专利名称：基于平面微谐振器的光化学传感器和光学生物传感器的制作方法
技术领域：
本发明就一般领域而言涉及光学传感器，具体地，涉及包括溶胶-凝胶光致发光谐振结构的平面微型化电光型化学传感器和生物传感器。
背景技术：
公知的光学感测装置利用基于电磁辐射的振幅、相位、频率以及偏振状态的效应(例如，见T.Hirschfeld，J.Callis和B.Kowalski，“Chemicalsensing in process analysis”，Science，vol.226(1984)312-318)。在化学传感器和生物传感器中，辐射和物质之间所有可能的相互作用(例如，散布(dispersion)(折射率)、反射(漫反射和镜面反射)、散射(拉曼(Raman))、改变透射或荧光的猝熄(quenching))已经应用于监视被分析物/传感器的相互作用。基于内部全反射和渐逝场效应(evanescent-field effect)的装置也是公知的(例如，见O.S.Wolfbeis，“Analytical chemistry with optical sensors”，Fresenius Z.Anal.Chem.，vol.325(1986)387-392)。在该领域中的大多数研发努力旨在获得具有高灵敏度和特异性(specificity)的简单且廉价的无标记型(label-free)传感器。
包含化学或生物(受体)材料(也称作“探测器(probe)”)的感光层是生物传感器系统和化学传感器系统的基本部分。由于化学传感器和生物传感器之间的差别主要在于该感光层的性质，其传感原理相同，所以今后将只提到“生物传感器”，应该明白，本发明同样也可较好地适用于化学传感器。在Kaylor等人的第20040078219号美国专利申请中可以找到近来很好的对不同类型的光学生物传感器和感测原理的评论。
具体地讲，无标记型生物传感器包括基于光栅波导的生物传感器，其中的某些传感器被商业销售(例如，见由匈牙利布达佩斯的MicroVacuum Ltd制造的OW 2400传感器芯片)。这些类型的传感器将激光束耦合到波导层中，内耦合角(in-coupling angle)对吸附分子的存在和覆盖芯片表面的介质的折射率的任何变化非常敏感。可以根据对内耦合角的精确测量(“角询问(angle interrogation)”)，灵敏地确定吸附在光栅上的材料的量。另选地，可以根据对内耦合波长的精确测量(“谱询问(spectralinterrogation)”)，灵敏地确定吸附在光栅上的材料的量。为了执行这种测量，需要可调光源，这使得这种测量复杂且昂贵。波导光栅传感器并不是以光致发光(PL)而为人所知，因此，并没有提供用于检测吸附分子的发光波长漂移(wavelength shift)。
根据角询问原理工作的双光栅传感器也是公知的(例如见I.Szendro，Proc.SPIE vol.4284(2001)pp.80-86。近来还提出了使用具有可变强度的感应型Bragg光栅的光波导的无标记型生物传感器(AV.Dotsenko et al.Sensors and Actuator B，Vol.94(2003)pp.116-121，2003)。
将谐振微腔结构(在这里也简称为微腔或微谐振器)应用于光学生物感测也是公知的。具体地，在不同的出版物(Phys.Stat.Sol.(a)vol.182，(2000)p.541；Proc.SPIE，vol.3912(2000)p.23；Comput.Phys.Vol.12，(1998)p.360；J.Am.Chem.Soc.Vol.123，(2001)p.11797；以及第20020192680号美国专利申请)中，由Chan等人公开了基于光致发光多孔硅微腔的生物传感器。Chan的装置为“容积(bulk)”装置，它包括多孔半导体结构，其包括插入上层和下层之间的中间层，上层和下层中的每个包括交替多孔的分层(stratum)；以及耦合到多孔半导体结构的一个或更多个探测器，所述一个或更多个探测器可与目标分子结合，由此，在所述一个或更多个探测器与目标分子结合时，生物传感器的折射率会发生可检测的变化。因此，这种类型的传感器是基于利用自身发射的光的谱询问的。这种结构的主要问题是，所感测的材料必须漫射到传感器容积(体积)中。因此，传感器响应慢，目标材料分子的大小被限制为比孔大小(通常在10至20nm的范围内)小得多。此外，众所周知，从多孔硅发光非常低效。
在最近的第20040223881号美国专利申请中，Cunningham等人公开了一种利用可调滤波器和可调激光器检测比色谐振光学生物传感器的波长峰值的设备和方法。通过将准直光(collimated light)引向生物传感器的表面，可在生物传感器上检测到生物分子的相互作用。通过由生物传感器反射或透射的光的波长峰值的漂移来指示结合在生物传感器的表面上的分子，波长的增加对应于分子吸附的增加。可调激光器光源可产生准直光，可调谐滤波器可接收反射或透射的光，并将该光传送到光电二极管传感器。然后，光电二极管传感器将通过可调滤波器反射或透射的光量量化为可调滤波器的调谐电压的函数。这种检测方案的主要缺点是，可调滤波器沿各方向透射不同波长。因此，如果滤波器和分光计之间的介质(比如生物细胞提取物或组织)是漫射性的，则不能进行测量。此外，这种设置复杂且昂贵。
盘谐振光子生物传感器也是公知的，例如见RW Boyd和J.E.Heebner，Applied Optics，vol.40(2001)pp.5742-5747。这些生物传感器基于高精密回音壁模盘谐振器(whispering-gallery-mode disk resonator)，并通过监测盘谐振器在生物材料落入其有源区时的传送特性的变化来工作。由于光在盘结构内的谐振再循环，光波与各病原体(pathogen)相互作用许多次，所以实现了高灵敏度。当抗体或其他结合材料的层沉积到谐振器的有源区上时，可实现所检测的物质的指认。
