使用线栅增加腔体能量的生物传感器的制作方法

专利名称：使用线栅增加腔体能量的生物传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物传感器，特别地，涉及用于检测生物分子产生的 发光的生物传感器。
背景技术：
包含生物分子的生物样本可以通过利用辐射束照射该生物样本 并且检测发射的光来进行分析。为了能够检测通常称为目标分子的特 定生物分子的存在(可替换地检测该特定生物分子的数量)，可以利 用其中所述目标分子结合到相应的探针分子的方法。目标分子包括
DNA、 RNA、细胞、蛋白质、病毒、细菌和抗体等等。相应地，能 够结合到探针分子的目标分子形成目标-探针配对，例如抗体-抗原、 细胞-抗体以及受体-配体配对。另外的实例包括例如DNA-DNA配对、 RNA-RNA配对以及DNA-RNA混合体的结合或杂交。诸如荧光体的发 光体(Iuminophore )可以附着到目标分子上，可替换地可以附着到 探针分子上，从而可以通过检测从发光体发射的荧光确定目标分子的 存在或者数量。
为了检测专用体积中的或者结合在专用结合表面处的目标分子 的存在或数量，在区分发光与照明辐射方面出现了问题，这是因为该 发光的功率通常远低于照明辐射的功率。在区分由存在于专用体积中 的或者结合在专用结合表面处的目标分子产生的发光与别处产生的 发光方面出现了另一个问题。因此，可以将从检测系统产生发光的足 够的并且优选地充分局部化的辐射功率看作是个问题。
因此，生物传感器将是有利的，特别地，更加高效和/或可靠的 生物传感器将是有利的。
狭缝或孔洞内的流体中的发光体进行激发，其中激发光可以穿透上部
板地发送。如果该激发辐射是经过TE偏振的，那么可以产生渐消失 的场，并且只要狭缝足够深，那么激发辐射基本上不透过狭缝传播。然后，可以透过上部板以及透过下部板检测产生的发光。当使用狭缝
和渐消失激发体积时，经过TE偏振的激发光相对于经过TM偏振的光 是优选的，因为前者进入狭缝的穿透深度小得多。

发明内容
因此，本发明优选地寻求单个地或者以任意组合地减轻、緩解或 消除上述问题中的一个或多个。特别地，可以视为本发明的目的的是 提供解决上述问题的生物传感器，该生物传感器通过提供能够从位于 改进的发光传感器的腔体中的供应发光粒子产生发光辐射的所述发 光传感器来提供。
在本发明的第一个方面中，这个目的以及若干其他目的是通过提 供包括输入反射器和输出反射器的发光传感器来获得的，所述输入反 射器能够接收具有第一预定波长的输入辐射，其中
-输入反射器和输出反射器之间的间隙构成能够增加具有所述 第一预定波长的辐射的腔体激发能量的腔体，所述腔体能够输出发光 辐射，
-输入反射器和输出反射器中的至少一个是具有孔洞的线栅 (wire-grid),其中这些孔洞在线栅平面内的至少 一个维度低于输入 辐射的衍射极限，
-对于具有所述第一预定波长以及输入辐射的偏振的辐射，输入 反射器的反射系数大于0.5，并且
-对于具有所述第一预定波长以及所述输入辐射的偏振的辐射， 输出反射器的反射系数大于0.5。
本发明对于获得能够从位于输入反射器和输出反射器之间的腔 体中的发光粒子产生的发光辐射的发光传感器是特别地但非排他性 地有利的。
撞击所述发光检测器的输入反射器的输入辐射的相当大部分，优 选地大于50%的部分，可以反射离开该发光传感器。输入辐射的另一 部分，优选地小于50%的部分，可以透射到腔体中。由于腔体可以满 足输入辐射的共振条件并且由于输出反射器可能具有大的反射系数 (可能大于0.5 )，腔体中的输入辐射部分可能经受辐射的腔体激发能 量的增加。由于增加了激发所供应的发光粒子的腔体激发能量，发光辐射的能量可以与腔体激发能量的增加相应地增加。
所述第一个方面的优点可以是产生了增加的腔体激发能量，因为
这种增加的腔体激发能量可以增加从位于腔体内的发光粒子的发光
辐射产生的能量。
所述第一个方面的优点也可以是增大了发光辐射相对于辐射出
所述发光传感器的输入辐射的比值。这个优点可以通过结合输入反射
器和输出反射器的反射系数大于0.5而增加的腔体激发能量来实现。 另一个优点可以是，从位于腔体内的发光粒子产生的发光功率/
能量远高于从位于腔体之外的发光粒子产生的发光功率/能量，因而
所产生的发光辐射基本上局部化在腔体处。
在一个实施例中，所述发光传感器的输入反射器和输出反射器中
的至少一个是具有孔洞的线栅，其中这些孔洞在线栅平面内的至少两
个维度低于输入辐射的衍射极限。这个实施例的优点可以是，输入反
射器前面的经TE和TM偏振的辐射被抑制。换言之，可以降低腔体前
面产生的这种辐射穿过腔体的透射。
在另一个实施例中，将输入反射器线栅的孔洞的定向为接收输入
辐射，其中输入辐射的电场的偏振平行于这些孔洞的纵向维度。这个
实施例的优点可以是，在孔洞纵向维度上偏振的辐射受到输入反射器
的大的反射。
