專(zhuān)利名稱(chēng)：用于檢測(cè)亞微粒結(jié)構(gòu)的基片上的生物和化學(xué)材料的方法和系統(tǒng)的制作方法
用于檢測(cè)亞微粒結(jié)構(gòu)的基片上的生物和化學(xué)材料的方法和
系統(tǒng)
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及用于量化懸浮在或以其他方式存在于液體中然后固定在亞微粒
結(jié)構(gòu)的薄膜上的化學(xué)和生物材料的基于傳感器的方法和裝置。 如今所使用或公知的基于金屬薄膜的傳感器利用表面等離子共振(SPR)效應(yīng)。因 為表面等離子共振效應(yīng)是表面等離子的結(jié)果，表面等離子本質(zhì)上是沿著或穿過(guò)導(dǎo)電表面 (通常為金屬)的表面?zhèn)鞑サ墓獠?。這些波與導(dǎo)電材料表面上的自由電子相互作用，自由電 子又以與光波共振的形式振蕩。此共振效應(yīng)的特性取決于多種因素，這些因素可以被操縱 并測(cè)量以用于多種不同應(yīng)用。 這些傳感器中的光強(qiáng)度或波長(zhǎng)變化作為相鄰樣本的復(fù)數(shù)折射率的函數(shù)來(lái)測(cè)量。 這些傳感器廣泛地用于研究生化反應(yīng)。但是，此常規(guī)SPR技術(shù)的一個(gè)公知局限性是其相 對(duì)低的靈敏度，通常在10—3_10—5折射率單位(RIU)，雖然在一些情況中可以將靈敏度改進(jìn) 到10—6RIU。但是，對(duì)于現(xiàn)代要求高的生化應(yīng)用，約10—9RIU或更好的靈敏度是必要的。因 此，在生化傳感器中應(yīng)用了更高級(jí)的SPR技術(shù)。這種更高級(jí)的SPR技術(shù)基于古斯_漢欣
(Goos-Hanchen) (GH)效應(yīng)的應(yīng)用。在一些傳感器中，GH效應(yīng)很小且對(duì)于傳感測(cè)量無(wú)用。
在另一些傳感器中，GH效應(yīng)較為顯著并被用于改進(jìn)漸逝波(evanescentiave)傳播。
先前報(bào)告的GH SPR示范使用例如金、銀或鉑的固體金屬薄膜。這些固體金屬薄膜 的折射率(RI)分辨率據(jù)報(bào)告約為10—8RIU，雖然更好些，但是對(duì)于要求高的生化應(yīng)用來(lái)說(shuō)仍 是不夠的。還報(bào)告了不同類(lèi)型的相位檢測(cè)，包括干涉測(cè)量、外差法等。

發(fā)明內(nèi)容
—個(gè)或多個(gè)方法和系統(tǒng)實(shí)施例通過(guò)免去對(duì)基于耦合棱鏡的配置的需要并通過(guò)改 進(jìn)基于SPR的傳感器的靈敏度或檢測(cè)極限，部分地克服了現(xiàn)有GH-SPR技術(shù)的問(wèn)題。這些方 法和系統(tǒng)實(shí)施例的其中一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例在金屬薄膜上產(chǎn)生特定圖樣的亞微粒結(jié)構(gòu)。一般 為子波長(zhǎng)孔的這些傳感器陣列為光學(xué)系統(tǒng)提供先前所沒(méi)有的特性，包括但不限于超常光學(xué) 透射和譜過(guò)濾。在一些實(shí)施例中例如通過(guò)產(chǎn)生亞微粒大小的洞、柱或縫對(duì)金屬薄膜形成圖 樣增強(qiáng)了近場(chǎng)光強(qiáng)度。這些增強(qiáng)能夠較之先前可用的基于SPR的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)和生物 材料的更小變化的檢測(cè)。這些增強(qiáng)還提供自參考的能力。自參考是指校正由于諸如溫度、 壓力和光源強(qiáng)度偏移等的環(huán)境條件中不受控制的變化所導(dǎo)致的光學(xué)響應(yīng)的方式。
用于檢測(cè)生物或生化分析物的方法實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例一般可以包括如 下步驟提供包含一個(gè)或多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)的金屬薄膜；將一個(gè)或多個(gè)分析物敷設(shè)到該薄膜 表面的至少一部分以將金屬薄膜功能化；利用光源照射該金屬薄膜的表面，其中至少一些 光被功能化金屬薄膜光學(xué)偏置(optically displaced);收集光學(xué)偏置的光，其中偏置的光 指示薄膜的一個(gè)或多個(gè)表面上的表面等離子共振；以及基于收集的光來(lái)檢測(cè)分析物的一個(gè) 或多個(gè)特性。這些亞微粒結(jié)構(gòu)可以包含具有直徑小于或等于100nm的納米洞(nanohole)或 納米柱，并且還可以包含具有直徑小于或等于50nm的納米洞。納米洞的間距可以是200nm