此外，例如在J.Scheuer和A.Yariv的第20040247008号美国专利申请中以及在相关出版物(例如，J.Scheuer等人，Proc.SPIE.vol.5333(2004)pp.183-194；WMJ.Green等人，Applied Physics Letters，vol.85，(Oct.2004)pp.3669-3671；J.Scheuer等人，Optics Letters，vol.29(Nov.2004)pp.2641-2643；J.Scheuer和A.Yariv，Physical Review E，vol.70，(Sept.2004)paper No.036603 Part2；和WMJ Green等人，J.Vac.Sci.Technol.B，vol.22，(Nov/Dec.2004)pp.3206-3210)中所公开的，径向布拉格(Bragg)环谐振器(也称作环形布拉格谐振器或ABR)也是公知的。这样的结构包括具有分布式布拉格反射器的闭环谐振器，所述分布式布拉格反射器用于约束导向芯内的光。在一个实施例中，由形成导向沟(guiding channel)(缺陷)的装置的内侧和外侧约束光，或者只由形成盘谐振器的外侧来约束光。虽然通常优选的是理想的圆形，但是谐振器可以是任何闭环形状，例如椭圆形等。布拉格反射器可以是任何类型的分布式反射器(例如，光子带隙晶体)，其中，通过介电材料中一系列的孔来构建布拉格反射器。谐振器可用于获得激光。这样的谐振器的一个限制是需要为闭环。另外，如Proc.SPIE.卷5333(2004)所报告的，以250nm InGaAsP膜制造的谐振器必须被转印并安装在蓝宝石基板上，以对它们的模进行更好的光限制，所有这些都是相当复杂和昂贵的工艺。在本申请的优先权日之前，还没有感测用ABR的使用的描述。
因此，已经意识到了对这样一种生物传感器的需要，该生物传感器灵敏并且可远程进行谱询问，具有高的特异性并且对于制造和使用而言简单便宜，具有这样的传感器是有优势的。
发明内容
本发明关于基于微谐振结构的微型化光电生物传感装置。在下文中，基于微谐振器的传感器也称作“MRBS”。具体地，可在溶胶-凝胶波导中实现根据本发明的一个或更多个MBRS装置。更具体地，在优选实施例中，根据本发明的“有源”MBRS装置包括平面光电光致发光微谐振器，该谐振器包括分布式布拉格反射器(DBR)的形式的中间部分和两个边缘反射部分。在优选实施例中，微谐振器结构是线性的。在其他实施例中，它是非线性的，例如环形。“无源”MBRS不包含光致发光材料。在两种情况下，涉及的结构都为微米级和纳米级。可通过生物化学和/或表面化学工艺在这些结构中嵌入特定目标-结合链接物(在这里也称作受体、链接物或“探测器”)。嵌入后，探测器(例如，抗体、寡聚核甘酸(oligonucleotide)、或其他生物或化学链接物)为该装置的一体部件，并用作其“前端”。在涉及伪传感器(dummy)和“真实”传感器(具有探测器)的差分测量中，没有探测器的MBRS可用作“伪传感器”。将探测器嵌入，以使它们与目标材料的特定关联改变整个装置的光学特性。该改变反映为，对从该装置发射的光的调制。调制可包括改变的谱(例如，发射的光的波长漂移或谱宽度、分布或形状的改变)。调制的程度依赖于与探测器相关联的目标材料的比率(量)。由于固定到该装置的探测器的数量是恒定的，所以发射的光的改变“报告”了目标材料的浓度。优选地在距微传感器距一定距离处执行光学读出。这种主要特性与小尺寸以及检测的强健光学方案一起使本发明的传感器理想地用于活体外和活体内应用。
在一个实施例中，具有变化周期的DBR波纹不管是否选择性地固定了探测器都可用来提高传感器特性，例如灵敏度或动态范围。
在另一实施例中，表面等离子体激元谐振(surface plasmon resonance，SPR)元件可嵌入在MBRS中。微谐振器可设计成例如具有足够宽的带宽。导电材料(例如金或银)可嵌入在该装置中，从而使得能够以特定波长激发表面等离子体激元波(SPW)。对目标材料的特定吸附可改变SPW的受激谱，因而改变了发射谱中的SPR谷值(dip)。
在又一实施例中，薄的导电片(或条)可嵌入在反射波纹中，以激发SPW。这可提高反射波纹对目标材料结合的响应，例如，提高场反射系数改变(振幅和/或相位)。
在又一实施例中，MBRS包括唯一且选择性地与目标材料相结合的特定子结构。将这些子结构设计为，使得在结合了目标材料时整个微谐振器的质量因子(Q)改变。这种以质量因子变化为中介的感测(在下文称作“QFAMS”)既可以与有源MBRS一起使用，也可以与无源MBRS一起使用。如下面进一步描述的，在有源MBRS中，Q的改变可表示(和测量)为发射谱带宽的改变(波长域)，或者表示为发射弛豫时间(relaxation time)的改变(时域)。在无源MBRS中，Q的改变可表示为利用外部光源时MBRS谱转换矩阵的改变，或者表示为用外部光源激发后弛豫时间的改变。
根据本发明，提供了一种传感器，该传感器包括基板，具有第一折射率；平面波导，形成在所述基板上，并具有大于所述第一折射率的第二折射率，所述波导包括与所述基板相对的波导表面上的至少一个微谐振器结构，所述微谐振器结构用于输出光信号，所述光信号包括对目标物质和所述微谐振器之间的相互作用的谱响应。
优选地，在所述传感器中，所述微谐振器包括由两个反射部分限定的中间部分。
优选地，在所述传感器中，各微谐振器反射部分包括DBR。
优选地，在所述传感器中，所述波导为溶胶-凝胶波导，所述传感器还包括选自于由至少一种生物目标结合材料和至少一种化学目标结合材料组成的组中的至少一个探测器，所述探测器固定到所述微谐振器结构的至少一部分。
