專利名稱：使用多層襯底結(jié)構(gòu)的發(fā)光傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如發(fā)光生物傳感器或發(fā)光化學(xué)傳感器等的發(fā)光傳 感器，其包括例如多層線柵的多層襯底結(jié)構(gòu)，并且在例如線柵的所述 多層襯底結(jié)構(gòu)的特定位置處提供結(jié)合位置。本發(fā)明還涉及一種用于制 造這樣的發(fā)光傳感器的方法。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光傳感器顯示出高靈敏 性。
背景技術(shù)：
傳感器廣泛應(yīng)用于測量物理屬性或物理事件。例如，傳感器輸出 如電信號、光信號或聲信號的測量的功能讀數(shù)，并且可輸出數(shù)字信號。 這樣的信號是可通過其它裝置轉(zhuǎn)換成有用信息的數(shù)據(jù)。傳感器的一個 特別的例子是生物傳感器。生物傳感器是檢測目標(biāo)實(shí)體的存在(即定 性的)或者測量一定量(即定量的)的目標(biāo)實(shí)體的裝置，所述目標(biāo)實(shí) 體是例如血液、血清、血漿、唾液等的流體內(nèi)的例如分子、蛋白質(zhì)、病毒、細(xì)菌、原生動物、細(xì)胞成分、細(xì)胞膜、孢子、例如DNA、 RNA 等的核苷酸，但不限于這些。該目標(biāo)分子也被稱為"分析物"。在幾 乎所有情況下，生物傳感器使用包括用于捕獲分析物的特定識別元素 的表面。因此，可通過將特定分子附著于傳感器裝置的表面而改良傳 感器裝置的表面，該特定分子適合于結(jié)合存在于該流體內(nèi)的目標(biāo)分 子。對于分析物和特定分子的最佳結(jié)合效率而言，大表面面積和短擴(kuò) 散長度是非常有利的。因此，人們曾提議用微米或納米多孔襯底(膜) 作為結(jié)合大面積和快速結(jié)合動力學(xué)的生物傳感器襯底。特別地，當(dāng)分 析物濃度低(例如低于lnM，或者低于lpM)時，擴(kuò)散動力學(xué)對生物 傳感器化驗的總性能起著重要作用。通過熒光可檢測結(jié)合分析物的數(shù)量。在此情況下，該分析物自身可帶有熒光標(biāo)記，或者可利用經(jīng)熒光標(biāo)記的第二識別元素進(jìn)行另外的培養(yǎng)(incubatiorO。例如散射、發(fā)光體變白(bleaching)、襯底的本底熒光和激發(fā)光 的不完全去除等幾種因素可阻礙結(jié)合分析物的量的檢測。而且，為了 能夠辨別結(jié)合標(biāo)記和溶液內(nèi)的標(biāo)記，需要執(zhí)行一個(或多個)清洗步 驟以去除未結(jié)合的標(biāo)記。在操作在流體內(nèi)的具有亞波長空間分辨率的發(fā)光傳感器內(nèi)，光在 亞波長孔口或縫隙上反射，因為這些孔口或縫隙小到光無法檢測。這 在孔口或縫隙內(nèi)產(chǎn)生隱失場，該隱失場用于激發(fā)存在于該處的發(fā)光 體。用來自傳感器的第一側(cè)的激發(fā)輻射照射發(fā)光傳感器。所產(chǎn)生的冷 光可從在相對于第一側(cè)即相對于該傳感器被照射的側(cè)的一側(cè)的傳感 器的孔口或縫隙發(fā)出，并在該處檢測冷光，以這種方式分離激發(fā)輻射 和發(fā)光輻射。該(反射)效應(yīng)還抑制了在孔口或縫隙的激發(fā)側(cè)上產(chǎn)生 的本底發(fā)光。然而，包括縫隙或孔口的發(fā)光傳感器可能具有確定發(fā)光體應(yīng)當(dāng)優(yōu) 選與表面結(jié)合的特定位置的問題。換句話說，難以在激發(fā)和檢測的結(jié) 合效率最高的位置處定位或提供優(yōu)選的結(jié)合位置，因此難以獲得高靈 敏度。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種具有光輸出的例如發(fā)光生物傳感器或 發(fā)光化學(xué)傳感器的改良的發(fā)光傳感器，以及一種用于制造這樣的發(fā)光 傳感器的方法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是具有高靈敏性的發(fā)光傳感器。通過根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置實(shí)現(xiàn)上述目的。在所附的獨(dú)立權(quán)利要求和從屬權(quán)利要求中說明了本發(fā)明的特定 的和優(yōu)選的方面?？蓪膶贆?quán)利要求的特征與獨(dú)立權(quán)利要求的特征結(jié) 合，并且與其它的從屬權(quán)利要求的合適的而不僅僅是該權(quán)利要求內(nèi)明確陳述的特征結(jié)合。本發(fā)明提供一種發(fā)光傳感器，例如發(fā)光生物傳感器或發(fā)光化學(xué)傳 感器，其包括具有諸如孔、針孔、間隙、縫隙或者其它形成在襯底內(nèi)的開口等的小孔的第一多孔多層襯底結(jié)構(gòu)，在該發(fā)光傳感器中多層襯 底結(jié)構(gòu)包括至少一個由第一材料所形成的第一層和至少一個由第二 材料所形成的第二層，其中第一材料對存在于孔口內(nèi)的發(fā)光體顯示出 第一結(jié)合力，而第二材料對存在于孔口內(nèi)的發(fā)光體(例如熒光團(tuán))顯 示出第二結(jié)合力，第一結(jié)合力高于第二結(jié)合力。根據(jù)本發(fā)明的傳感器的優(yōu)點(diǎn)是在激發(fā)和檢測的結(jié)合效率是最高 的位置處提供優(yōu)選結(jié)合位置，從而顯示高效率?？蓛?yōu)選在照射傳感器的且被設(shè)置在傳感器的第一側(cè)的激發(fā)輻射 源的最近處設(shè)置例如熒光團(tuán)的發(fā)光體，因為激發(fā)效率在該位置處是最 高的。