在另一个实施例中，将输入反射器线栅的孔洞的纵向维度的定向 为平行于输出反射器线栅的孔洞的纵向维度。这个实施例的优点可以
加的腔体激发;&量:而同;输入辐射被阻止透过输入:射i和输出反射器。
在本发明的一个实施例中，对于具有所述第一预定波长的辐射以 及输入辐射的偏振方向，输入反射器的反射系数大于0.7，优选地大 于0.8,例如0.93。 一个优点可以是，输入反射器的反射系数大于0.7， 以便增大发光辐射相对于辐射出所述发光传感器的输入辐射的比值。 另一个优点可以是，增加了腔体激发能量。
在一个类似的实施例中，对于具有所述第一预定波长的辐射以及 输入辐射的偏振方向，输出反射器的反射系数大于0.8，优选地大于 0.9，例如0.98。进一步的优点可以是，输出反射器的反射系数大于0.8，以便增大发光辐射相对于辐射出所述发光传感器的输入辐射的比值。 另一个优点可以是，增加了腔体激发能量。
在一个实施例中，输出反射器的线栅的占空比小于0.9，优选地 小于0.75，更优选地小于0.65,例如0.25,并且输入反射器的线栅的 占空比小于0.9，优选地小于0.85，更优选地小于0.8,例如0.63。 一个 优点可以是，输入反射器和输出反射器的占空比小于0.9,以便增大 发光辐射相对于辐射出所述发光传感器的输入辐射的比值。另一个优 点可以是，增加了腔体激发能量。
在另一个实施例中，输入反射器线栅和输出反射器线栅中的至少 一个可被流体透过。这个实施例的一个优点可以是，包含发光粒子的 流体透过所述至少一个线栅而提供给腔体。
在另一个实施例中，输入反射器线栅和输出反射器线栅中的至少 一个固定在透明基底上。这个实施例的一个优点可以是，固定在透明 基底上的线栅比自由直立的线栅更加耐用。
在一个实施例中，输入反射器和输出反射器中的至少一个为不可 渗透反射器，这可以是一个优点，因为可以通过针对输入反射器使用 例如线栅并且针对输出反射器使用反射表面来制成腔体。
在第二个方面中，本发明涉及使用发光传感器来产生发光辐射。
在第三个方面中，本发明涉及一种用于选择依照第一方面的输入 反射器和/或输出反射器的线栅的占空比的方法，其包括
-提供能够将腔体激发能量确定为输入反射器和/或输出反射器 的线栅的至少一个占空比的函数的模型，
-改变输入反射器和/或输出反射器的线栅的所述至少一个占空
比，
-针对所述线栅的所述至少一个占空比的每次改变计算腔体激 发能量，
-选择输入反射器和/或输出反射器的线栅的所述至少一个占空 比的值。
可以根据不同的准则选择输入反射器和/或输出反射器的占空比 的值，所述准则例如是提供最大腔体激发能量的占空比、腔体激发能 量和线栅的可渗透性的组合或者腔体激发能量的变化与输入辐射波 长的容差的关系。在第四个方面中，本发明涉及一种用于生物感测的检测系统，其
包括
-依照第一个方面的发光传感器， -能够产生输入辐射的辐射源， -能够检测发光辐射的检测器，以及 -能够向发光传感器提供发光粒子的容器。 在第五个方面中，本发明涉及一种用于利用发光传感器进行生物 感测的方法，该方法包括
-提供依照笫一个方面的发光传感器，
-在输入反射器和输出反射器之间的腔体中提供发光粒子，
-利用输入辐射照射输入反射器，
-检测从发光粒子发射的发光辐射。
反射器和输出i射器:间的腔体中的激发辐射、的能量。通4提供具有
相对较高的反射系数的输入和输出反射器，可以有效地增加激发辐射 并且有效地阻止激发辐射透射出所述发光传感器。因此，可以从发光 辐射中有效地滤除输入辐射，使得相对于所述发光传感器放置的关联 辐射检测器能够以高的分辨率来仅检测发光辐射。
本发明的第一个、第二个、第三个、第四个和第五个方面中的每 一个都可以与其他方面中的任何一个相结合。本发明的这些和其他方 面根据下面描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进 行阐述。


现在将仅通过举例的方式参照附图解释本发明，其中 图l示出了用于生物感测的检测系统100的示意图，所迷检测系统 包括发光传感器101、容器160、辐射源111以及检测器130。 图2示出了发光传感器101的图示。
图3示出了曲线图，该曲线图示出了线栅的反射和透射性质的仿真。
图4示出了曲线图，该曲线图示出了发光传感器的腔体内的辐射 的能量增强的仿真。图5示出了曲线图，该曲线图示出了辐射的能量增强。
图6A示出了曲线图，该曲线图示出了透过输出反射器的线栅的输 入辐射221、 110部分的仿真。
图6B为发光传感器的图示，其中一些发光粒子650位于输出反射 器104、 254之后。
图7示出了曲线图，该曲线图示出了腔体中作为输入反射器和输 出反射器之间的间隙间距的函数的能量增强曲线710。
图8示出了曲线图，该曲线图示出了增强能量的波长依赖性。
图9示出了曲线图，该曲线图示出了腔体内的辐射能量与透射辐 射的能量的比值。