优选地，在所述传感器中，所述微谐振器结构是线性的。
优选地，在所述微谐振器结构中，所述DBR是相同的。
优选地，在所述传感器中，所述溶胶-凝胶波导的至少一部分包含产生所述光信号的至少一种发光材料。
优选地，在所述传感器中，所述发光材料包括光致发光材料。
优选地，在所述传感器中，所述溶胶-凝胶选自于由SiO2、TiO2、SiO2/TiO2、Ta2O3以及它们的混合物组成的组。
优选地，在所述传感器中，所述DBR包括形成在所述波导中的波纹。
在一些传感器实施例中，所述波导优选地为溶胶-凝胶波导，所述微谐振器结构优选地是线性的，并包括限定中间部分的两个反射部分，所述反射部分包括形成在所述波导上的周期性微扰，其中，所述传感器还包括选自于由至少一种生物目标结合材料和至少一种化学目标结合材料组成的组中的至少一个探测器，所述探测器固定到所述微谐振器结构的至少一部分。
在一些传感器实施例中，所述微谐振器结构优选地包括至少局部被不同于溶胶-凝胶的材料的薄层覆盖的部分。
在一些传感器实施例中，所述不同于溶胶-凝胶的材料优选地包含至少一种金属。
在一些传感器实施例中，所述至少一种金属优选地包括金。
在一些传感器实施例中，优选地利用软光刻工艺在所述波导上形成所述周期性微扰。
在一些传感器实施例中，所述周期性微扰优选地包含选自于由探测器和至少一种金属组成的组中的材料。
根据本发明，提供了一种传感装置，该装置包括至少一个线性平面微谐振器结构，包括在发光波导中；以及至少一种探测器材料，结合到至少一个微谐振器结构的至少一部分，所述探测器材料用于特定地和选择性地结合到各自的目标物质，所述特定的和选择性的结合导致从所述波导发射的光的参数改变。
优选地，在所述传感装置中，各线性平面微谐振器结构包括由两个DBR限定的中间区域，所述DBR具有波纹顶部和底部，所述微谐振器具有至少一个横模。
优选地，在所述传感装置中，所述发光波导包含掺杂有光致发光(PL)材料的溶胶-凝胶材料，由此所述传感装置是有源的。
优选地，在所述传感装置中，所述波导包含溶胶-凝胶材料，由此所述传感装置是无源的。
优选地，在所述传感装置中，所述参数改变包括可测量的质量因子改变。
优选地，在所述传感装置中，所述参数改变包括可测量的谱改变。
优选地，在所述传感装置中，所述谱改变包括波长漂移。
另选地，所述传感装置还包括耦合到所述微谐振器结构的至少一个表面等离子体激元谐振(SPR)元件，其中，所述参数改变包括发射的光的谐振波长的改变。
优选地，所述至少一个横模包括N多个横模，该装置还包括与所述DBR波纹垂直的多个纵向面内波纹，所述多个纵向面内波纹用于将所述多个至少减少到N-1个。
根据本发明，在各种实施例中，提供了用于远程感测探测器和目标物质之间的相互作用的光学传感方法，该方法包括以下步骤设置与发光波导耦合的一个或更多个平面微谐振器，所述微谐振器中的至少一个具有至少结合到微谐振器表面的一部分的至少一个探测器；进行所述探测器和目标物质之间的特定的和选择性的结合；对所述波导远程泵浦，从而使得从所述波导发射的穿过所述微谐振器的至少一部分的光的参数改变；以及远程读取所述参数改变。
优选地，在一些方法实施例中，设置至少一个平面微谐振器的步骤包括设置线性平面微谐振器。
优选地，在一些方法实施例中，读取所述参数改变的步骤包括读取谱改变。
优选地，在一些方法实施例中，读取所述参数改变的步骤包括读取波长漂移。
优选地，在一些方法实施例中，读取所述参数改变的步骤包括读取质量因子改变。
优选地，在一些方法实施例中，读取质量因子改变的步骤包括读取从由发射谱带宽改变和发射弛豫时间改变组成的组中选出的改变。
优选地，在一些方法实施例中，设置至少一个线性平面微谐振器的步骤包括设置至少两个微谐振器，至少一个微谐振器具有至少结合到微谐振器的一部分的至少一个探测器，而至少另一微谐振器没有探测器，并且其中，远程读取所述参数改变的步骤包括差分地读取所述参数改变。
本发明的传感器的有益特点是，通过PL材料的光学泵浦优选地提供了该装置所消耗的能量。因此，能量源可远离该装置。在一些实施例中，通过发射的光的波长分布对传感器输出进行编码，通过所述光的远程谱询问进行读出。可使用各种远程读取器，包括分光计、单色仪加检测器，或者适当地设计的与检测器协作的波长滤波器。由于谱询问的强健性质，所以在一些星座图(constellation)中，远程读取可能不需要极其精确的定位(基于强度的测量通常需要极其精确的定位)。此外，一些系统参数的改变、实际使用中不可避免的改变不会影响读出。所述参数可包括传感器和分光计之间的距离、表皮颜色/透明度的污垢或改变(针对活体内的使用)、湿度、灰尘、或者读取系统与最佳位置和方向的某些偏差。对于被漫射介质散射的光，谱询问也比角度询问欠灵敏得多。
在这里参照附图，仅通过示例的方式，描述了本发明，在附图中图1示意性地示出了根据本发明的基于线性波导的MBRS的优选实施例；
图2示出了选择性DBR顶部受体结合方案；图3示意性地示出了可“构建”在波导表面顶上的微扰(a)通过示例性地将薄受体物质微压印(micro-stamp)在波导上；(b)通过(例如通过光刻和/或剥离(liftoff)工艺)预先限定涂覆有专门结合探测器的某种物质的区域；图4a示例性地示出了通过结合微压刻(micro-emboss)和微压印工艺获得的光栅结构；图4b示出了构造用于SPR/SPW感测的微谐振器的实施例；图5示出了(a)原子力显微镜(AFMA)表面形貌(topography)扫描的在我们的实验室中制造的微谐振器装置的3D图像；(b)纳米级光栅格子的缩放；(c)纳米级光栅格子的剖面图；图6示出了半幅全宽(FWHM)为8nm的仿真光栅的功率反射系数；图7示出了图6的仿真光栅的场反射系数的相位；图8示出了针对632.8nm的工作波长而设计的微谐振器在4nm厚蛋白质层的仿真吸附之前和之后的发射谱，所述仿真吸附使模的有效折射率改变了10-3；图9示出了响应于4nm厚的蛋白质层的结合的功率反射系数R的改变；图10示出了在我们的实验室中制造的溶胶-凝胶波导的测得的光致发光谱；以及图11示出了用于生物素化传感器的硅表面的示例性过程。