在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，可在相對于第一側(cè)的傳感器的 第二側(cè)處執(zhí)行對發(fā)光輻射的檢測。然而，在其它優(yōu)先性較低的實(shí)施例 中，還可在該傳感器的相同的第一側(cè)執(zhí)行對發(fā)光輻射的檢測。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，多層襯底結(jié)構(gòu)可包括縫隙以及一個第 一層和一個第二層。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，多層襯底結(jié)構(gòu)可包括針孔以及一個第 一層和一個第二層。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一層可設(shè)置在第二層之上，并且可使其 最接近傳感器的設(shè)有用于照射傳感器的激發(fā)輻射源的一側(cè)。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，多層襯底結(jié)構(gòu)可包括另外的第二層， 其中第一層夾在第二層和另外的第二層之間。另外的第二層可由對發(fā) 光體顯示出比第一層的材料低的結(jié)合力的材料形成。在本發(fā)明的實(shí)施例中，傳感器可進(jìn)一步包括第二襯底結(jié)構(gòu)，該第 二襯底結(jié)構(gòu)由對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體顯示出低于第一層的第一結(jié)合 力的結(jié)合力的材料形成，并且其被設(shè)置在第一多層襯底結(jié)構(gòu)的頂上。 優(yōu)選地，第二襯底結(jié)構(gòu)的材料對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體可能基本不顯示 結(jié)合力。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，第一多層襯底結(jié)構(gòu)可位于第一平面 內(nèi)，并且可具有第一方向上的縫隙，而第二襯底結(jié)構(gòu)可位于第二平面 內(nèi)，并且可具有第二方向上的縫隙。第一平面可基本平行于第二平面， 并且第一方向可基本垂直于第二方向。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，發(fā)光傳感器可以是發(fā)光生物傳感器或者發(fā) 光化學(xué)傳感器。更具體地說，發(fā)光傳感器可以是熒光傳感器，例如熒 光生物傳感器。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，存在于傳感器的多層襯底結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔 口可具有亞波長尺寸。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的發(fā)光傳感器可進(jìn)一步包括用于照射傳感 器的激發(fā)輻射源和用于檢測所產(chǎn)生的冷光輻射的檢測器，其中所述激 發(fā)輻射源被設(shè)置在傳感器的第一側(cè)上，而所述檢測器被設(shè)置在傳感器 的第二側(cè)上，第一側(cè)和第二側(cè)彼此相反。該設(shè)置可用于執(zhí)行透射測量。 或者，可將激發(fā)輻射源和檢測器設(shè)置在傳感器的相同側(cè)上。該設(shè)置可 用于執(zhí)行反射測量。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，在上述實(shí)施例中描述的多層襯底 結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包括具有化學(xué)成分的至少一層，使得當(dāng)發(fā)光傳感器與待 檢測的流體接觸時，在發(fā)光傳感器和與傳感器接觸的流體之間不發(fā)生 反應(yīng)。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種用于制造例如發(fā)光生物傳感器或發(fā)光化 學(xué)傳感器的發(fā)光傳感器的方法，該傳感器用于檢測例如熒光團(tuán)的發(fā)光 體，其包括第一多層襯底結(jié)構(gòu)。該方法包括- 提供由對發(fā)光體具有第一結(jié)合力的第一材料形成的至少一個第 一層，_ 在該至少一個第一層上提供由對發(fā)光體具有第二結(jié)合力的第二 材料形成的至少一個第二層，第二結(jié)合力小于第一結(jié)合力，并且- 通過該至少一個第一層和該至少一個第二層提供至少一個孔口 。 根據(jù)本發(fā)明的方法導(dǎo)出發(fā)光傳感器，例如發(fā)光生物傳感器或發(fā)光化學(xué)傳感器，該傳感器在激發(fā)和檢測的結(jié)合效率為最高的位置處提供 優(yōu)選結(jié)合位置，從而顯示出高效率。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供至少一個第一層并提供至少一個第二 層的過程可包括提供第一層和兩個第二層，使得第一層被夾在這兩個 第二層之間。第一多層襯底結(jié)構(gòu)可包括位于第一平面內(nèi)的并且在第一方向上的縫隙。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法可進(jìn)一步包括在第一多層襯底 結(jié)構(gòu)之上提供位于第二平面內(nèi)并且具有在第二方向上的縫隙的第二 襯底結(jié)構(gòu)，因此第一平面基本平行于第二平面，并且第一方向基本垂 直于第二方向。