5或更小并還可以具有100nm或更小的間距。金屬薄膜可以包含金(Au)、銀(Ag)或其他適合的金屬，并且可以介于50-250nm的厚度之間。這些分析物可以包括多種生物或生化材料，例如但不限于熒光標(biāo)記的材料。納米柱可以包括多個(gè)復(fù)合層，這些復(fù)合層根據(jù)應(yīng)用具有不同的介電特性。 根據(jù)應(yīng)用，金屬薄膜傳感器可以調(diào)適成反射或偏置光，從而產(chǎn)生小于10—8RIU的折射率分辨率。金屬薄膜可以包含隨機(jī)或預(yù)定圖樣的亞微粒結(jié)構(gòu)。金屬薄膜可以是獨(dú)立式的、完全或部分固定或以其他方式支承在基片上。基片可以包含多種材料，包括但不限于石英。
用于檢測(cè)生物或生化分析物的另一個(gè)方法實(shí)施例一般包括如下步驟提供包含一個(gè)或多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)的金屬薄膜；將一個(gè)或多個(gè)識(shí)別受體敷設(shè)到一個(gè)或多個(gè)所述亞微粒結(jié)構(gòu)；利用光源照射所述金屬薄膜的表面，其中至少一些所述光被所述金屬薄膜光學(xué)改變；收集所述光學(xué)改變的光，其中所述改變的光指示所述薄膜上的表面等離子共振；以及基于所述收集的光來(lái)檢測(cè)所述分析物的一個(gè)或多個(gè)特性。 識(shí)別受體可以包括具有能夠改變所述光的介電特性的標(biāo)簽亞微粒結(jié)構(gòu)；其中所述
收集的光可以包括透射模式的、反射模式的或透射模式和反射模式兼有的光。 傳感器中使用的標(biāo)簽可以包括金屬亞微粒結(jié)構(gòu)，以及其中所述金屬是從如下組成
的組中選擇的Au、 Al、 Ag、 Ni、 Pt、 Pd、貴金屬和在UV-VIS-IR譜范圍中有等離子共振的金
屬。該標(biāo)簽還可以包含介電亞微粒結(jié)構(gòu)，以及其中所述介電亞微粒結(jié)構(gòu)包含從Si(^和聚苯
乙烯組成的組中選擇的膠體粒子。 收集光的步驟還可以包括收集選為包含至少一個(gè)等離子帶(plasmon band)的譜范圍上的光；以及還包括使用多變量分析來(lái)分析一個(gè)或多個(gè)譜響應(yīng)的步驟，其中所述多變量分析調(diào)適成改進(jìn)所述檢測(cè)。該多變量分析可以包括同時(shí)分析共振峰值偏移、峰值強(qiáng)度、峰值加寬、峰值形狀變化和峰值畸變。 用于檢測(cè)生物或生化分析物的另一個(gè)方法實(shí)施例一般包括如下步驟提供包含多個(gè)亞微?？椎慕饘俦∧?，這些亞微粒孔包含具有至少一個(gè)開(kāi)口的亞微?？p；將一個(gè)或多個(gè)識(shí)別受體附著在至少一個(gè)納米縫的所述開(kāi)口內(nèi)以將所述縫功能化；利用光源照射所述金屬薄膜的表面，其中所述光的至少一部分被所述功能化縫光學(xué)改變；收集所述光學(xué)改變的光，其中所述改變的光指示一個(gè)或多個(gè)所述納米縫上的等離子共振；以及基于所述收集的光來(lái)檢測(cè)所述分析物的一個(gè)或多個(gè)特性。 用于檢測(cè)生物或生化分析物的一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)實(shí)施例一般可以包括具有包含一個(gè)或多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)表面的金屬薄膜；用于將一個(gè)或多個(gè)分析物敷設(shè)到該薄膜表面的至少一部分以將金屬薄膜功能化的裝置；光源，用于照射該金屬薄膜的表面，以使至少一些光調(diào)適成被功能化金屬薄膜光學(xué)偏置；以及光學(xué)檢測(cè)子系統(tǒng)，用于收集光學(xué)偏置的光，其中偏置的光指示薄膜的一個(gè)或多個(gè)表面上的表面等離子共振，以及用于基于收集的光檢測(cè)分析物的一個(gè)或多個(gè)特性。該系統(tǒng)可以調(diào)適成產(chǎn)生具有小于10—8RIU的折射率分辨率的偏置的光。相似地，這些亞微粒結(jié)構(gòu)可以包含具有直徑小于或等于100nm的納米洞或納米柱，并且還可以包含具有直徑小于或等于50nm的納米洞。納米洞的間距可以是200nm或更小并還可以具有100nm或更小的間距。該金屬薄膜可以包含金(Au)，并且可以介于40-120nm的厚度之間。這些分析物可以包括多種未標(biāo)記或標(biāo)記的生物或生化材料，例如但不限于熒光標(biāo)記的材料。納米柱可以包括多個(gè)復(fù)合層，這些復(fù)合層根據(jù)應(yīng)用可具有不同的介電特性。金屬薄膜可以包含隨機(jī)或預(yù)定圖樣的亞微粒結(jié)構(gòu)。金屬薄膜可以是獨(dú)立式的、完全或部分固定或以其他方式支承在基片上。基片可以包含多種材料，包括但不限于石英。 調(diào)適成用于分析生物和生化分析物的SPR傳感器的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例一般可以包括具有包含一個(gè)或多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)表面的金屬薄膜，其中該金屬薄膜能夠提供小于10—8RIU的折射率分辨率，以及其中該金屬薄膜具有表面等離子共振?？梢岳靡粋€(gè)或多個(gè)生物或生化分析物將該金屬薄膜功能化，以使這些分析物改變金屬薄膜的一個(gè)或多個(gè)表面的表面等離子共振。