图10示出了曲线图，该曲线图示出了辐射能量密度1012与相对于 发光传感器201厚度的位置1013的函数关系。
图ll示出了二维线栅1100的实例。
图12示出了固定在透明基底1201上的线栅。
图13示出了其中输入反射器103或者输出反射器104为反射表面 1301的实例。
具体实施例方式
图1为依照一个实施例的用于生物感测的检测系统100的示意图， 该检测系统包括发光传感器101。发光传感器101包括形成光学腔体 102的输入反射器103和输出反射器104。能够向腔体102提供发光粒 子150,这些发光粒子可以例如包含在流体151中。包含发光粒子150 的流体151可以通过流体连接161从容器160提供给发光传感器101。
发光粒子150可以是具有附着的发光体的生物分子。这些生物分 子可以例如包括目标分子，所述目标分子已经与探针分子反应，从而 这些目标结合到探针上。目标分子和探针分子配对的实例是抗体-抗原 配对、细胞-抗体组合、DNAS己对链、RNAS己对链、抗体-抗原配对以 及受体-配体配对。
可以在腔体中提供探针分子，以使得在向腔体102提供包含目标 分子的流体150之前，探针粘附到腔体102中的某个表面。
可替换地，可以向发光传感器101提供反应后的探针/目标配对或 者具有附着的发光体的其他生物分子。目标分子或者探针分子可以被提供或者结合(conjugate)具有发 光或荧光性质的标记试剂。这样的标记试剂包括发光体、量子点、荧 光体、发色体、染料、发光納米粒子、纳米棒、小珠和金粒子。输入反射器103能够接收从辐射源111产生的输入辐射110并且 能够将输入辐射110的功率的一部分透射到腔体102中。当输入反射 器103和输出反射器104之间的距离满足针对输入辐射110的波长的 共振条件时，腔体102内的辐射的腔体激发能量将增加。因此，当利 用增加了腔体激发能量的辐射照射和激发发光粒子150时，发光粒子 150将发射发光辐射120。发光辐射120的部分功率将透过输出反射器 104并且将由检测器130接收。因此，检测器130可以提供有关例如 发光粒子150的存在的信息，可替换地提供发光粒子150的数量的信 息。无论何时提到能量，例如辐射能量或者腔体激发能量时，这可以 同等地理解为辐射功率或者腔体激发功率。图1中的检测系统100的示意图仅仅是检测系统的一个实例。相 应地，存在组合发光传感器101、检测器130、输入辐射110和容器 160的其他方式，这根据本发明的其他实施例将是清楚明白的。例如， 检测器130可以置于发光传感器101的前面。图2为包括输入反射器253和输出反射器254的发光传感器101 的图示。输入反射器253是由条带201和孔洞211形成的线栅270。 类似地，输出反射器254是由条带202和孔洞212形成的线栅270。 条带201、 202和孔洞211、 212具有在垂直于图2平面的方向上延伸 的纵向维度。因此，输入反射器253的线栅的孔洞211或条带201的纵向维度 的定向与输出反射器254的线栅的孔洞212或条带202的纵向维度平 行。应当理解的是，孔洞211、 212或者条带201、 202不必严格平行， 换言之，允许与平行偏离几度，例如5度。条带201、 202可以由任何金属制成，所述金属例如是铝、金或银。 所述线栅可以通过诸如压印平板印刷、激光平版印刷、干涉平板印刷 或者深UV平板印刷之类的工艺结合用于对金属形成图案的蚀刻技术 来制成。条带201和孔洞211的几何结构由相邻条带之间的距离Dl限定。孔洞211的宽度由距离flDl给定，其中fl为线栅270的占空比。换 言之，fl为孔洞211的宽度与距离Dl的比值。条带202和孔洞212 的几何结构同样地由距离D2、距离f2D2以及占空比f2限定，所述占 空比f2为孔洞212的宽度与距离D2的比值。条带201和条带202的深度分别由tl和t2表示。输入反射器253 的线栅270与输出反射器254的线栅270之间的距离S由间隙S限定。输入反射器253和输出反射器254之间的间隙S构成能够增强腔 体260内的辐射223、 224的能量的纳米腔体260。形成输入反射器253和输出反射器254的线栅由环境203、 151包 围。环境203、 151可以是流体，例如水。因此，环境203可以填充孔 洞211、 212以及腔体260的开口。应当注意的是，输入和输出反射器 253、 254之间的腔体260中的环境203通常可以与输入反射器253之 前或者第二反射器254之后的环境203不同。发光传感器101适于通过将输入反射器的线栅270的孔洞定向为 接收具有与这些孔洞的纵向维度平行地偏振的电场的输入辐射221来 接收输入辐射221。因此，输入辐射221是经过TE偏振的(230)， 换言之，该输入辐射具有其中输入辐射221的电场与图2的平面垂直 地偏振的偏振方向。