結(jié)合通過舉例的方式說明本發(fā)明的原理的附圖，由以下詳細(xì)說 明，本發(fā)明的上述以及其它特性、特征和優(yōu)點(diǎn)將會更加明顯。該說明 僅僅為了舉例而給出，其不限制本發(fā)明的范圍。以下引用的參考圖指 的是附圖。圖1說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的發(fā)光傳感器的基本原理，其用于 透射測量；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的發(fā)光傳感器的示意性透視圖； 圖3說明激發(fā)輻射和冷光輻射的檢測的結(jié)合效應(yīng)； 圖4說明根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的發(fā)光傳感器的第一實(shí)施方 式的基本原理；圖5說明根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的發(fā)光傳感器的第二實(shí)施方 式的基本原理；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的發(fā)光傳感器的示意性透視圖； 圖7說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的發(fā)光傳感器的基本原理，其用于 反射測量。在不同附圖中，相同的參考標(biāo)記指示相同或類似的元件。
具體實(shí)施方式
以下將就特定實(shí)施例并參考特定附圖對本發(fā)明進(jìn)行描述，但本發(fā) 明不限于此，而僅由權(quán)利要求限制。權(quán)利要求中的任何參考標(biāo)記都不 應(yīng)解釋為限制范圍。所描述的附圖僅僅是示意性的，而非限定性的。 在附圖中，為了說明的目的，某些元件的尺寸可能被放大，并且未按 照比例繪制。其中用于本發(fā)明的說明書和權(quán)力要求的詞語"包括"不 排除其它元件或步驟。其中當(dāng)涉及單數(shù)名詞時使用不定冠詞或定冠詞，例如"一"或"該"，如果不特別說明，這包括該名詞的復(fù)數(shù)。此外，在說明書和權(quán)利要求中的詞語第一、第二、第三等用于區(qū) 分相似元件，而對于說明順序或時序不是必需的。需要理解的是，所 使用的詞語在適當(dāng)情況下是可互換的，并且本發(fā)明中所描述的實(shí)施例 能夠以不同于在本發(fā)明中所描述或說明的順序操作。而且，說明書和權(quán)利要求中的詞語上、下、上方、下方等用于描 述性目的，而對于描述相對位置不是必需的。需要理解的是，所使用 的詞語在適當(dāng)情況下是可互換的，并且這里所描述的本發(fā)明的實(shí)施例 能夠以不同于這里所描述或說明的方向操作。本發(fā)明提供具有多孔多層襯底結(jié)構(gòu)的例如發(fā)光生物傳感器或發(fā) 光化學(xué)傳感器的發(fā)光傳感器，以及用于制造這樣的發(fā)光傳感器的方 法。下面將參考具有包括縫隙結(jié)構(gòu)從而形成多孔襯底的襯底的實(shí)施例 進(jìn)行討論。然而，需要理解的是，本發(fā)明不限于此，其也可用于孔口 結(jié)構(gòu)的情況，例如在襯底內(nèi)形成的孔、針孔、間隙或其它開口。襯底 材料的主要要求是其對于激發(fā)輻射是非透過性的，即在孔口或縫隙之 間的材料對于激發(fā)輻射是非透過性的。根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置包括至少一個待填充介質(zhì)的孔口或縫隙。不需要將該傳感器浸入介質(zhì)；還 可例如在該傳感器上噴射介質(zhì)或者將介質(zhì)噴入至少一個孔口或縫隙， 或者可用該介質(zhì)以任何其它合適的方式填充該孔口或縫隙，例如在液 態(tài)介質(zhì)的情況下使用微量吸液管。填充縫隙的介質(zhì)可以是液體或氣 體，但也可是包括至少一個待檢測的發(fā)光體顆粒的真空。根據(jù)本發(fā)明的例如發(fā)光生物傳感器或發(fā)光化學(xué)傳感器的發(fā)光傳 感器包括多層襯底結(jié)構(gòu)2，該襯底結(jié)構(gòu)包括對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體的 結(jié)合特性不同的至少兩種不同類型的材料。根據(jù)本發(fā)明，不同類型的 材料還包括同一材料的兩個表面，這兩個表面已經(jīng)過不同的表面處 理，從而產(chǎn)生不同的材料或者至少是具有至少就對發(fā)光體的結(jié)合力來 說的不同性質(zhì)的材料。對發(fā)光體的結(jié)合力的意思是材料結(jié)合發(fā)光體的 能力，換句話說就是，材料對于發(fā)光體的結(jié)合親和力或者結(jié)合概率。 這些材料應(yīng)當(dāng)為如此， 一個材料對發(fā)光體具有第一結(jié)合力，另一個材 料對發(fā)光體具有第二結(jié)合力，第一結(jié)合力高于第二結(jié)合力。例如，如果結(jié)合到第一材料的例如熒光團(tuán)的發(fā)光體的數(shù)量是結(jié)合到第二材料 的例如熒光團(tuán)的發(fā)光體的數(shù)量的十倍，這可以將發(fā)光傳感器的靈敏度 提高一個數(shù)量級。如果在兩個材料上的結(jié)合的例如熒光團(tuán)的發(fā)光體的 數(shù)量之差較大，可進(jìn)一步提高靈敏度。因此，即使在第一和第二材料之間具有較小的結(jié)合力之差，例如因子(factor) 10，也可充分提高發(fā) 光傳感器的靈敏度。優(yōu)選地，第一和第二材料之間的結(jié)合力之差可盡 可能地高。進(jìn)一步優(yōu)選地，第一材料對發(fā)光體顯示出高結(jié)合力，而第 二材料對發(fā)光體基本不顯示綿合力。