具体实施例方式
图1a至图1c示意性地示出了根据本发明的线性MBRS 100的优选实施例。MBRS包括折射率为n2、厚度为t的导向层(波导)102，该导向层形成在具有较小折射率n3的基板104上。在波导102内形成的平面微型谐振结构105包括由反射光栅或DBR 108限定的长度为Lin的中间部分106。DBR代表层102的轮廓中的微扰(perturbation)，并被设计成支持谐振电磁模的反射，这将在下面的模型中更详细地说明。各DBR具有波纹(corrugation)结构，其参数由周期Λ和波纹深度a限定，波纹深度a限定了波纹顶部110和波纹底部112之间的距离。光栅结构和整个波导在与基板相对的一面与折射率为n1的上层(superstrate)114介质面对。
波导层102优选地由包含(但不限于)SiO2、TiO2、SiO2/TiO2、Ta2O3以及它们的混合物的溶胶-凝胶材料制成。另选地，波导102可由诸如聚合物或半导体材料的其他材料制成。当波导102由溶胶-凝胶制成时，可利用公知的溶胶-凝胶技术(见下面详细的示例)来制备层102。在根据本发明的“有源”传感器实施例中，溶胶-凝胶层102优选地包含PL材料(诸如钕(Nd)或铒(Er)，可能共掺杂有铝(Al)或其他材料)，或者有机模，诸如罗丹明6G(Rhodamine 6G，已知其提供非常强的光放大(例如见I.Finkelstein等人，Opt.Mater.vol.7(1997)，p.9))。后者对于提供良好的总信噪比是重要的。PL材料可嵌入整个谐振器(包括波导体)、只嵌入无波纹中间部分106或只嵌入DBR区域。因此，波导102包括展开的可光泵浦的PL源，从而，无论何时达到粒子数反转(population inversion)，都可获得自发发射和/或受激发射。
可通过以下各种技术形成溶胶-凝胶材料中的DBR压刻(embossing)，如I.Szendro，Proc.SPIE，vol.4284(2001)pp.80-86中所描述的；其他的软光刻(soft lithography)技术，如Y.Xia和G.M.Whitesides，Ann.Rev.Mater.Science，vol.28(1998)pp.153-184中所描述的；或者如我们的实验室所进行的光栅结构的光刻和蚀刻，如图5所示。
如图1d所示，为了减少横模的数量，(并且在某些条件下，为了实现单横模激光操作)可沿着z轴设置纵向波纹116。参考在下面模型中详细讨论的谐振器参数，波纹116之间的典型距离为几微米至大约10微米的数量级。典型波纹116的槽宽为几百纳米及以上的数量级，而典型波纹的深度为大约一百纳米及以上。相对于经典的平面波导，波纹116的添加略微地改变了传播常数β(见下面的模型)。可以例如利用公知的有效折射率法(effective index method)来容易地计算该改变。另选地，通过增加DBR衍射损失，例如通过利用窄DBR来接近大Lin，可避免高横模。
探测器(生物受体或化学链接物(chemical linker))可通过整个谐振器结构与传感器结合(“整个谐振器结合”)或只通过DBR部分与传感器结合(“选择性结合”)。结合到DBR可包括结合到所有DBR波纹表面(即，顶部和底部两者)，以下称为“全DBR结合”；选择性地结合到DBR波纹顶部(“选择性DBR顶部结合”)或结合到DBR底部(“选择性DBR底部结合”)；或者，进一步选择性地仅结合到某些波纹顶部或底部(“选择性部分DBR结合”)，例如结合到每个第二DBR周期或顶部或底部。图2示出了这种选择性DBR顶部结合方案。
目标材料分子对结构105和/或中间部分106和/或DBR 108上的探测器的特性吸附(specific adsorption)(例如通过与渐逝场的相互作用)会改变作为光频率的函数的传播常数β。这导致谐振的谱特性的改变。可通过适当地设计波导剖面(waveguide profile)以及DBR的微扰参数，来使谐振波长和线宽成形。这允许最优化MBRS对目标材料吸附的灵敏度。
另选地，如图3a至图3b所示，通过(a)利用探测器自身(例如通过微压印)或(b)结合到附加层118的受体(例如链接物或金属)，可将波纹型微扰直接形成在平坦的波导表面上。将这些“构建”的波纹型微扰设计成支持反射，即，用作DBR。在图3b中，链接物或金属(例如，金)层可首先以需要的厚度均匀淀积在波导上，然后对该层构图并蚀刻以产生波纹图案(也称作金属条)。例如，H.Zhang等人在Nano Ltters Vol.3(1)，pp.43-45，2003中描述了适合的工艺。另选地，利用剥离技术形成金条。另选地，可在现有(预先形成的)DBR波纹顶部或底部上形成金层。对本领域的技术人员显而易见的是，可在预先形成的DBR波纹的所有顶部、所有底部、顶部和底部两者或者仅选择的顶部和/或底部上选择性地形成这样的薄金条。此外，金属层可以包括多于一种的金属，例如首先是铬，然后铬上面是金。可将金属层制得极薄(纳米级)从而对波导中的电磁波传播的影响小。如S.Busse等人在Sensors and Actuators B，vol.60(1999)p.148-154中所描述的，例如通过公知的硫醇-金键合(thiol-gold bonding)的化学性质，金条可用于直接与生物分子结合。因此，这些金条可用来限定传感器表面上的特定区域，然后探测器会只结合到该特定区域。也可使用金之外的具有合适的化学性质的材料。