當(dāng)參考附圖閱讀下文的詳細(xì)描述時(shí)，將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，在所有這些附圖中相似符號(hào)表示相似的部件，其中 圖1是本發(fā)明的用于檢測(cè)功能化亞微粒結(jié)構(gòu)金屬基片上的生化材料的一個(gè)方法實(shí)施例的流程圖。 圖2是本發(fā)明的用于檢測(cè)功能化亞微粒結(jié)構(gòu)金屬基片上的生化材料的系統(tǒng)的示意圖。
圖3是包含多個(gè)亞微粒大小洞的圖樣化金屬薄膜的實(shí)施例的示意圖。 圖4是包含在Au薄膜中形成的多個(gè)一般為錐形的亞微粒洞的圖樣化金屬薄膜的
實(shí)施例的俯視圖。 圖5是包含在金屬薄膜中形成的多個(gè)一般為圓形的亞微粒洞的圖樣化金屬薄膜的實(shí)施例的俯視圖，在正常SEM圖像中的A中示出和在放大的SEM圖像中的B中示出。
圖6是包含直徑約35nm和間距大小 200nm的多個(gè)一般為圓形的亞微粒洞的圖樣化金屬薄膜的實(shí)施例的俯視圖。 圖7是從透射和反射模式中兼有的圖樣化金屬薄膜的實(shí)施例取得的光測(cè)量的示意圖。 圖8示出納米洞陣列的四個(gè)實(shí)施例A)具有完全地穿過(guò)金屬薄膜延伸到基片的亞微粒洞的陣列；B)具有部分地穿過(guò)金屬薄膜延伸且在洞的底部與基片之間有余留的金屬層的亞微粒洞的陣列；C)具有完全地穿過(guò)金屬薄膜延伸的亞微粒洞的獨(dú)立式陣列(free-standing array) ;D)具有部分地穿過(guò)金屬薄膜延伸的亞微粒洞的獨(dú)立式陣列。
圖9示出納米洞陣列的兩個(gè)實(shí)施例A)具有不同深度穿過(guò)金屬薄膜附著于基片的亞微粒洞的陣列；B)具有不同深度的亞微粒洞的獨(dú)立式陣列。
圖10示出金屬薄膜中的亞微粒洞圖樣的兩個(gè)實(shí)施例。 圖11示出兩個(gè)亞微粒洞的俯視圖和生物功能化亞微粒洞陣列的三個(gè)實(shí)施例的橫截面圖。 圖12示出亞微粒島(另稱(chēng)為亞微粒柱)陣列的三個(gè)實(shí)施例A)具有亞微粒島的陣列；B)具有復(fù)合亞微粒島的陣列；C)具有多層復(fù)合亞微粒島的陣列。 圖13示出功能化亞微粒島陣列的三個(gè)實(shí)施例A)具有其上表面和側(cè)表面上功能化的亞微粒島的陣列；B)具有其上表面和側(cè)表面上功能化的復(fù)合亞微粒島的陣列；C)具有其側(cè)表面上功能化的復(fù)合亞微粒島的陣列。
7
圖14示出具有亞微粒洞的局部陣列的實(shí)施例的圖像。
圖15示出具有亞微粒洞的完整陣列的實(shí)施例的圖像。
具體實(shí)施例方式
這些方法和系統(tǒng)克服了現(xiàn)有GH-SPR技術(shù)的問(wèn)題并改進(jìn)了 SPR傳感器檢測(cè)能力。這些改進(jìn)由一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例通過(guò)在金屬薄膜上產(chǎn)生預(yù)定圖樣來(lái)部分實(shí)現(xiàn)。子波長(zhǎng)孔的陣列提供光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)良特性，例如但不限于超常光學(xué)透射和譜過(guò)濾特性。通過(guò)在金屬薄膜中或在金屬薄膜上產(chǎn)生亞微粒結(jié)構(gòu)對(duì)金屬薄膜圖樣化增強(qiáng)了近場(chǎng)光強(qiáng)度。此類(lèi)亞微粒結(jié)構(gòu)可以包括但不限于納米洞和納米柱(也稱(chēng)為納米島)。此增強(qiáng)較之未增強(qiáng)的金屬薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)在更小的尺度上對(duì)化學(xué)和生物材料中的更微小變化的檢測(cè)。納米洞是指延伸到金屬層中一般具有可定義深度和周長(zhǎng)的凹坑或洞。這些洞無(wú)需是精確地圓的，但是與狹長(zhǎng)凹槽是有所區(qū)別的。術(shù)語(yǔ)納米柱在本文中可與納米島互換，并且是指從金屬薄膜或基片的基礎(chǔ)表面向外延伸且具有可定義高度和周長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)。 在一些實(shí)施例中，亞微粒圖樣包括一般具有基本與光的波長(zhǎng)相同的直徑的多個(gè)洞或柱。但是，洞或柱的直徑最好小于或等于100nm，并更好些的話小于或等于50nm，以便實(shí)現(xiàn)足夠小以檢測(cè)非常小的生物和生化材料的特性的折射率分辨率?？梢詫⑦@些亞微粒結(jié)構(gòu)隨機(jī)地或按預(yù)定的圖樣在薄膜中圖樣化?？捎糜诳坍?huà)(delineate)這些亞微粒結(jié)構(gòu)的可應(yīng)用納米制造技術(shù)的非限制性示例包括但不限于納米光刻、納米球光刻(nanospherelithography)、離子蝕刻和本領(lǐng)域中公知的其他技術(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)給定應(yīng)用和一般地根據(jù)光波長(zhǎng)的函數(shù)來(lái)調(diào)適或以其他方式定義亞微粒結(jié)構(gòu)的直徑和空間間距。