通過使用根據(jù)本發(fā)明的這些實(shí)施例的多孔多層襯底結(jié)構(gòu)2，能夠 實(shí)現(xiàn)在多孔多層襯底結(jié)構(gòu)(例如線柵)內(nèi)的特定深度處結(jié)合例如熒光 團(tuán)的發(fā)光體。在整個說明書中，由線柵表示的一個例子是包括縫隙的 襯底。相對于現(xiàn)有技術(shù)中的發(fā)光傳感器，根據(jù)本發(fā)明的這些實(shí)施例的 發(fā)光傳感器的靈敏度增大。在襯底材料內(nèi)存在孔口結(jié)構(gòu)，該孔口結(jié)構(gòu)包括例如至少一個縫隙 的至少一個孔口，例如至少一個孔、間隙或任何其它種類的開口。該 至少一個孔口可具有任意適合的形狀，例如正方形、圓形、橢圓形、 矩形、多邊形等。而且，孔口可二維或三維延伸。因此，當(dāng)在進(jìn)一步 的說明中討論孔口的尺寸時，將考慮孔口的最小尺寸。襯底可包括一 組例如孔的孔口。該組孔口可以是周期性排列的例如孔的孔口，也就 是說，相鄰的孔口的中心之間的距離可相同。然而，不一定非要這樣。 相鄰的孔口之間的距離也可不同，從而形成非周期性排列。圖1中的橫截面內(nèi)示出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光傳感器的一個方面。激 發(fā)束1照射多孔多層襯底結(jié)構(gòu)2。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，多孔多層襯 底結(jié)構(gòu)2至少包括不同材料的第一和第二層第一層包括對發(fā)光體具 有第一結(jié)合力的第一材料，第二層包括對發(fā)光體具有第二結(jié)合力的第 二材料。第一結(jié)合力可高于第二結(jié)合力，反之亦然。根據(jù)本發(fā)明，多孔多層襯底結(jié)構(gòu)2包括孔口，在該孔口內(nèi)存在例 如熒光團(tuán)的發(fā)光體并且發(fā)光體結(jié)合到表面，其主要結(jié)合到對例如熒光 團(tuán)的發(fā)光體顯示出較高的結(jié)合力的層。該孔口可包括其上可結(jié)合例如 熒光團(tuán)的發(fā)光體的內(nèi)表面壁。內(nèi)表面壁，尤其是對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體顯示出較高結(jié)合力的第一材料的內(nèi)表面壁，可以包括可識別一個或 多個還被稱為分析物的所關(guān)心的目標(biāo)的表面固定配位體。這提高例如 生物傳感器或化學(xué)傳感器的傳感器的靈敏度。在必須檢測不只一個分 析物的情況下，該傳感器可包括一組不同的配位體。適合的配位體的例子可以是蛋白質(zhì)、抗體、適配體(aptamer)、肽、寡核苷酸、糖、 凝集素等。例如通過合適的表面化學(xué)反應(yīng)，可使配位體固定于有至少 一個孔口的內(nèi)表面壁，特別是對發(fā)光體顯示出高結(jié)合力的第一材料的 有至少一個孔口的內(nèi)表面壁。表面化學(xué)反應(yīng)的選取僅僅依賴于內(nèi)表面 壁的化學(xué)成分。在用激發(fā)束1照射時，孔口內(nèi)的例如熒光團(tuán)的發(fā)光體發(fā)射冷光輻 射3，例如熒光輻射，其離開孔口并且可通過檢測器4來收集。根據(jù) 本發(fā)明的實(shí)施例，檢測器4可以是例如電荷耦合裝置(CCD)或者互 補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)檢測器?；蛘?，可使用掃描方法，其中 僅獲得小的成像圖。光電二極管以這種方式收集光一定時間，從而可 獲得最佳的信噪比。這可以充分增大傳感器的靈敏度。當(dāng)孔口結(jié)構(gòu)的尺寸小于入射輻射即激發(fā)輻射的波長的一半時，該 孔口結(jié)構(gòu)幾乎不透過任何光。總之，為了不讓輻射進(jìn)入孔口，需要隱 失波，該隱失波是具有超過衍射極限的空間頻率的波。這意味著對于 填充孔口的介質(zhì)(即例如其內(nèi)浸沒傳感器的介質(zhì))的給定波長X和折 射率n，孔口的最小尺寸應(yīng)當(dāng)小于V (2n)。因此，如果使用包括寬 度小于浸液內(nèi)的衍射極限的孔口的孔口結(jié)構(gòu)，則隱失場能夠透入該孔 □。優(yōu)選地，但不限于此，孔口可具有亞波長尺寸，即多層襯底結(jié)構(gòu) 2內(nèi)的孔口可具有小于激發(fā)輻射1的波長的尺寸，優(yōu)選小于填充孔口 的介質(zhì)內(nèi)的激發(fā)輻射的波長的50%，用以獲得隱失波激發(fā)，進(jìn)一步優(yōu) 選小于填充孔口的介質(zhì)內(nèi)的波長的40%，最優(yōu)為20%。填充孔口的介 質(zhì)指的是必須研究或者必須在其中檢測目標(biāo)分子的流體。該介質(zhì)可以 是例如氣體或液體的流體。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，可通過將發(fā)光 傳感器浸入流體或者通過用例如吸液管將流體應(yīng)用于孔口而將該流 體應(yīng)用于孔口。使用具有在上述實(shí)施例中所描述的亞波長的寬度或最小尺寸的 孔口的多孔襯底的生物傳感器中可能產(chǎn)生的問題是，孔口內(nèi)產(chǎn)生的冷 光例如熒光輻射在能夠離開孔口之前，可能被強(qiáng)烈地抑制。圖1示出一個例子，其中從傳感器的第一側(cè)執(zhí)行對發(fā)光傳感器的 照射，從傳感器的第二側(cè)執(zhí)行對發(fā)光輻射的檢測，第一和第二側(cè)彼此相反。然而，需要理解的是，這只是一個例子，如圖7所示，還可在 傳感器的相同側(cè)用激發(fā)輻射照射傳感器和檢測來自傳感器的冷光輻 射。在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例中，將多孔多層襯底結(jié)構(gòu)概念應(yīng)用到 包括縫隙5的例如發(fā)光生物傳感器或發(fā)光化學(xué)傳感器的發(fā)光傳感器。 