结合到探测器的专用的目标材料提供的效果类似于添加了具有有效折射率的目标材料的层。在选择性DBR顶部结合的情况下，这扩大了波纹的有效深度，因此提高了DBR反射率。在选择性DBR底部结合的情况下，这减小了波纹有效深度，因此降低了DBR反射率。将在下面的模型中详细地示出这些效果。
图4a示例性地示出了可通过结合微压刻和微压印工艺而获得的光栅结构。首先利用第一材料在波导层上形成DBR，随后用生物受体或链接物仅压印交替的DBR部位(波纹顶部110)，产生具有交替的结合部位的DBR结构。如QFAMS机制中所解释的，这种交替的结合方案有望进一步提高MBRS的灵敏度。然而，另选地，可以利用第一材料(例如，通过压印)在波导表面上构建波纹齿，接着通过另一压印工艺将探测器结合在所述齿的顶部。
图4b示出了构造用于SPR/SPW感测的微谐振器的实施例。该传感器包括至少一个SPR元件120，所述SPR元件120以薄金属条的形式连接到微谐振器的中间部分并平行于DBR波纹。SPR元件提供用于感测的其他机制。如果在金属条的上表面发生任何改变，则将SPR元件添加到波导结构的一部分会改变导向光的传播常数(J.Dostalek等人，Sensors andActuators B，vol.76(2001)pp.8-12)。传播常数的改变将导致该结构发射的谐振波长的改变及其线宽两者的改变。
在图2、图3和图4a中的实施例中，如下面所解释的，DBR反射率的改变造成整个谐振器的Q的改变。以质量因子改变为中介的感测(即QFAMS)既可应用于有源MBRS又可应用于无源MBRS。如下面参照等式17与等式20-22所解释的，可利用许多不同的方法执行QFAMS。在有源MBRS中，Q的改变可表示(测量)为发射谱带宽的改变(频域)(例如，见W.Koechner，Solid-State Laser Engineering，4th.Ed.p.83 Springer，1996)，或者表示为发射的弛豫时间的改变(时域)(例如，见D.Hofstetter和R.L.Thoronton Proc.SPIE，vol.3285(1998)pp.66-77)。在无源MBRS中，Q的改变可表示为使用外部光源时透射或反射系数的谱的改变，或者表示为用外部光源激发之后的光子弛豫时间的改变。
此外，图2、图3和图4a中示出的结合方案可用于(在结合目标材料后)改变电磁波穿透进入DBR结构中的有效深度，从而改变谐振器的有效深度。因此，改变了在DBR反射处较高的横模衍射损失，改变了针对这些模的谐振器振荡条件。通过菲涅耳数(Fresnel number)给定针对谐振器中横(侧)模的量的公知估计(1)d2/λL其中，d为谐振器宽度(在我们的情况下，近似为DBR宽度)，λ为波长，L为谐振器长度。该改变反映为每个纵模序(mode order)的振荡横模的数量减少。在各纵序的横向峰(transverse peak)被谱附着的情况下，前述现象导致各纵向谐振峰的谱带宽的改变。后面的两个效果可用作传感器读出。
图5(a)示出了原子力显微镜(AFM)表面形貌扫描的微谐振器装置的3D图像，该微谐振器装置包括由两个纳米级光栅格子(DBR)定界的中间部分。在我们的实验室中，利用PMMA调节的电子束光刻，接着通过反应离子蚀刻，在包含罗丹明6G激光染料的溶胶-凝胶波导中制造该装置。图5(b)示出了DBR波纹的细节，图5(c)示出了DBR波纹的AFM剖面。
在以下模型的帮助下进一步解释本发明的有源MBRS的优选实施例的谱询问感测原理。
物理模型、数学公式和计算机仿真如所提到的，在有源MBRS实施例(例如，图1的实施例)中，通过对波导中的PL材料进行外部光泵浦进行能量转换。通过对各介质中的波动方程(wave equation)求解并通过要求适当的场分量的连续性，我们得出本征值方程(给出了TE的情况，TM是相似的)(2)---tg(hmt)=pm+qmhm(1-pmqm/hm2);]]>其中，解答场函数(solution field function)为(3)---Eym=Eym(x)e-iβmz+iωt′;]]>βm为模m的传播常数，hm、qm、pm、定义如下
(4)---hm=n22k02-βm2;]]>qm=βm2-n12k02;]]>pm=βm2-n32k02;]]>k0＝2π/λ0＝ω/c0，c0为光的真空速度，ω为光频率，t′代表时间依赖性，t为导向层厚度，Ey(x)函数为(5)---Eym(x)={cme-qmx0≤x≤∞cm(cos(hmx)-qm/hmsin(hmx))-t≤x≤0cm(cos(hmt)-qm/hmsin(hmt))epm(x+1)-∞≤x≤-t;]]>其中，cm为第m模归一化系数，由下式给出(6)---cm=2hmωμ|βm|(t+1/qm+1/pm)(hm2+qm2)]]>将波纹称为作为x和z的函数的折射率中的周期性微扰，并对函数z依赖进行泰勒展开(7)---Δt2(x,z)=Δn(x)Σq=-∞∞aqei(2qπ/Λ)z]]>利用耦合模的微扰理论(A.Yariv，“Optical Electronics in ModernCommunications”，Oxford University Press，1997)，可以得到后向传播的第m模和前向传播的第m模之间的耦合(其振幅分别由Am-和Am+指定) 其中，l为展开阶次，针对该阶次实现相位匹配条件(9)2lπ/Λ-2βm≈0。
在Yariv参考文献(例如，在第492页)中会找到没有在这里显式定义的项。可以忽略不符合相位匹配条件的其余展开项，这是因为其贡献将以振荡的方式引起并减小振幅，从而其耦合贡献平均为零。因为所述其余展开项偏离同步处的距离相对短，所以它们的偏差变化小。对于波纹，折射率微扰(index perturbation)的z函数为周期性阶跃函数。因此，