亞微粒結(jié)構(gòu)的間距最好小于或等于200nm，并更好些的話小于或等于100nm，以便實(shí)現(xiàn)足夠小以檢測(cè)非常小的生物和生化材料的特性的折射率分辨率。 用于檢測(cè)生物或生化分析物的本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例在圖1中示出，并一般包括如下步驟提供包含一個(gè)或多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)的金屬薄膜；將一個(gè)或多個(gè)分析物敷設(shè)到該薄膜表面的至少一部分以將該金屬薄膜功能化；以光源照射金屬薄膜的表面，其中至少一些光被光學(xué)偏置和收集。收集的光的量和質(zhì)量部分地取決于光學(xué)偏置的程度和光的強(qiáng)度。所收集的光指示薄膜的一個(gè)或多個(gè)表面上的表面等離子共振，(當(dāng)與平滑的金屬表面相比時(shí))這因亞微粒結(jié)構(gòu)以及分析物而被改變。然后使用檢測(cè)到的光分析和量化生物或生化分析物的一個(gè)或多個(gè)特性。這些分析物可以是單變量的或多變量的。 基于傳感器的系統(tǒng)10的實(shí)施例在圖2中示出，并一般包括具有包含一個(gè)或多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)表面的金屬薄膜16 ;用于將一個(gè)或多個(gè)分析物22敷設(shè)到薄膜表面的至少一部分以將金屬薄膜16功能化的裝置24 ;光源12，用于照射該金屬薄膜的表面，以使至少一些光調(diào)適成被功能化金屬薄膜光學(xué)偏置；光學(xué)檢測(cè)子系統(tǒng)18，所述光學(xué)檢測(cè)子系統(tǒng)18用于收集光學(xué)偏置的光，其中偏置的光指示薄膜的一個(gè)或多個(gè)表面上的表面等離子共振，以及用于基于收集的光檢測(cè)分析物的一個(gè)或多個(gè)特性。光源12可以是多個(gè)適合的光源，包括但不限于多色照明裝置和激光器。系統(tǒng)10可以包括光調(diào)制器14以將光的相位或偏振偏移。該系統(tǒng)無(wú)需包括用于敷設(shè)分析物的裝置24。在此類(lèi)實(shí)施例中，該系統(tǒng)一般包括一個(gè)或多個(gè)金屬薄膜傳感器加載入其中的照明和檢測(cè)組件，其中一個(gè)或多個(gè)分析物已經(jīng)在之前被敷設(shè)到金屬薄膜。該系統(tǒng)的實(shí)施例的任何一個(gè)可以包括一個(gè)或多個(gè)處理裝置20，用于處理從照明和檢測(cè)組件收集的數(shù)據(jù)以根據(jù)該數(shù)據(jù)生成生物和生化相關(guān)信息。 在這些方法和系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，將化學(xué)和/或生物敏感材料敷設(shè)到包
含多個(gè)隨機(jī)或預(yù)定圖樣化亞微粒結(jié)構(gòu)的金屬薄膜上。可以使用多種技術(shù)將生化敏感材料沉
積在金屬薄膜上，包括但不限于陣列化(arraying)、噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷、汽相沉積、噴鍍、
畫(huà)涂覆(drawcoating)以及本領(lǐng)域中公知的其他沉積方法。這些生物或生化材料可以是標(biāo)
記的或無(wú)標(biāo)記的。標(biāo)記的材料可以利用任何數(shù)量和類(lèi)型的標(biāo)示物和染料(例如熒光染料)
來(lái)標(biāo)記或標(biāo)示，包括但不限于細(xì)胞或形態(tài)染色劑、例如免疫組織化學(xué)染色劑和免疫細(xì)胞化
學(xué)染色劑的免疫染色齊U、細(xì)胞遺傳學(xué)染色齊U、原位雜交染色齊U、細(xì)胞化學(xué)染色劑、DNA和染色
體標(biāo)示和底物結(jié)合化驗(yàn)染色劑(substrate binding assay stains)。例如，此類(lèi)標(biāo)示和染
色劑可以包括但不限于Her2/neu、 EGF-R/erbB (表皮生長(zhǎng)因子受體)、ER(雌激素受體)、
PR(黃體酮受體)、AR(雄激素受體)、P53 (抑癌基因)、13 _聯(lián)蛋白(癌基因)、磷酸_ 13 _聯(lián)
蛋白(磷酸化形式的P-聯(lián)蛋白)、GSK3P (糖原合酶激酶-3P蛋白)、PKCP (媒介G-蛋
白結(jié)合受體)、NFK 13 (核因子卡巴B) 、Bcl-2 (B細(xì)胞淋巴瘤癌基因2) 、CyclinD (細(xì)胞周期控
制)、VEGF(血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子)、E-鈣黏著蛋白(細(xì)胞與細(xì)胞相互作用分子)、c-met (酪
氨酸激酶受體)、角蛋白、廣譜鈣黏著蛋白、平滑肌肌動(dòng)蛋白、DAPI、蘇木精、曙紅。 當(dāng)生物或生化材料敷設(shè)到金屬薄膜時(shí)，材料與金屬薄膜相互作用。此相互作用影
響薄膜的光電特性，這有效地改變金屬薄膜傳感器的SPR或折射率響應(yīng)。圖3中一般示出