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的發(fā)光傳感器的具有縫隙5從而形 成線柵的這種多孔多層襯底結(jié)構(gòu)2的一部分。所示的多孔多層襯底結(jié) 構(gòu)2包括第一層2a和第二層2b，該第一層2a包括對例如熒光團(tuán)的 發(fā)光體具有第一結(jié)合力的第一材料，而該第二層包括對例如熒光團(tuán)的 發(fā)光體具有第二結(jié)合力的第二材料，第二結(jié)合力低于第一結(jié)合力。如 下形成該多層襯底結(jié)構(gòu)2。首先，提供由對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體具有 第一結(jié)合力的第一材料所形成的第一層2a。然后，在該第一層上形 成第二層2b，該第二層由對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體具有第二結(jié)合力的 第二材料所形成。這可通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何合適的沉積 技術(shù)實(shí)施。根據(jù)本發(fā)明，第一結(jié)合力高于第二結(jié)合力，反之亦然。優(yōu) 選地，第一和第二層之間的結(jié)合力之差應(yīng)當(dāng)至少為因子10，進(jìn)一步 優(yōu)選地，第一和第二層之間的結(jié)合力之差盡可能高。最優(yōu)選地，第一 材料對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體顯示出高結(jié)合力，而第二材料對例如熒光 團(tuán)的發(fā)光體基本不顯示結(jié)合力，反之亦然。在下一個步驟中，可穿過 多層襯底結(jié)構(gòu)2即穿過第一層2a和第二層2b提供至少一個縫隙5。 這可通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何合適的傳統(tǒng)技術(shù)來實(shí)施，例如 蝕刻。在該實(shí)施例中，假設(shè)激發(fā)束l (在圖2中未示出，但在圖l中示 出)來自多孔多層襯底結(jié)構(gòu)2的上方。在這種情況下，例如熒光團(tuán)的 發(fā)光體的優(yōu)選結(jié)合位置在發(fā)生激發(fā)輻射1的多孔多層襯底結(jié)構(gòu)2的那一側(cè)上，那么在所給例子中，是在多孔多層襯底結(jié)構(gòu)2的頂部上，設(shè) 置在該處的材料對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體具有最高的結(jié)合力。然而，如 果、激發(fā)束1來自多孔多層襯底結(jié)構(gòu)2的下方，對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體 具有第一、較高的結(jié)合力的第一層2a優(yōu)選設(shè)置在對例如熒光團(tuán)的發(fā) 光體具有第二、較低的結(jié)合力的第二層2b的下方，即與圖2所示的 結(jié)構(gòu)相反。如前所述，在圖2中給出的例子中，第一層2a可包括對例如熒 光團(tuán)的發(fā)光體具有第一、較高的結(jié)合力的材料。則第二層2b可包括 對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體具有第二、較低的結(jié)合力的材料。因此，例如 熒光團(tuán)的發(fā)光體優(yōu)選結(jié)合到多層結(jié)構(gòu)2的上半部，即結(jié)合到包括對例 如熒光團(tuán)的發(fā)光體顯示出較高的結(jié)合力的材料的第一層2a。在圖2中所給出的用于透射測量的例子中，從頂部照射縫隙5， 而檢測器在多層襯底結(jié)構(gòu)2的底部收集冷光輻射，例如熒光輻射。由 于縫隙5抑制激發(fā)輻射，所以最高激發(fā)強(qiáng)度在縫隙5的頂部。然而， 在冷光輻射達(dá)到設(shè)置有檢測器的縫隙5的底部之前，在縫隙5的頂部 產(chǎn)生的冷光輻射基本上被抑制。圖3示出如圖1和2所示的線柵傳感器的激發(fā)效率和冷光檢測效 率的結(jié)合效應(yīng)，其中從頂部照射該傳感器，而檢測器在多層襯底結(jié)構(gòu) 2的底部收集冷光輻射，例如熒光輻射。從圖3中可以看出，激發(fā)效 率(由參考標(biāo)記6所表示的曲線圖)在縫隙5的入口處(x軸的左邊) 是最高的。此外，可看出，冷光檢測效率(由參考標(biāo)記7所表示的曲 線圖)總是高于50%，并且在縫隙5的出口處(x軸的右邊)最高。 通過使激發(fā)效率(曲線6)的效應(yīng)和冷光檢測效率(曲線7)相乘可 以找到例如熒光團(tuán)的發(fā)光體優(yōu)選結(jié)合的位置，這由結(jié)合的效率曲線 (在圖3中由參考標(biāo)記8所表示)示出。結(jié)合的效率曲線8稍微偏低， 但其與激發(fā)效率曲線6相似。因此，激發(fā)和冷光檢測的結(jié)合效率給出關(guān)于例如熒光團(tuán)的發(fā)光體 是否被有效激發(fā)的信息，以及所產(chǎn)生的冷光是否能有效達(dá)到檢測器的 問題。由于該效應(yīng)，在縫隙5中將具有結(jié)合的效率是最高的位置，從 而例如熒光團(tuán)的發(fā)光體應(yīng)當(dāng)優(yōu)選結(jié)合在這些位置處。在所給出的例子中，因在縫隙5的入口處結(jié)合效率是最高的，所以例如熒光團(tuán)的發(fā)光 體優(yōu)選結(jié)合到該位置。