其特征在于，層系統(tǒng)包含介電層并且最好不包含金屬層，其中最好以交變的層結(jié)構(gòu)形式構(gòu)建層系統(tǒng)，在該結(jié)構(gòu)形式中交替布置高折射率和低折射率的層。
6.按照權(quán)利要求1至5的平臺，其特征在于，選擇結(jié)構(gòu)形式、耦合介體和多層系統(tǒng)的層的數(shù)目以及材料和厚度分布，即在電磁輻射適當導入該平臺的情況下建立的場強分布在結(jié)構(gòu)層的暴露層材料的區(qū)域內(nèi)具有至少一個最大值。
7.場分布平臺，其包含按照權(quán)利要求1至6之一的平臺，具有一個用于產(chǎn)生電磁輻射的源并且具有電磁場，其場強在結(jié)構(gòu)層的范圍內(nèi)是最大的。
8.場分布平臺，其特征在于，電磁場分布在結(jié)構(gòu)層的暴露層材料的區(qū)域內(nèi)具有至少一個最大值。
9.具有一個根據(jù)上述權(quán)利要求之一的平臺或一個場分布平臺的傳感器，其用于在生物的和/或化學的和/或生物化學的樣品中檢驗特定的物質(zhì)。
10.用于產(chǎn)生一個過高的、非唯一的消散電磁場分布的方法，具有如下步驟-選擇一個基片-選擇結(jié)構(gòu)層的材料和結(jié)構(gòu)-選擇多層系統(tǒng)的材料-確定用于導入的電磁輻射的參數(shù)-在包含基片、多層系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)層的平臺內(nèi)部在根據(jù)已確定的參數(shù)導入電磁輻射的情況下仿真并優(yōu)化電磁場分布，其中在基片和結(jié)構(gòu)層之間設(shè)置多層系統(tǒng)并且優(yōu)化宗旨是在結(jié)構(gòu)層內(nèi)部最大的場分布；-至少近似地根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果建立該平臺；根據(jù)確定的參數(shù)把電磁輻射導入該平臺。
11.按照權(quán)利要求10的方法，其特征在于，電磁場分布作為優(yōu)化宗旨，力求在結(jié)構(gòu)層的暴露層材料的區(qū)域內(nèi)具有至少一個最大值。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生電磁場分布的一種平臺(11)和一種方法。本發(fā)明特別涉及用于檢驗生物或化學物質(zhì)的光學傳感器。根據(jù)本發(fā)明的平臺(11)包含一個基片(13)、一個結(jié)構(gòu)層(19)和一個在基片(13)和結(jié)構(gòu)層(19)之間布置的多層系統(tǒng)(17)，它們相互協(xié)調(diào)，即在適當導入電磁輻射的情況下形成一個電磁場分布，其在結(jié)構(gòu)層(19)的范圍內(nèi)是最大的。
文檔編號G01N21/55GK1729393SQ200380107136
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
發(fā)明者H·托默-弗爾斯特, C·海涅-坎普肯斯 申請人:尤納克西斯巴爾策斯公司