输入辐射221的一部分功率被输入反射器253反 射而成为反射的辐射222，而输入辐射221的另一部分功率透过输入 反射器并且进入腔体260。腔体260内的辐射包括前向传播辐射223 以及后向传播辐射224。腔体260内的辐射的一部分功率将透过输出 反射器254而成为透射的辐射225。腔体260内的辐射的另一部分功 率将透过输入反射器253而成为反射的辐射222。当输入辐射221的波长和距离S被选择成使得腔体260共振地运 行时，实现了腔体内的腔体辐射中的辐射223、 224的能量的增强。因 此，增加了腔体激发能量，从而同样增加了发光辐射120。输入辐射221由辐射源111产生，所述辐射源例如是激光器、气 体激光器或者二极管激光器。可替换地，输入辐射221可以由诸如发 光二极管之类的具有宽频i普带宽的其他辐射源产生。输入辐射221的波长可以在10-400nm的群频语内、在380-780nm 的可见频傳内或者在750-1600nm的红外频语内。当提到辐射波长时， 即使提到单一波长数值，也应当将辐射理解为具有例如中心在所述波长数值处的频谱分布。距离Dl和D2可以处于10-1000 nm的范围内，这取决于输入辐 射的波长。深度tl和t2可以处于范围10-1000 nm内，优选地处于 50-200 nm内，例如100 nm。占空比fl和f2可以处于从0到1的范围 内。孔洞在线栅270的平面内的宽度flDl和f2D2优选地等于或者低 于输入辐射110的衍射极限。在这里以及在本说明书的其他地方，衍 射极限应当理解为输入辐射在填充了孔洞211、 212以及腔体260的介 质内的衍射极限。条带201、 202以及孔洞211、 212在线栅270的平 面内的纵向维度具有比输入辐射110的衍射极限更大的长度。假设填 充了孔洞211、 212和/或腔体260的环境203具有与水的折射率相当 的折射率1.3，那么例如对于输入辐射110、 221的波长380 nm而言， 所述纵向维度的长度大于146 nm，或者例如对于输入辐射110、 221 的波长780 nm而言，所述纵向维度的长度大于300 nm。具有一个低于衍射极限的维度以及一个大于衍射极限的维度的线 栅270将称为一维线栅。因此，该一维线栅270的孔洞可以看作伸长 的孔，例如矩形孔或者椭圆孔。一个优点在于，输入反射器253和输出反射器254的线栅具有使 得这些反射器可被流体151透过的孔洞开口。因此，包含发光粒子的 流体151可以经由线栅中的孔洞传送到腔体160中。图3为曲线图300，该曲线图示出了线栅270的反射和透射性质 的仿真，其中曲线311示出了单个线栅270的反射系数与占空比fa的 函数关系，曲线312示出了单个线栅270的透射系数与占空比fa的函 数关系。因此，沿着曲线图100的横坐标的占空比fa对应于结合图2 描述的fl或f2，换言之，fa为孔洞宽度相对于距离Dl或D2的宽度 的比值。曲线图300的纵坐标示出了分别针对反射曲线311和透射曲 线312的反射系数R和透射系数T。占空比fa等于零等价于其中孔洞211或212的宽度为零的线栅 270,换言之，线栅270是完全封闭的。占空比fa等于1等价于其中 条带201或202的宽度为零的线栅270，换言之，线栅270是完全开 放的。图3示出了线栅270的反射系数311随着占空比fa的增加(即线栅270变得更开放)而减小，而线栅270的透射系数312随着占空比 fa的增加而增大。图3中的曲线是利用具有650 nm的波长并且经过TE偏振的输入 辐射计算出来的，换言之，该辐射的电分量沿着条带201或202的纵 向方向引导。线栅270具有100 nm的深度tl并且距离Dl为200 nm。 条带201的材料为铝。图4为曲线图400，该曲线图示出了在与图2中所示的发光传感 器对应的发光传感器101的腔体260内的辐射223、 224的能量增强的 仿真。腔体260由输入反射器253的线栅270与输出反射器254的线 栅270之间的间隙S形成。轮廓区域412示出了仿真的能量增强与沿 着横坐标的占空比fl和沿着纵坐标的占空比f2的函数关系。因此， 轮廓区域412是通过改变fl和f2并且针对每次改变导出能量增强而计 算出来的。能量增强数411示出不同轮廓412的数值能量增强。应当 相对于具有数值能量值1的输入辐射110来理解能量增强数411。例 如，假设入射辐射具有能量值1，那么100%反射镜之前的能量增强对 于被该镜反射的法向入射的辐射来说为2。图3中的曲线是利用具有650 nm的波长并且经过TE偏振的法向 入射输入辐射110而计算出来的。所述线栅具有100nm的深度tl和 t2以及200nm的距离Dl和D2。条带201的材料为铝。间隙S被选择 成使得对于腔体260内的输入辐射满足共振条件。因此，如图4中所示的轮廓的仿真提供了用于通过改变占空比fl 和f2直到找出最佳能量增强而获得最佳占空比fl和O的方法。