因此，在圖2中給出的例子中，檢測冷光輻射 的效率在縫隙5的入口處是最高的，從而其離激發(fā)輻射源最近。在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例中，對傳感器例如生物傳感器應(yīng)用多 層襯底結(jié)構(gòu)方案，該傳感器包括例如針孔的孔口 9代替本發(fā)明的第一 實(shí)施例中所述的縫隙5。對于包括例如針孔的孔口 9的發(fā)光傳感器例 如發(fā)光生物傳感器而言，例如熒光團(tuán)的發(fā)光體的優(yōu)選結(jié)合位置依賴于 激發(fā)輻射1的抑制和冷光輻射3例如熒光輻射的抑制之間的平衡。因 此，難以確定例如熒光團(tuán)的發(fā)光體的優(yōu)選結(jié)合位置的位置，但一般， 多層結(jié)構(gòu)2可為如此，結(jié)合材料在孔口 9的頂部從而在激發(fā)輻射的一 側(cè)(見圖4)或者其在中間的某處(見圖5)。如果那樣，多層結(jié)構(gòu)2 可例如包括三層例如對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體具有第一結(jié)合力的材料 層2a，該層2a被夾入對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體具有第二結(jié)合力的兩個 材料層2b之間，第二結(jié)合力低于第一結(jié)合力。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例， 如圖5中所給出的例子中的情況，兩個層2b可具有相同厚度。然而， 根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，這兩個層2b可具有不同厚度。可以以與對于根據(jù)第一實(shí)施例的多層結(jié)構(gòu)2所描述的相似方式 形成根據(jù)第二實(shí)施例的多層襯底結(jié)構(gòu)2。對于在圖4中所示的多層襯 底結(jié)構(gòu)2而言，與第一實(shí)施例中所描述的方法的差別在于必須穿過多 層結(jié)構(gòu)2提供針孔9而不是縫隙5。對于在圖5中所示的多層襯底結(jié) 構(gòu)2而言，第一層2a設(shè)有對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體顯示出第一結(jié)合力 的第一材料。然后，在第一層2a的第一側(cè)和相對于第一側(cè)的第二側(cè) 上提供第二材料的第二層2b，該第二材料對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體顯 示出第二結(jié)合力，其中第二結(jié)合力小于第一結(jié)合力。在下一步中，穿 過第一層2a和第二層2b提供針孔9。在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，如根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例中所述的 多層線柵2用作襯底以形成雙線柵傳感器。線柵指的是其中具有縫隙 5的襯底。在該實(shí)施例中，發(fā)光傳感器可包括底部線柵2和頂部線柵 10。底部線柵2可包括至少第一層2a和第二層2b。在圖6中所示的 例子中，底部線柵2的上部，即在例子中所給出的第一層2a，可包括對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體顯示出高結(jié)合力的第一材料，而第二層2b 可包括對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體基本不顯示結(jié)合力的第二材料。在底部 線柵2之上提供頂部線柵10，其由對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體基本不顯 示結(jié)合力的材料形成。形成頂部線柵10的材料可與第二層2b的材料 相同。然而，在根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例中，形成頂部線柵10的材 料也可以是對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體基本不顯示結(jié)合力的其它材料?？?設(shè)置頂部線柵IO，使得頂部線柵的縫隙5位于一平面中，該平面基 本平行于其中設(shè)置了底部線柵2的縫隙5的平面，同時頂部線柵的縫 隙5的方基本上垂直于底部線柵2的縫隙5的方向?？梢砸匀缭诘谝粚?shí)施例中所描述的相同方式形成根據(jù)第三實(shí)施 例的傳感器的多層結(jié)構(gòu)2。然而，在該實(shí)施例中，可進(jìn)一步在多層襯 底結(jié)構(gòu)2之上提供頂部線柵10。這可通過用任何合適技術(shù)提供用于 在多層襯底結(jié)構(gòu)2上形成頂部線柵10的適合的材料層，并且通過隨 后在該層中提供縫隙5從而形成頂部線柵10來實(shí)現(xiàn)。在上述實(shí)施例中，假設(shè)以透射模式執(zhí)行檢測。這意味著從傳感器 的第一側(cè)用例如激發(fā)光的激發(fā)輻射照射傳感器，并且在與第一側(cè)相反 的第二側(cè)上檢測例如熒光輻射的冷光輻射。然而，根據(jù)本發(fā)明的其它的次優(yōu)選的實(shí)施例，本發(fā)明還應(yīng)用于以 反射模式檢測。這意味著也可以從傳感器的第一側(cè)用例如激發(fā)光的激 發(fā)輻射照射根據(jù)本發(fā)明的傳感器的多層結(jié)構(gòu)2，并且可在該傳感器的 相同的第一側(cè)上執(zhí)行對例如熒光輻射的冷光輻射的檢測。這在圖7中 示出。相對于以透射模式檢測，以反射模式檢測的優(yōu)點(diǎn)在于因例如激發(fā) 輻射的冷光輻射3無需完全穿過縫隙5或孔口 6，所以將有更多的例 如激發(fā)輻射的冷光輻射3能夠達(dá)到檢測器4。