以及 如果选择针对第一阶(q＝1)进行设计，则(12)---km-m=ωϵ04π∫-∞∞Δn2(x)Eym2(x)dx]]>=ωϵ04π(n12-n22)∫-a0cm2(cos(hmx)-qm/hmsin(hmx))2dx]]>相同的处理支持从后向传播模到前向传播模的能量耦合。因此，基本具有了一组这两个耦合模的方程(13)---dAm-/dz=km-mAm+e-i2Δβz]]>和dAm+/dz=km-m*Am-e+i2Δβz]]>其中，定义(14)Δβm＝βm-π/Λ对于在z＝0处起始的总波纹光栅长度L，幅度为Am+(0)的模态波(modal wave)进入至其，该组耦合模方程的解为(15)---Am-(z)eiβmz=Am+(0)ikm-meiβ0z-Δβmsinh(sL)+iscosh(sL)sinh(s(z-L))]]>和(16)---Am+(z)e-iβmz=Am+(0)e-iβ0z-Δβmsinh(sL)+iscosh(sL){Δβmsinh(s(z-L))+iscosh(s(z-L))}]]>其中S≡|km-m|2-(Δβm)2]]>因此，反射系数项为
(17)---ρm(λ)=Am-(0)Am+(0)=-ikm-msinh(|km-m|2-(Δβm)2L)-Δβmsinh(|km-m|2-(Δβm)2L)+i|km-m|2-(Δβm)2cosh(|km-m|2-(Δβm)2L).]]>因此，总场为具有其回声的无穷级数的自发/受激的发射空间谱分量的自干涉。如果分别用ρ1、τ1和ρ2、τ2表示DBR1和DBR2的反射系数和透射系数，用Lin表示DBR之间的内谐振器长度，则可用公式表示DBR2的外表面的总场的数学表达式(18)---Eout(ω)=Es(ω)e-iωtτ2(ω)eiβ(Lin-z)[1+ρ1(ω)eiβ2z1-ρ1(ω)ρ2(ω)eiβ1Lin]]]>其中，z为发射PL源的位置(z轴起点位于DBR1的内表面)。对于只有自发发射的情况，为了包括装置中的PL源展开的所有自发发射贡献，在假定不同的源之间绝对不相干的情况下，在功率电平下进行整合。
微谐振器的谱转换函数为了执行前述的计算，写出Matlab代码。给定波导的参数，为了生成波导谐振器的非常精确的谱计算，代码针对大量波长，数值查找作为λ的函数的传播系数β(和有效折射率)。代码接受运算的期望中间波长λ0作为参数。然后计算其各自的传播系数β0，结果，通过相位匹配β0＝π/Λ的要求找到波纹周期Λ。最后，将场反射系数和谐振器谱转换函数作为波长的函数进行数值计算。在取值范围内对所有的样本波长以特定方式进行这些计算。为了精确起见，在各波长计算点处，针对该特定的波长重新计算耦合系数Km-m。
用Matlab代码来运行整个传感器行为的仿真。假设上层的折射率为1.333(水溶液)，溶胶-凝胶波导的折射率为1.75，基板的折射率为1.47(硼硅酸玻璃(Pyrex glass))。导向模的有效折射率用neff表示，吸附层厚度用dad表示。已经示出，在导向层厚度为剪切厚度的1.5-2倍时实现最大灵敏度(neff/dad)max[见W.Lukosz和K.Tiefenthaler，Sensors andActuators，vol.15，pp.273-284，1998]。在该架构下，对折射率约为1.45的蛋白质层的吸附导致每1nm吸附层有效折射率改变Δneff～2.5×10-4。因此，对于4nm厚的吸附层，Δneff～10-3。因此，在仿真中使用200nm厚的波导。通过谱询问考量来管理微谐振器的其他参数的设计示例性地，将微谐振器的线宽设计为0.5nm的数量级。将波纹深度设计为波导总厚度的0.2(即a/t＝0.2)，光栅之间的微谐振器长度为6.01微米，光栅周期数为50。
图6示出了该光栅的功率反射系数，图7示出了场反射系数的相位。功率反射系数具有8nm的半幅全宽(FWHM)。图8示出了整个微谐振器的发射谱，该发射谱是针对632.8nm的工作波长而设计的。如所看到的，FWHM为0.6nm。图8还示出了在吸附了4nm厚的蛋白质层之后微谐振器的发射谱(在633.4nm处)。例如通过谱分析仪可精确地测得谐振峰的0.6nm的谱移。
利用作为波纹参数的函数的场反射系数、几何形状、等式(17)，功率反射系数R＝ρm2可用来评估谐振器质量因子Q(20)---Q=2π[1-exp(-T0/τc)]-1≈2πτcT0=ω0τc]]>其中，由下式给出光子腔寿命τc用于阈值运算(21)---τc=2lneffc[ln(R1R2)-1+2al]-1.]]>l为腔长度，a表示谐振器中的总损失，ω0为光学角频率。T0为对应的时间周期，R1、R2为DBR的功率反射系数。在其他运算条件下，τc关于功率反射系数的函数依赖会稍微有所不同。
图9示出了R响应于将4nm厚的蛋白质层结合到200nm厚的波导的改变，所述波导的基板折射率n3＝1.44(熔融硅石)，导向层折射率n2＝1.81(溶胶-凝胶)，上层折射率n1＝1.33(水)。DBR具有600个周期，波纹深度为3nm。可以看出，R从结合之前的0.54的值(图9(a))急剧地改变为结合之后的0.925的值(图9(b))。这进而改变了整个谐振器的Q因子，如上面的等式(20)和(21)中所解释的。Q还与谐振器带宽相关(22)Q≈2πω0/Δω0其中，Δω0为光学带宽。利用上面提到的方法，Q因子的改变可用来感测有源MRBS和无源MRBS。
传感器制造示例溶胶-凝胶波导制造工艺利用溶胶-凝胶技术制造本发明使用的钛白-硅石(Titania-silica)波导。溶胶-凝胶工艺基于通过有机金属化合物在酒精环境中的水解和缩聚反应而形成的无机聚合。研究最多的系统是硅醇盐(silicon-alkoxide)的聚合。