可替 换地，输入反射器253、 103的最佳反射系数和/或输出反射器254、 104 的最佳反射系数可以通过改变输入反射器和/或输出反射器的反射系 数直到找出最佳能量增强来获得。图5示出了基于与图4相同的仿真的曲线图500,其中占空比f2 固定为0.25并且占空比fl沿着横坐标从O变化到1。纵坐标表示能量 增强512。当占空比fl为0.63时，能量增强曲线511示出51.6的峰值 增强。参照图5，输出镜的线栅270的占空比f2=0.25对应于大约0.98 的反射系数，而输入镜的线栅270的占空比fl=0.63对应于大约0.93 的反射系数，这可以通过从图3读取反射系数来验证。因此，通过使用具有特别高的反射系数的输入镜253和输出镜254 实现了 51.6的高能量增强。在输入镜253和输出镜254的其他配置中， 例如其中线栅的几何结构与图4-5中的实例不同或者其中输入辐射 221具有不同的波长的配置中，可以计算其他的最佳占空比fl和f2。然而，为了在腔体260中获得高的能量增强，输入反射器253和 输出反射器254应当具有特别高的反射系数。优选地，输入反射器253 的反射系数应当大于0.5，这相当于占空比小于0.9,其导致5-10或者 更多的能量增强，这可以从图4中验证。更加优选地，输入反射器253 的反射系数应当大于0.7，这相当于占空比小于0.85,其导致15-20或 者更多的能量增强。甚至更加优选地，输入反射器253的反射系数应 当大于0.8，这相当于占空比小于0.8，其导致25-30或者更多的能量 增强。类似地，输出镜254的反射系数优选地应当大于0.5,这相当于占 空比小于0.9，其可以导致0-5或者更多的能量增强，这可以从图4中 验证。更加优选地，输入反射器253的反射系数应当大于0.8，这相当 于占空比小于0.75，其可以导致10-15或者更多的能量增强。甚至更 加优选地，输入反射器253的反射系数应当大于0.9，这相当于占空比 小于0.65，其导致25-30的能量增强。图6A为曲线图600,该曲线图示出了输入辐射221、 110中的透 过输出反射器254的线栅270的部分的仿真。轮廓611示出了具有分 数数值612的区域，该分数数值是透过输出反射器254的线栅的辐射 能量占输入辐射能量的部分。由数值612给出的辐射比率将称为透射 部分。相应地，曲线图600示出了大约0.1%的输入辐射能量221透过输 出反射器。特定的计算表明，对于占空比fl=0.63和f2=0.25，透射辐 射部分为0.16%，这可以从图6A中验证。比较0.16%的透射部分与如 图5所示的51.4的能量增强，导致输出反射器之后的输入辐射的抑制 部分为51.6/0.0016=32250。图6B为发光传感器101的图示，其中一些发光粒子650位于输出 反射器104、 254之后，例如由于腔体102、 260内的发光粒子150可 能穿过输出反射器104、 254的可渗透线栅，情况就可能是这样。图 6B中具有与前面描述的特征的附图标记相同的附图标记的特征具有与前面描述的那些特征相同或相应的功能，因而将在这里省略描述。由于由腔体内的发光粒子150产生的发光120的能量与腔体120内的 辐射能量成比例，该辐射能量又对应于能量增强因子(例如51.6)， 因而值为32250的抑制因子表示由腔体后的发光粒子650产生的发光 辐射620相对于由腔体内的发光粒子150产生的发光120如何有效地 被抑制。换言之，由于利用比用于激发腔体内的发光粒子150的辐射 能量低大约32250倍(抑制因子)的辐射能量激发腔体之外的发光粒 子650,在腔体之外产生的发光620比腔体内产生的发光120低32250 倍。大的抑制因子是有利的，这是因为它允许对例如发光粒子150的 数量或浓度进行更加精确和局部化的测量。图7示出了曲线图700，该曲线图示出了作为输入反射器253和 输出反射器254之间的间隙间距711 、 S的函数的腔体260中的能量增 强曲线710。能量增强沿着纵坐标712示出。曲线图700示出了其中 间隙间距711满足输入辐射221在腔体260中的共振条件的位置。满 足该共振条件的间隙间距711的第 一位置由等于大约198 nm的间隙距 离S给出。曲线图701中的曲线715示出了第一能量增强曲线710的 放大的版本。有利的是，将间隙间距711或间隙距离S选为满足共振条件的最 小间隙距离S，这是因为能量增强曲线710的频语带宽与间隙距离S 成反比。在图8中，曲线图800的曲线810示出了当间隙711、 S被选择成 S=200 nm时由曲线810给出的腔体260内的增强能量812的波长依赖 性811。与图7中绘出的能量增强曲线710相比，最大能量增强因子 51.4现在位于与S=200nm的腔体260的第一纵向共振模式对应的656 nm的波长处。为第二纵向模式的348nm的波长周围的增强能量中的 第一峰值与其中FWHM仅为7.2 nm的656 nm处的频傳分布相比， 表现出只有7.7的低得多的能量增强以及更宽的频谱分布(FWHM-22 nm)。