納米結(jié)構(gòu)的金屬薄膜的制造。 作為一個(gè)示例，傳感器的一些實(shí)施例的洞是使用聚焦離子束銑削(FIB)系統(tǒng)(FEINOVA 200雙束FIB-SEM)而產(chǎn)生的。此系統(tǒng)的應(yīng)用提供了以 5nm精度對(duì)制造的納米洞的精確深度控制。洞之間的間距是以約5nm的分辨率來(lái)控制的。FIB工具提供了毫米級(jí)的大圖樣化區(qū)域。FIB圖樣化不會(huì)造成非期望的表面損傷。圖樣產(chǎn)生在Au薄膜中，而Au薄膜沉積在石英上。 Au薄膜厚度介于40-120nm之間。納米結(jié)構(gòu)的金屬薄膜的其它示例在圖4、5和6中示出。 圖4示出帶有在金(Au)薄膜中形成的錐形形式的納米洞32的金屬薄膜30(也稱(chēng)為陣列)。圖樣化是在50X50 ii m區(qū)域上按100nm間距執(zhí)行的。圖5A和5B示出直徑約為35nm以及 800nm間距大小的圓形納米洞42的5X5陣列40。圖5A是5X5陣列的一般SEM視圖，并且圖5B是按較大放大倍率的相同陣列的局部。圖6示出直徑約為35nm以及 200nm間距大小的圓形納米洞52的陣列50。 圖14示出帶有在金薄膜中形成的圓形形式的洞33的金屬薄膜31 (也稱(chēng)為陣列)。圖樣化是在30X30iim區(qū)域上按500nm間距和約210nm直徑 來(lái)執(zhí)行的。圖14是制造的陣列的局部的SEM圖像。 圖15示出帶有在金薄膜中形成的圓形形式的洞37的金屬薄膜35 (也稱(chēng)為陣列)。圖樣化是在30X30iim區(qū)域上按400nm間距和約180nm直徑洞來(lái)執(zhí)行的。圖15也是完整陣列的SEM圖像。此方陣列的SEM圖像是與金屬薄膜成52。斜角拍攝的。
圖7圖示了演示可以如何從納米結(jié)構(gòu)陣列60進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的透射和反射模式。該納米結(jié)構(gòu)陣列可以包含洞或島(柱)。正如所提到的，可以例如使用聚焦離子束(FIB)銑削在金屬薄膜中形成洞。柱可以例如使用納米光刻技術(shù)、化學(xué)汽相沉積、金屬濺鍍、離子蝕刻和本領(lǐng)域中公知的其他技術(shù)以在基片上形成。 圖8圖示穿過(guò)整個(gè)金屬薄膜厚度或在薄膜中有某個(gè)余留厚度的金屬而形成納米洞陣列的幾個(gè)實(shí)施例。具有納米洞陣列的這些金屬薄膜是在基片上或獨(dú)立式的。陣列70示出為納米洞72完全地穿過(guò)金屬薄膜78和粘合層74延伸。粘合層74用于將金屬薄膜78固定于基片76。基片76可以包含多個(gè)適合類(lèi)型的透射材料(例如石英)。其他有用金屬包括但不限于鋁和銀。粘合層促進(jìn)將金粘合到玻璃表面。適合粘合劑的示例包括但不限于鉻和鈦。基片材料的示例包括但不限于玻璃、石英、硅、氟化鎂、氟化鈣以及諸如聚碳酸酯、特氟綸AF和Nafion的聚合物。陣列80示出為納米洞82部分地穿過(guò)金屬層84延伸。金屬層84以相似方式固定于基片86。陣列90示出為納米洞92完全地穿過(guò)獨(dú)立式的金屬薄膜94延伸。陣列100是示出為納米洞102部分地穿過(guò)金屬薄膜104延伸的另一個(gè)獨(dú)立式的實(shí)施例。還可設(shè)想可以根據(jù)應(yīng)用將金屬薄膜部分地固定于基片上，可是部分是獨(dú)立式的。
圖9示出在金屬薄膜中以不同深度的洞形成的納米洞陣列的兩個(gè)實(shí)施例。陣列110示出為納米洞112具有進(jìn)入金屬薄膜116中的不同深度。使用粘合劑118將金屬薄膜116固定于基片114?；?14和粘合劑118可以包括多種適合的透射材料。陣列120示出為納米洞112具有進(jìn)入獨(dú)立式的金屬薄膜124中的不同深度。 圖10示出在金屬薄膜中具有不同幾何形狀的納米洞圖樣的陣列130和132的兩個(gè)示范實(shí)施例。這些圖樣和幾何形狀并非限制性的?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用使用任何適合的圖樣和幾何形狀。 圖ll示出生物功能化納米洞陣列結(jié)構(gòu)的幾個(gè)示范實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬薄膜140 (例如金)涂覆有另一種金屬146 (例如鎵)的薄層(納米厚度)。此沉積使用FIB系統(tǒng)來(lái)完成。接下來(lái)，使用FIB移除鎵金屬薄膜的區(qū)域并在金薄膜中產(chǎn)生納米洞142。因此，金納米洞具有圍繞著它的裸金薄膜的環(huán)144。此金區(qū)進(jìn)一步用于附著生物識(shí)別受體148。附著方法的一個(gè)示例是基于硫醇化學(xué)的方法。使用一種類(lèi)似的受體附著方法將受體152附著于陣列150的底部上以及將受體162附著于陣列160中的洞的側(cè)面上。