與以透射模式檢測相似， 例如熒光團(tuán)的發(fā)光體的優(yōu)選結(jié)合位置可在多層結(jié)構(gòu)2的頂部，即縫隙 5或孔口6的入口處。這也能從圖3看出。如圖3所示，反射模式的 多層傳感器的結(jié)合效率的效應(yīng)與透射模式的多層傳感器的效應(yīng)相似。然而，反射模式的缺點(diǎn)和相比之下透射模式更為優(yōu)選的原因在于 激發(fā)輻射1和冷光輻射3未被分離，而在亞波長縫隙5或孔口 6的情況下，當(dāng)以透射模式執(zhí)行檢測時激發(fā)輻射1和冷光輻射3被分離。因 此，當(dāng)以反射模式執(zhí)行檢測時，可能需要濾波器，例如干涉濾波器。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以以各種方法獲得形成多層襯底結(jié)構(gòu)2 的第一層2a和第二層2b所必需的結(jié)合和非結(jié)合材料。例如對于帶有負(fù)電荷的DNA而言，如果該材料具有正電荷，那么 該電荷將在DNA上產(chǎn)生將DNA引向該材料的力，增加了分子結(jié)合到該 材料表面的幾率。因此，將獲得優(yōu)選結(jié)合，從而可用于形成對例如熒 光團(tuán)的發(fā)光體顯示出較高結(jié)合力的層2a。同樣，如果該材料具有負(fù) 電荷，那么該電荷將在DNA上產(chǎn)生遠(yuǎn)離該材料的力，從而DNA將不易 于結(jié)合到該材料。因此，帶有負(fù)電荷的材料可抑制DNA和材料的結(jié)合， 從而該材料可用于形成對例如熒光團(tuán)的發(fā)光體顯示出較低結(jié)合力的 層2b。除了使用材料的"天然"電荷，還可用電壓給材料充電。為了達(dá) 到該目的，可在包括第一材料的結(jié)合層或第一層和包括第二材料的非 結(jié)合層或第二層之間插入材料的導(dǎo)電層。這使得第一材料或結(jié)合材料 上帶正電荷，第二材料或非結(jié)合材料上帶負(fù)電荷。因此，合適的材料 應(yīng)當(dāng)是導(dǎo)電的，此處可使用的材料的范例是半導(dǎo)體或金屬。還可通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)選結(jié)合。例如，有些材料容易被氧化， 而其它材料幾乎不能氧化。該效應(yīng)可用于實(shí)現(xiàn)對這些材料中的一個的 優(yōu)選結(jié)合。"Diagnostic Biosensor Polymers" ， Ed. A. M. Asmani and N. Akmal， American Chemical Society, 1994中描述了用于結(jié)合幾種生 物分子的合適材料。根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，如上述實(shí)施例中所描述的多層襯底 結(jié)構(gòu)2可包括具有化學(xué)成分的至少一層，使得當(dāng)發(fā)光傳感器與待檢測 的流體接觸時，在發(fā)光傳感器和該傳感器接觸到的流體之間不發(fā)生反 應(yīng)。優(yōu)選地，該多層襯底結(jié)構(gòu)2可包括如上述實(shí)施例中所描述的至少 一個第一層2a和至少一個第二層2b，并且在該多層結(jié)構(gòu)2之上，至 少一層可設(shè)有化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得在該至少一層和提供給傳感器的流體之間不發(fā)生反應(yīng)。在其它實(shí)施例中，多層襯底結(jié)構(gòu)2可包括如上述實(shí)施例中所描述 的至少一個第一層2a和至少一個第二層2b，并且該至少一個第一層 2a中處于提供有待檢測的流體的傳感器的那一側(cè)上的一個可具有化 學(xué)結(jié)構(gòu)，使得在該層和所提供的流體之間基本不發(fā)生反應(yīng)。需要理解的是，盡管這里對于根據(jù)本發(fā)明的裝置己經(jīng)討論了優(yōu)選 實(shí)施例、具體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造以及材料，但是可以作出各種形式上和細(xì)節(jié) 上的改變或改進(jìn)，而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1、一種發(fā)光傳感器，所述傳感器包括具有孔口(5，9)的第一多孔多層襯底結(jié)構(gòu)(2)，所述多層襯底結(jié)構(gòu)(2)包括至少一個由第一材料形成的第一層(2a)和至少一個由第二材料形成的第二層(2b)，其中所述第一材料對存在于所述孔口(5，9)內(nèi)的發(fā)光體顯示出第一結(jié)合力，而所述第二材料對存在于所述孔口(5，9)內(nèi)的發(fā)光體顯示出第二結(jié)合力，所述第二結(jié)合力小于所述第一結(jié)合力。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光傳感器，其中所述多層襯底結(jié)構(gòu) (2)包括縫隙(5)以及一個第一層(2a)和一個第二層(2b)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光傳感器，其中所述第一層(2a) 設(shè)置在所述第二層(2b)之上，其最接近所述傳感器的設(shè)有用于照射 所述傳感器的激發(fā)輻射源的一側(cè)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光傳感器，其中所述多層襯底結(jié)構(gòu) (2)包括針孔(9)以及一個第一層(2a)和一個第二層(2b)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)光傳感器，其中所述第一層(2a) 設(shè)置在所述第二層(2b)之上，其最接近所述傳感器的設(shè)有用于照射 所述傳感器的激發(fā)輻射源的一側(cè)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)光傳感器，其中所述多層襯底結(jié)構(gòu) (2)包括另一個第二層(2b)，其中所述第一層(2a)夾在所述第二層(2b)和所述另一個第二層(2b)之間。 '