能量增强因子以及FWHM值方面的差异由输入和输出反射器 102、 104在348 nm波长处的较低反射系数和较高透射系数造成。曲 线图801中的曲线815更加详细地示出了 656 nm处的共振峰值。图9为曲线图900，其中曲线911示出抑制因子913，即腔体260 内的辐射能量与关于图6A限定的透射部分的比值。曲线911示出了抑制因子913与波长912 (单位微米)的函数关系。图IO为曲线图，其示出辐射能量密度1012与相对于发光传感器 201的厚度的位置1013的函数关系。输入反射器253由线段1010表 示，输出反射器由线段1011表示。纵坐标1014示出了归一化的能量 密度。随着输入辐射110在位置0处进入输入镜253的线栅270，辐 射能量在孔洞的整个深度tl上增加。在腔体1015中，辐射能量经历 进一步的增加，直到辐射能量开始减少，因而能量在输出反射器1011 的线栅270的端面处接近零。即使入射辐射110是经过TE偏振的，也可能在输入镜253的前 面产生(例如由发光粒子产生) 一定数量的经TM偏振的辐射。经过 TM偏振的辐射有效透过线栅270，这是因为电场方向垂直于孔洞211 的纵向方向。因此，尽管只有例如0.18%的经过TE偏振的输入辐射 可以透过输出反射器254的线栅270,但是差不多100%的经过TM偏 振的输入辐射可以透过输出反射器254的线栅270。纵向维度大于衍射极限的一维线栅，可以使用其中孔洞在线栅270的 平面内的两个维度低于衍射极限的二维线栅270。相应地，二维线栅 270的孔洞可以看作是圆形、椭圆形、正方形或者矩形的孔。图11示出了二维线栅1100的实例，其中孔洞fllDl和i!2D2在 线栅1100的平面内的两个维度低于衍射极限。图11中示出的二维线 栅1100和图2中示出的一维线栅260都同样可用于输入反射器253和 输出反射器254中的任何一个，因此无论何时提到线栅时，这都应当 被理解为二维线栅270、 1100或者一维线栅270、 1100。类似于一维线栅270, 二维线栅270对于流体也是可渗透的。二维线栅270对于经过TM偏振的入射辐射具有反射特性，其等 于或者相应于如图3所示的经过TE偏振的入射辐射的反射特性。因 此，当输入反射器103、 254为二维线栅时，相比于使用一维线栅270 来代替输入反射器103,经过TM偏振的辐射穿过输入反射器并且因 而也穿过输出反射器的透射大大地减少了 。将二维线栅用于输入反射器254的优点在于，抑制了在输入反射 器103之前产生的经过TE和TM偏振的辐射。换言之，这种在腔体 之前产生的辐射穿过腔体的透射被减少了。因此，除了与腔体(102)共振(即被增强)的辐射的频谱部分之外，输入辐射110形式的经过 TE和TM偏振的辐射和/或由位于发光传感器101之前的发光粒子引 起的发光辐射120基本上被阻止透过发光传感器101。通常，所产生 的发光的频傳比输入辐射110的频语(例如，氦氖激光器的输入辐射 110的频i普可以是与20 cm的相干长度相应的2pm (皮米))宽得多 (典型地为50nm)。由于发光传感器IOI之前产生的发光辐射的频谱 以及输入辐射的频镨的差异，发光传感器101之前产生的发光辐射相 对于腔体102中产生的发光辐射120被有效地抑制了或者至少基本上 被抑制了 。因此，在二维线栅270与一维线栅270之间的间隙中形成的腔体 260可以看作用于经过TM偏振的辐射的低精细度腔体，因为输出反 射器254对于经过TM偏振的辐射具有高透射性，这抑制了对于经过 TM偏振的辐射的显著能量增强。当二维线栅270用于输入反射器253时，经过TM偏振的发光辐 射120的一部分将通过一维输出反射器254直接向外发射，而经过TM 偏振的发光辐射254的另一部分将向输入反射器253的二维线栅270 发射，其中该辐射被反射回输出反射器254并且通过输出反射器254 反射出去。在二维线栅270的情况下，可以针对孔洞平面内的两个维度定义 线栅270的两个占空比fll和f12。在特殊情况下，fll要等于f12。以 针对一维线栅的相同方式针对二维线栅270定义占空比fll和f12，换 言之，在线栅平面内的第一方向上定义第一占空比fll并且在线栅平 面内的第二方向上定义第二占空比fl2,其中第二方向垂直于或者基本 上垂直于第一方向。在其中fll等于f12的特殊情况下，用于获得最佳占空比fll和f12 的方法对应于结合图4所描述的用于最优化能量增强的方法。因此， 所述方法包括改变占空比fll和f12，直到找出最佳能量增强为止。在 其中fll不同于f12的一般情况下，可以通过改变占空比fll、 fl2和 f2直到找出最佳能量增强来最优化能量增强。可能有利的是，如图12所示，将线栅270固定在诸如玻璃之类的 透明基底1201上。