圖12示出其中納米柱由單個(gè)材料形成或包含不同或交替材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米柱(納米島)結(jié)構(gòu)的幾個(gè)示例。這些材料可以具有不同的介電特性。陣列170示出為具有多個(gè)島172。陣列180示出為具有多個(gè)復(fù)合島182。陣列190示出為具有多個(gè)復(fù)合島192，這些復(fù)合島包含多個(gè)具有不同介電特性的復(fù)合層194?？梢允褂秒娮邮饪虂?lái)產(chǎn)生柱或島。在此過(guò)程中，將輻射敏感薄膜或抗蝕劑置于掃描束電子顯微鏡的真空室中，并由電子束曝光。曝光之后，從真空室移走薄膜以進(jìn)行常規(guī)顯影和其他制作過(guò)程。此過(guò)程允許刻畫(huà)出每個(gè)納米柱的期望的形狀并提供納米級(jí)的分辨率。通過(guò)對(duì)不同薄膜層重復(fù)電子束圖樣化(曝光連同顯影)步驟，以納米精度形成多層結(jié)構(gòu)。此過(guò)程可以用于納米孔以及納米柱。
圖13示出生物功能化納米島陣列結(jié)構(gòu)的幾個(gè)示例。在一個(gè)實(shí)施例中，陣列200示出為具有在頂部和側(cè)面以生物受體204功能化的多個(gè)納米島202。陣列210示出為具有在頂部和側(cè)面以生物受體214功能化的多個(gè)復(fù)合納米島212。陣列220示出為具有在側(cè)面以生物受體224功能化的復(fù)合納米島222。 所描述的這些增強(qiáng)部分提供自參考的能力。自參考是指校正由于例如溫度、壓力和光源強(qiáng)度偏移的環(huán)境條件中不受控制的變化所導(dǎo)致的光響應(yīng)的方式。在基于檢測(cè)以單個(gè)波長(zhǎng)或以多個(gè)波長(zhǎng)的光強(qiáng)度的光學(xué)測(cè)量中，光源強(qiáng)度的波動(dòng)、檢測(cè)器的靈敏度和傳感器芯
10片的溫度不穩(wěn)定造成測(cè)量的信號(hào)中與分析物含量不相關(guān)而與這些和其他已知的噪聲源相 關(guān)的變化。 使用該方法和系統(tǒng)的增強(qiáng)，就能夠?qū)@些信號(hào)波動(dòng)的來(lái)源進(jìn)行補(bǔ)償。 一個(gè)備選方 式是基于兩個(gè)傳感器芯片的使用，其中一個(gè)單獨(dú)的芯片是利用傳感薄膜制成。另一個(gè)單獨(dú) 的芯片不是利用傳感薄膜制成。對(duì)兩個(gè)芯片均執(zhí)行測(cè)量，并使用來(lái)自參考芯片的信號(hào)校正 與分析物結(jié)合不相關(guān)的非期望影響。但是，通過(guò)使用兩個(gè)芯片，仍可能存在余留的問(wèn)題要解 決。這些芯片受到不同影響，因?yàn)樗鼈兪莾蓧K不同的芯片并暴露于樣本流的兩個(gè)不同狀況 或區(qū)域。因此，這些增強(qiáng)使單芯片能夠執(zhí)行傳感和參考兩者。例如，此類(lèi)實(shí)施例的其中之一 使用偏振干涉測(cè)量法，其中使用光的一個(gè)偏振作為參考，而使用另一個(gè)偏振來(lái)進(jìn)行傳感。
在一個(gè)或多個(gè)方法中，使用相同的芯片來(lái)進(jìn)行兩個(gè)測(cè)量，參考和傳感。在單芯片上 使用幾個(gè)間隔緊密的區(qū)域來(lái)進(jìn)行傳感和參考。 傳感和參考區(qū)域由納米縫的陣列來(lái)定義，并對(duì)應(yīng)于縫之間的不透明空間和縫本 身。例如，縫之間的空間是參考區(qū)域，而功能化縫是傳感區(qū)域。作為另一個(gè)示例，可以使用 縫之間的功能化空間作為傳感區(qū)域，以及使用縫作為參考區(qū)域。當(dāng)使用具有縫陣列的單芯 片來(lái)進(jìn)行參考和傳感時(shí)，可以使用自然偏振光或線性偏振光。用于傳感和參考的線性偏振 光具有相同或不同的偏振。 雖然本文僅圖示并描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將設(shè)想到許多 修改和更改。因此，要明白所附權(quán)利要求旨在涵蓋落在本發(fā)明真正精神內(nèi)的所有此類(lèi)修改 和更改。
權(quán)利要求
一種用于檢測(cè)生物或生化分析物的方法，包括如下步驟提供包含一個(gè)或多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)的金屬薄膜；將一個(gè)或多個(gè)分析物敷設(shè)到所述薄膜表面的至少一部分以與所述金屬薄膜相互作用；以光源照射所述金屬薄膜的表面，其中至少一些所述光被所述金屬薄膜光學(xué)改變；收集所述光學(xué)改變的光，其中所述偏置的光指示所述薄膜上的表面等離子共振；以及基于所述收集的光來(lái)檢測(cè)所述分析物的一個(gè)或多個(gè)特性。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述改變的光指示所述分析物的折射率。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述亞微粒結(jié)構(gòu)包含具有5-1500nm直徑的亞微?？住?br> 4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述亞微粒結(jié)構(gòu)包含具有5-1500nn開(kāi)口的亞微粒孔。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中多個(gè)所述孔具有200nm或更小的間距。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中多個(gè)所述孔具有100nm或更小的間距。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬薄膜是介于40-320nm厚度的Au薄膜。
8. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述亞微粒結(jié)構(gòu)包含具有小于或等于100nm的直徑 的亞微?？住?br> 9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述分析物包含熒光標(biāo)記的生物或生化材料。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述亞微粒結(jié)構(gòu)包含具有小于或等于100nm的至少 一個(gè)維度的納米柱。
11. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述亞微粒結(jié)構(gòu)包含具有小于或等于50nm的至少 一個(gè)維度的納米柱。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述分析物包含熒光標(biāo)記的生物或生化材料。
13. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中一個(gè)或多個(gè)所述納米柱包含多個(gè)復(fù)合層。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中兩個(gè)或更多個(gè)所述復(fù)合層具有彼此不同的介電特性。
15. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中多個(gè)所述亞微粒結(jié)構(gòu)具有小于200nm的間距。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中多個(gè)所述亞微粒結(jié)構(gòu)具有小于100nm的間距。
17. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬薄膜包含預(yù)定圖樣的亞微粒結(jié)構(gòu)。
18. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬薄膜設(shè)在基片上。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述基片包含石英。
20. —種用于檢測(cè)生物或生化分析物的系統(tǒng)，包括 具有包含一個(gè)或多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)表面的金屬薄膜； 用于將一個(gè)或多個(gè)分析物敷設(shè)到所述薄膜表面的至少一部分以與所述金屬薄膜相互作用的裝置；光源，用于照射所述金屬薄膜的表面，以使至少一些所述光調(diào)適成被所述金屬薄膜光 學(xué)改變；以及光學(xué)檢測(cè)子系統(tǒng)，所述光學(xué)檢測(cè)子系統(tǒng)用于收集所述光學(xué)偏置的光，其中所述偏置的 光指示所述薄膜的一個(gè)或多個(gè)所述表面上的表面等離子共振，以及用于基于所述收集的光檢測(cè)所述分析物的一個(gè)或多個(gè)特性。
21. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述亞微粒結(jié)構(gòu)包含具有小于或等于50nm的直徑 的納米洞。
22. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)所述納米洞被Au環(huán)圍繞。
23. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)所述分析物位于所述環(huán)的至少一部分上。
24. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)所述納米洞具有包含Au的內(nèi)表面，以 及其中一個(gè)或多個(gè)識(shí)別受體設(shè)在所述Au內(nèi)表面的至少一部分上。
25. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述薄膜包含未與一個(gè)或多個(gè)所述分析物相互作 用的惰性層。
26. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)具有小于或等于100nm的間距。
27. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述亞微粒結(jié)構(gòu)包含具有小于或等于50nm的至少 一個(gè)維度的納米柱。
28. 如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中多個(gè)所述亞微粒結(jié)構(gòu)具有小于或等于100nm的間距。