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光傳感器，其中所述傳感器進(jìn)一步 包括第二襯底結(jié)構(gòu)(10)，所述第二襯底結(jié)構(gòu)(10)由對發(fā)光體基本 不顯示結(jié)合力的材料形成，所述第二多層襯底結(jié)構(gòu)(10)設(shè)置在所述第一多層襯底結(jié)構(gòu)(2)之上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)光傳感器，所述第一多層襯底結(jié)構(gòu) (2)位于第一平面內(nèi)，并且具有第一方向上的縫隙(5)，而所述第二襯底結(jié)構(gòu)(10)位于第二平面內(nèi)，并且具有第二方向上的縫隙(5)， 其中所述第一平面基本平行于所述第二平面，并且其中所述第一方向 基本垂直于所述第二方向。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光傳感器，其中所述孔口 (5， 9) 具有亞波長尺寸。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光傳感器，所述傳感器進(jìn)一步包括 用于照射所述傳感器的激發(fā)輻射源和用于檢測冷光輻射的檢測器(4)，其中所述激發(fā)輻射源設(shè)置在所述傳感器的第一側(cè)，而所述檢測 器(4)設(shè)置在所述傳感器的第二側(cè)，所述第一側(cè)和所述第二側(cè)彼此 相反。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光傳感器，所述傳感器進(jìn)一步包括 用于照射所述傳感器的激發(fā)輻射源和用于檢測冷光輻射的檢測器(4)，其中所述激發(fā)輻射源和所述檢測器(4)設(shè)置在所述傳感器的 同一側(cè)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光傳感器，包括具有化學(xué)成分的至 少一層，使得當(dāng)所述發(fā)光傳感器與待檢測的流體接觸時，在所述發(fā)光 傳感器和所述傳感器接觸到的所述流體之間不發(fā)生反應(yīng)。
13、 一種用于制造用于檢測發(fā)光體的發(fā)光傳感器的方法，所述傳 感器包括第一多層襯底結(jié)構(gòu)(2)，所述方法包括-- 提供由第一材料形成的至少一個第一層(2a)，所述第一材料對 發(fā)光體顯示出第一結(jié)合力，- 在所述至少一個第一層(2a)上提供由第二材料形成的至少一個 第二層(2b)，所述第二材料對發(fā)光體顯示出低于所述第一結(jié)合力的 第二結(jié)合力，以及- 穿過所述至少一個第一層(2a)和所述至少一個第二層(2b)提 供至少一個孔口 (5， 9)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中提供至少一個第一層(2a) 和提供至少一個第二層(2b)包括提供第一層(2a)和兩個第二層(2b)， 使得所述第一層(2a)夾在所述兩個第二層(2b)之間。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，所述第一多層襯底結(jié)構(gòu)(2) 包括位于第一平面內(nèi)并且在第一方向上的縫隙(5)，其中所述方法還 包括在所述第一多層襯底結(jié)構(gòu)(2)之上提供第二襯底結(jié)構(gòu)(10)，所 述第二襯底結(jié)構(gòu)位于第二平面內(nèi)并且具有第二方向上的縫隙(5)，使 得所述第一平面基本平行于所述第二平面，并且所述第一方向基本垂 直于所述第二方向。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光傳感器，其中所述傳感器是發(fā)光 生物傳感器。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光傳感器，其中所述發(fā)光生物傳 感器是熒光生物傳感器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包括多層結(jié)構(gòu)的例如發(fā)光生物傳感器的發(fā)光傳感器(2)。該多層結(jié)構(gòu)至少包括由第一材料形成的第一層(2a)和由第二材料形成的第二層(2b)。第一材料對發(fā)光體具有第一結(jié)合力，而第二材料對發(fā)光體具有第二結(jié)合力，第一結(jié)合力不同于第二結(jié)合力。因為在激發(fā)和檢測的結(jié)合效率是最高的位置處提供發(fā)光體的優(yōu)選結(jié)合位置，所以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光傳感器(2)顯示出高靈敏度。
文檔編號G01J1/58GK101223425SQ200680026194
公開日2008年7月16日 申請日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月18日
發(fā)明者D·J·W·克隆德, M·M·J·W·范赫佩恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司