因此，输入反射器可以包括固定在透明基底1201 上的一维或二维线栅270、 1100。可替换地或者附加地，输出反射器可以包括固定在透明基底1201上的一维线栅270或二维线栅270、 1100。透明基底1201可以置于线栅1201的任一侧上。透明基底1201 在其用于输入反射器103时应当对于输入辐射110是透明的，而透明 基底在其用于输出反射器104时应当对于输入辐射110和发光辐射120 二者都是透明的。在输入反射器和输出反射器二者都利用透明基底的 情况下，可以经由这些反射器之间的开口将流体150提供给腔体102。可能有利的是，将检测器130置于输入反射器103之前。在这种 情况下，输出反射器104有利的是二维线栅，其或者是可渗透的或者 固定到透明基底上。为了通过输入反射器向检测器130透射经TM偏 振的发光辐射，输入反射器有利的是一维线栅，其或者是可渗透的或 者固定到透明基底上。如图13所示，输入反射器103或者输出反射器104可以是不可渗 透反射器1301。该不可渗透反射器1301可以是反射表面或者反射镜， 例如涂敷了金属的镜或者涂敷了电介质的镜13。反射表面1301可以 是完全反射的或者半透明的。发光检测器101可以与波长滤波器、偏振滤波器或者置于输入反 射器103之前或输出反射器104与检测器130之间用于频镨和/或偏振 滤波目的的其他光学部件相结合。现在参照图14，依照本发明，仍然在反射器103和254之间限定 的腔体可以包括由固体材料制成并且具有与间隙S相应的厚度的板 1401。优选地，该板1401至少对于400和卯0 nm之间的波长是透明的。所述反射器中的至少一个(例如反射器254)通过条带202之间 的孔洞1402或狭缝1402而对于分析流体120是可渗透的。在板1401与该可渗透反射器254之间的界面处并且在所述孔洞或 狭缝中，放置了捕获探针660。介质120中存在的发光分子670或者发光标记分子670可以结合 到这些捕获探针660上。由于所述界面是腔体的一部分，因而发光分子670的激发仍然可 以得益于所述腔体内的激发光的增强。激发光的强度的渐消失衰减也保证了由狭缝或孔洞之外的发光分 子或发光标记分子650产生的发光充分低于由狭缝或孔洞内的发光分子或发光标记分子670产生的荧光。此外，通过将孔洞或狭缝的深度延伸到板材料中(例如在图14中 的箭头EX的方向上，这可以通过例如蚀刻技术来实现)，那么可以 通过将捕获探针660置于孔洞或狭缝1402与板1401之间的界面处来 产生更加靠近腔体中心(中心指的是间隙S的厚度的一半)的结合点 (该处激发能量最高，在这个方面请再次参照图10)。这种将孔洞或狭缝1402延伸到板1401中的附加优点在于增大了 可以放置捕获探针的表面区域。在反射器254是一维线栅的情况下，通过反射器103利用激发光 来照射设备1400,并且借助于置于该设备与激发源相对的一侧(即置 于反射器254 —侧)的检测器执行对由激发的发光分子670产生的发 光辐射的检测。在反射式配置中，检测器可以置于与激发源相同的一侧，即置于 反射器103—侧。在这种情况下，激发光可以是经TE偏振的，以便 经历反射器254的强反射。在反射器254是二维线栅的情况下，优选的是将检测器置于所述 设备与激发源相对的一侧，即置于反射器254 —侧。尽管已经结合规定的实施例描述了本发明，但是其并不意图受限 于这里所述的特定形式。相反，本发明的范围仅由所附的权利要求书 所限制。在权利要求书中，措词"包括"并没有排除存在其他的元件 或步骤。此外，尽管单独的特征可能包含于不同的权利要求中，但是 可能对这些进行有利的组合，并且包含于不同的权利要求中并不意味 着特征的组合是不可行的和/或有利的。此外，单数的引用并不排除复 数。因此,对于"一，，、"一个"、"第一"、"第二"等等的引用 并没有排除复数。此外，权利要求书中的附图标记不应当被视为对范 围的限制。
权利要求
1.一种包括输入反射器(103，253)和输出反射器(104，254)的发光传感器(101)，所述输入反射器能够接收具有第一预定波长的输入辐射(110)，其中-输入反射器和输出反射器之间的间隙(S)构成能够增加具有所述第一预定波长的辐射的腔体激发能量的腔体(102，260)，所述腔体能够输出发光辐射(120)，-输入反射器和输出反射器中的至少一个是具有孔洞(211，212)的线栅(270，1100)，其中这些孔洞在该线栅的平面内的至少一个维度低于输入辐射的衍射极限，-对于具有所述第一预定波长以及输入辐射的偏振(230)的辐射，输入反射器的反射系数大于0.5，并且-对于具有所述第一预定波长以及输入辐射的偏振(230)的辐射，输出反射器的反射系数大于0.5。
2. 依照权利要求l的发光传感器，其中所述输入反射器和输出反 射器中的至少一个是具有孔洞的线栅(1100)，其中这些孔洞在该线 栅的平面内的至少两个维度低于所述输入辐射的衍射极限。