29. 如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)所述納米柱包含多個(gè)復(fù)合層，其中所 述復(fù)合層具有彼此不同的介電特性。
30. —種調(diào)適用于分析生物和生化分析物的傳感器，包括具有包含一個(gè)或多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)表面的金屬薄膜，其中所述金屬薄膜能 夠提供小于10—8RIU的折射率分辨率，以及其中所述金屬薄膜具有表面等離子共振。
31. 如權(quán)利要求30所述的傳感器，其中利用一個(gè)或多個(gè)生物或生化分析物將所述金屬 薄膜功能化，以使所述分析物改變所述金屬薄膜的一個(gè)或多個(gè)所述表面的所述表面等離子 共振。
32. —種用于檢測(cè)生物或生化分析物的方法，包括如下步驟 提供包含一個(gè)或多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)的金屬薄膜； 將一個(gè)或多個(gè)識(shí)別受體敷設(shè)到一個(gè)或多個(gè)所述亞微粒結(jié)構(gòu)；以光源照射所述金屬薄膜的表面，其中至少一些所述光被所述金屬薄膜光學(xué)改變； 收集所述光學(xué)改變的光，其中所述改變的光指示所述薄膜上的表面等離子共振；以及 基于所述收集的光來(lái)檢測(cè)所述分析物的一個(gè)或多個(gè)特性。
33. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述識(shí)別受體包括具有能夠改變所述光的介電特 性的標(biāo)簽亞微粒結(jié)構(gòu)。
34. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述收集的光包括透射模式的、反射模式的或兼 有透射模式和反射模式的光。
35. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中收集光的所述步驟包括收集選為包含至少一個(gè)等 離子帶的譜范圍上的光；以及還包括使用多變量分析來(lái)分析一個(gè)或多個(gè)譜響應(yīng)的步驟。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述多變量分析調(diào)適成改進(jìn)所述檢測(cè)。
37. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述多變量分析包括分析共振峰值偏移、峰值強(qiáng) 度、峰值加寬、峰值形狀變化和峰值畸變。
38. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述標(biāo)簽包括金屬亞微粒結(jié)構(gòu)，以及其中所述金屬是從如下組成的組中選擇的Au、Al、Ag、Ni、Pt、Pd、貴金屬和在UV-VIS-IR譜范圍中有等離子共振的金屬。
39. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述標(biāo)簽包含介電亞微粒結(jié)構(gòu)，以及其中所述介 電亞微粒結(jié)構(gòu)包含從Si02和聚苯乙烯組成的組中選擇的膠體粒子。
40. —種用于檢測(cè)生物或生化分析物的方法，包括如下步驟提供包含多個(gè)亞微粒孔的金屬薄膜，所述亞微?？装哂兄辽僖粋€(gè)開(kāi)口的亞微?？p；將一個(gè)或多個(gè)識(shí)別受體附著在至少一個(gè)納米縫的所述開(kāi)口內(nèi)以將所述縫功能化； 以光源照射所述金屬薄膜的表面，其中所述光的至少一部分被所述功能化縫光學(xué)改變；收集所述光學(xué)改變的光，其中所述改變的光指示一個(gè)或多個(gè)所述納米縫上的等離子共 振；以及基于所述收集的光來(lái)檢測(cè)所述分析物的一個(gè)或多個(gè)特性。
全文摘要
用于檢測(cè)生物或生化分析物的方法和系統(tǒng)一般包括具有包含一個(gè)或多個(gè)亞微粒結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)表面的金屬薄膜；用于將一個(gè)或多個(gè)分析物敷設(shè)到薄膜表面的至少一部分以與所述金屬薄膜相互作用的裝置；光源，用于照射該金屬薄膜的表面，以使至少一些光調(diào)適成被功能化金屬薄膜光學(xué)改變；以及光學(xué)檢測(cè)子系統(tǒng)，所述光學(xué)檢測(cè)子系統(tǒng)用于收集光學(xué)改變的光，其中改變的光指示薄膜上的表面等離子共振，以及用于基于收集的光檢測(cè)分析物的一個(gè)或多個(gè)特性。
文檔編號(hào)G01N33/543GK101720431SQ200880014823
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2008年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月8日
發(fā)明者E·巴拉什, K·多維登科, P·W·洛蘭, R·A·波蒂賴(lài)洛 申請(qǐng)人:通用電氣健康護(hù)理生物科學(xué)股份公司