nSi(OR)4+4nH2O→nSi(OH)4+4nROH水解nSi(OR)4→SinO2n+2nH2O缩聚在优选实施例中，前体(precursor)为乙醇、乙酸、钛乙醇盐(titaniumethoxide)和GLYMO((3-环氧丙氧基丙基)三甲氧基硅烷)。例如在Appli.Phys.Lett.63(24)1993中Y.Sorek等人描述了这种反应系统。将前体溶液回流2-4小时，同时发生以下反应Ti(OEt)4+CH3COOH→CH3COOTi(OEt)3+EtOHCH3COOH+C2H5OH→CH3COOC2H5+H2OTi(OEt)4+4H2O→Ti(OH)4+4EtOHR-Si(OCH)3+3H2O→R-Si(OH)3+3CH3O向这个化学反应系统中加入PL材料(例如，共掺杂有Al2O3的Nd2O3或罗丹明6G染料)，然后过滤并冷却该溶液。准备好进行旋涂和固化的产品溶液可储存多个星期而不会使层的质量劣化。
将波导设计成具有高折射率且薄，使得其功率填充(power-filling)因子减小，同时仍支持导向模。在这些条件下，上层中的渐逝场承载模的光功率的较大部分。因此，该渐逝场提高了模传播系数对上层的折射率改变的灵敏度，具体地，提高了生物分子(或其他目标材料)的层的吸附。我们实验室制造的溶胶-凝胶波导具有如椭率计(ellipsometer)所测得的1.83的高折射率。
图10示出了根据上面详述的工艺制造的溶胶-凝胶波导的测得的PL谱。波导掺杂有1％的Nd+3离子并共掺杂有10％的Al+3离子，用810nm的激光二极管进行光泵浦。
生物受体到装置的固定图11示出了用于生物素化(biotinylate)传感器的硅表面的示例性过程。典型过程包括通过在室温下在1％的硅烷的酸性溶液中浸渍30分钟，在硅表面上形成N-2-氨基乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷(ADE)膜。随后冲洗表面，并将表面加热到120°保持3分钟，从而得到硅烷的共价缩聚物。在干燥DMSO条件下，将硅烷膜浸渍在1mM生物素-N-羟基琥珀酰亚胺酯(NHS-生物素)中。NHS-生物素随后与ADE的伯胺(primaryamine)反应。
总的来说，本发明公开了在平面溶胶-凝胶波导中制造的平面微谐振传感器。在一些实施例中，溶胶-凝胶可掺杂PL材料。与Chan公开的微谐振容积传感器(其中目标材料必须通过长而窄(10nm)的纳米通道散射到传感器的容积中)相比，在我们的传感器中，目标材料吸附在传感器表面上。因此，我们的传感器的响应快，绝对没有关于目标材料分子大小的限制。
虽然已经参照有限数量的实施例描述了本发明，但是应该明白，可对本发明进行许多变化、修改和其他应用。具体地，本领域的技术人员应该明白，多于一个的微谐振器可形成在具有波导的基板上。与MBRS相同但缺少受体(探测器)层的一个或更多个参考伪微谐振器可以与一个或更多个MBRS结合使用，以提供差分谱询问或Q测量。这种差分测量可消除例如可能由生物污垢引起的所有产物(artifact)(对于活体内测量)。可用公知系统(未在图中示出)进行发光谱测量，所述公知系统包括光泵浦机制(例如，激光)和远程光学读取器(例如，分光计、单色仪/检测器组合、或适当地设计的与检测器协作的波长滤波器)，这两者均耦合到传感器或传感器和伪传感器的组合。在本发明的范围内，还预想了MBRS阵列和测量(发射的光的谱询问和Q测量)，其中，利用具有不同探测器的传感器的阵列检测多于一个的目标物质。
已经参照线性平面微谐振器实施例详细描述了本发明的传感器。本领域的技术人员应该明白，基于包括环形(例如由Scheuer等人所描述的)、椭圆形、多镜型和其他稳定或不稳定的谐振结构的非线性配置，可制得相似的传感器。传感器可以基于无源型谐振器(即，作为感测作用的结果，改变透射或反射谱的响应)或有源型谐振器(包括PL材料)，允许通过监测装置的发射谱的改变来感测。优选地，均可从上层侧进行光泵浦和光学监测。
本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请通过引用全部包含于本说明书中，等同于如同各单个出版物、专利或专利申请详细且单独地通过引用包含于此。此外，本申请中的任一参考的引用或识别不应被解释为承认这些参考可用作本发明的现有技术。
权利要求
1.一种传感器，该传感器包括a.基板，具有第一折射率；以及b.平面波导，形成在所述基板上，并具有大于所述第一折射率的第二折射率，所述波导包括在与所述基板相对的波导表面上的至少一个微谐振器结构，所述微谐振器结构用于输出光信号，所述光信号包括对目标物质和所述微谐振器之间的相互作用的谱响应。
2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述微谐振器包括由两个反射部分限定的中间部分。
3.如权利要求2所述的传感器，其中，各反射部分包括分布式Bragg反射器。
4.如权利要求2所述的传感器，其中，所述波导包括溶胶-凝胶波导，所述传感器还包括c.至少一个探测器，选自于由至少一种生物目标结合材料和至少一种化学目标结合材料组成的组，所述探测器固定到所述微谐振器结构的至少一部分。
5.如权利要求2所述的传感器，其中，所述微谐振器结构是线性的。
6.如权利要求3所述的传感器，其中，所述分布式Bragg反射器是相同的。
7.如权利要求4所述的传感器，其中，所述溶胶-凝胶波导的至少一部分包含产生所述光信号的至少一种发光材料。
8.如权利要求7所述的传感器，其中，所述发光材料包括光致发光(PL)材料。
9.如权利要求4所述的传感器，其中，所述溶胶-凝胶选自于由SiO2、TiO2、SiO2/TiO2、Ta2O3以及它们的混合物组成的组。
10.如权利要求3所述的传感器，其中，所述分布式Bragg反射器包括形成在所述波导中的波纹。