3. 依照权利要求l的发光传感器，其中所述输入反射器的线栅中 的孔洞定向为接收所述输入辐射，其中所述输入辐射的电场的偏振平 行于这些孔洞的纵向维度。
4. 依照权利要求l的发光传感器，其中所述输入反射器线栅中的 孔洞的纵向维度的取向平行于所述输出反射器线栅中的孔洞的纵向 维度。
5. 依照权利要求l的发光传感器，其中对于具有所述第一预定波 长以及输入辐射的偏振方向的辐射，输入反射器的反射系数大于0.7， 优选地大于0.8，例如0.93。
6. 依照权利要求l的发光传感器，其中对于具有所述第一预定波 长以及输入辐射的偏振方向的辐射，输出反射器的反射系数大于0.8， 优选地大于0.9，例如0.98。
7. 依照权利要求l的发光传感器，其中所述输出反射器的线栅的 占空比小于0.9，优选地小于0.75，更优选地小于0.65，例如0.25，并 且其中所述输入反射器的线栅的占空比小于0.9,优选地小于0.85，更优选地小于0.8，例如0.63。
8. 依照权利要求1或2的发光传感器，其中所述输入反射器的线 栅和所述输出反射器的线栅中的至少一个可被流体透过。
9. 依照权利要求1或2的发光传感器，其中所述输入反射器的线 栅和所述输出反射器的线栅中的至少一个固定在透明基底(1201 )上。
10. 依照权利要求1或2的发光传感器，其中所述输入反射器和输 出反射器中的至少一个为不可渗透反射器(1301)。
11. 使用发光传感器(101)用于产生发光辐射(120)的用途， 所述发光传感器包括输入反射器(103， 253)和输出反射器(104， 254)，所述输入反射器能够接收具有第一预定波长的输入辐射(110), 其中-所述输入反射器和输出反射器之间的间隙(S)构成能够增加 具有所述第一预定波长的辐射的腔体激发能量的腔体(102， 260)， 所述腔体能够输出所述发光辐射，-所述输入反射器和输出反射器中的至少一个是具有孔洞(211, 212)的线栅(270， 1100),其中这些孔洞在该线栅的平面内的至少 一个维度低于所述输入辐射的衍射极限，-对于具有所述第一预定波长以及输入辐射的偏振(230)的辐 射，所述输入反射器的反射系数大于0.5，并且-对于具有所述第一预定波长以及输入辐射的偏振(230)的辐 射，所述输出反射器的反射系数大于0.5。
12. —种用于选择依照权利要求1或2的输入反射器(253 )和/或 输出反射器(254 )的线栅(270, 1100)的占空比的方法，包括-提供能够将腔体激发能量确定为所述输入反射器和/或输出反 射器的线栅的至少一个占空比的函数的模型，-改变所述输入反射器和/或输出反射器的线栅的所述至少一个 占空比，-针对所述线栅的所述至少一个占空比的每次改变，计算腔体激 发能量，-选择所述输入反射器和/或输出反射器的线栅的所述至少一个 占空比的值。
13. —种用于生物感测的检测系统(100)，包括-依照权利要求l的发光传感器(101)，-能够产生输入辐射(110)的辐射源(111)，-能够检测发光辐射(120)的检测器(130)，以及-能够向所述发光传感器提供发光粒子(150)的容器(160)。
14. 一种用于利用发光传感器(101)进行生物感测的方法，包括-提供依照权利要求l的发光传感器，-在输入反射器(103, 253)和输出反射器(104， 254 )之间的 腔体(102， 260 )中提供发光粒子(150)，-利用输入辐射(110)照射所述输入反射器， -检测从发光粒子发射的发光辐射(120)。
15. 依照权利要求l的发光传感器，其中间隙(S)包括板(1401)， 优选地包括玻璃基底，并且其中预定的发光分子或者发光标记分子能 够与之结合的捕获探针固定在所述反射器(254 )之一与所述板(1401) 之间的界面的附近。
全文摘要
本发明公开了用于生物感测、具有输入反射器(253)和输出反射器(254)的发光传感器(101)。输入反射器和输出反射器之间的间隙(S)构成光学腔体。输入反射器和输出反射器中的一个或两个可以是具有孔洞(211，212)的线栅(270)，其中这些孔洞的至少一个维度低于衍射极限。当输入辐射(221)撞击输入反射器时，输入辐射的一部分透射到腔体中。由于腔体的共振性质，腔体内的辐射能量增加。由于腔体激发能量的增加，可以在腔体之外检测从腔体内的发光粒子发射的发光辐射。由于输入和输出反射器具有高的反射系数，输入辐射被有效地阻止透过发光检测器。此外，腔体中产生的发光远高于腔体外产生的发光。
文档编号G02B5/30GK101595380SQ200780040640
公开日2009年12月2日 申请日期2007年10月31日 优先权日2006年10月31日
发明者D·J·W·克伦德, M·M·J·W·赫尔彭 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司