11.如权利要求1所述的传感器，其中，所述微谐振器结构是线性的，并包括限定中间部分的两个反射部分，所述反射部分包括形成在所述波导上的周期性微扰，并且其中，所述波导包括溶胶-凝胶波导，所述传感器还包括c.至少一个探测器，选自于由至少一种生物目标结合材料和至少一种化学目标结合材料组成的组，所述探测器固定到所述微谐振器结构的至少一部分。
12.如权利要求4所述的传感器，其中，所述微谐振器结构包括至少局部被不同于所述溶胶-凝胶的材料的薄层所覆盖的部分。
13.如权利要求12所述的传感器，其中，所述不同于溶胶-凝胶的材料包含至少一种金属。
14.如权利要求13所述的传感器，其中，所述至少一种金属包括金。
15.如权利要求11所述的传感器，其中，利用软光刻工艺在所述波导上形成所述周期性微扰。
16.如权利要求11所述的传感器，其中，所述周期性微扰包含选自于由所述探测器和至少一种金属组成的组中的材料。
17.一种传感装置，该装置包括a.至少一个线性平面微谐振器结构，包括在发光波导中；以及b.至少一种探测器材料，结合到至少一个微谐振器结构的至少一部分，所述探测器材料用于特定地并选择性地与各自的目标物质相结合，所述明确和选择性的结合导致从所述波导发射的光的参数改变。
18.如权利要求17所述的传感装置，其中，各线性平面微谐振器结构包括由两个分布式Bragg反射器限定的中间区域，所述分布式Bragg反射器具有波纹顶部和底部，所述微谐振器具有至少一个横模。
19.如权利要求18所述的传感装置，其中，所述发光波导包含掺杂有光致发光(PL)材料的溶胶-凝胶材料，由此所述传感装置是有源的。
20.如权利要求18所述的传感装置，其中，所述波导包含溶胶-凝胶材料，由此所述传感装置是无源的。
21.如权利要求19所述的传感装置，其中，所述参数改变包括可测量的质量因子(Q)改变。
22.如权利要求19所述的传感装置，其中，所述参数改变包括可测量的谱改变。
23.如权利要求22所述的传感装置，其中，所述谱改变包括波长漂移。
24.如权利要求20所述的传感装置，其中，所述参数改变包括可测量质量因子(Q)的改变。
25.如权利要求19所述的传感装置，其中，所述溶胶-凝胶选自于由SiO2、TiO2、SiO2/TiO2、Ta2O3以及它们的混合物组成的组。
26.如权利要求20所述的传感装置，其中，所述溶胶-凝胶选自于由SiO2、TiO2、SiO2/TiO2、Ta2O3以及它们的混合物组成的组。
27.如权利要求18所述的传感装置，其中，所述至少一个微谐振器结构的至少一部分包括选自于由所有分布式Bragg反射器波纹顶部、所有分布式Bragg反射器波纹底部、所述波纹顶部的一部分及所述波纹底部的一部分组成的组的一部分。
28.如权利要求19所述的传感装置，该装置还包括耦合到所述微谐振器结构的至少一个表面等离子体激元谐振(SPR)元件，其中，所述参数改变包括所发射的光的谐振波长的改变。
29.如权利要求18所述的传感装置，其中，所述至少一个横模包括N多个横模，所述装置还包括与所述分布式Bragg反射器波纹垂直的多个纵向面内波纹，所述多个纵向面内波纹用于将所述多个至少减少到N-1个。
30.如权利要求17所述的传感装置，其中，所述至少一种探测器材料选自于由至少一种生物目标结合材料和至少一种化学目标结合材料组成的组。
31.一种光学传感方法，用于远程感测探测器和目标物质之间的相互作用，所述方法包括以下步骤设置与发光波导耦合的至少一个平面微谐振器，所述微谐振器中的至少一个具有至少结合到微谐振器表面的一部分的至少一个探测器；进行所述至少一个探测器和所述目标物质之间的特定的和选择性的结合；对所述波导进行远程泵浦，从而使得从所述波导发射的穿过所述微谐振器的至少一部分的光的参数改变；以及远程读取所述参数改变。
32.如权利要求31所述的方法，其中，所述设置至少一个平面微谐振器的步骤包括设置线性平面微谐振器。
33.如权利要求31所述的方法，其中，所述读取所述参数改变的步骤包括读取谱改变。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述读取参数改变的步骤包括读取波长漂移。
35.如权利要求31所述的方法，其中，所述读取参数改变的步骤包括读取质量因子(Q)的改变。
36.如权利要求35所述的方法，其中，所述读取质量因子(Q)的改变的步骤包括读取从由发射谱带宽改变和发射弛豫时间改变组成的组中选择的改变。
37.如权利要求32所述的方法，其中，所述设置至少一个线性平面微谐振器的步骤包括设置至少两个微谐振器，至少一个微谐振器具有至少结合到微谐振器的一部分的至少一个探测器，而至少另一微谐振器没有探测器，并且其中，所述远程读取所述参数改变的步骤包括差分地读取所述参数改变。
38.如权利要求31所述的方法，其中，所述至少一个探测器选自于由至少一种生物目标结合材料和至少一种化学目标结合材料组成的组。
全文摘要
本发明提供了基于平面微谐振器的光化学传感器和光学生物传感器。该生物或化学光学传感装置包括至少一个平面微谐振器结构，包括在发光波导中；以及至少一种生物或化学探测器，结合到所述微谐振器结构的至少一部分，所述探测器用于特定地和选择性地与各自的目标物质相结合，由此所述特定的和选择性的结合导致从波导发射的光的参数改变。在一个实施例中，该微谐振器是线性的。在一些实施例中，该传感装置是有源的，包含至少一种光致发光材料的波导用于由远程光源进行远程泵浦，以及可通过光学读取器远程读取参数改变，该参数改变可包括谱改变或质量因子改变。
文档编号G01N33/543GK1981214SQ200580014940
公开日2007年6月13日 申请日期2005年5月5日 优先权日2004年5月11日
发明者阿舍·佩莱德, 梅纳凯姆·纳森, 什洛莫·鲁斯金, 泰尔·祖海尔 申请人:特拉维夫大学未来科技发展有限公司