光子晶體生物傳感器結構以及制作方法

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專利名稱：光子晶體生物傳感器結構以及制作方法
光子晶體生物傳感器結構以及制作方法政府的利益本發(fā)明是在國家科學基金授予的批準號BES04-27657下由政府扶持做出的。政府在本發(fā)明中具有確定的權利。
背景技術：
基于表面構造的光子晶體的無標記物光學傳感器目前被證實是用于進行廣泛多樣的生物化學的和基于細胞的分析的高度靈敏的方法。參見例如,Cunningham等人,Label-Free Assays on the BIND System (對于盲系統(tǒng)的無標記物分析).Journal of Biomolecular Screening (生物分子篩分雜志)，2004. 9: 481-490。當用白光垂直入射照射時，這些傳感器僅僅反射窄波段的波長，這里反射峰波長值(PWV)的正位移表示在傳感器表面上的^皮檢測材料的吸收。參見例如，Cunningham等人，Colorimetric resonant reflection as a direct biochemical assay technique.(用作直接生物化學分析技術的比色共振反射)Sensor and Actuators B (傳感器和加載器: B), 2002. 81: 316-328。通過在共振波長的空間束縛入射光子，在傳感器表面產(chǎn)生高的光場，其延伸到測試樣品中達短距離，很類似于漸逝場。在所述設備結構中的共振光子高度的空間束縛導致在該結構與被吸收的生物材料之間強的相互作用，以及導致能夠進行蛋白質(zhì)和細胞附著物 (attachment)的高分辨率成像。參見例如Li等人，A new method for label-free imaging of biomolecular interactions (—種新的分子生物相互作用的無標記物成^象).Sensors and Actuators B(傳感器和加載器，B)， 2004. 99: 6-13。以前，光子晶體光學生物傳感器是從連續(xù)的塑料膜片，使用一種其中周期性的表面結構是使用UV固化的聚合物材料從硅主晶片進行復制的方法來制作的。參見例如Cunningham等人，A plastic colorimetric resonant optical biosensor for multiparallel detection of label-free biochemical interactions(用于無標記物生物化學相互作用的多平行才企測的塑料比色共振光學生物傳感器).Sensors and Actuators B(傳感器和加載器，B), 2002.85: 219-226。這種圖案化的聚合物隨后可以用高折射率的Ti02層進行涂覆，該Ti02層通常比表面結構的高度更薄。這樣的裝置已經(jīng)被證實用于各種不同的生物化學的和基于細胞的分析，具有小于0.1 pg/mn^的質(zhì)量密度靈敏度和能夠檢測單個細胞的大的動態(tài)范圍。參見侈'J^(口 Lin等人， A label-free biosensors-based cell attachment assay for characterization of cell surface molecules (用于表4正細胞表面分子的基于無標記物生物傳感器的細胞附著物的分析).Sensors and Actuators B(傳感器和加載器，B),2005年4月接受發(fā)表。通常，裝置靈敏度的最佳化需要增加電磁場強度分布與沉積在所述光子晶體表面的上面的分子之間的相互作用。因此，光學材料的選擇和表面結構拓樸的設計的目的是擴大從光子晶體的內(nèi)部區(qū)域(這里它們不能與被吸收的材料相互作用)到該光子晶體的鄰近區(qū)域(其包括液體測試樣品)的電磁場輪廓(profile)。本領域需要增加這些和其他類型的傳感器的靈敏度以及降低它們的制造成本的方法。發(fā)明概述本發(fā)明的一種實施方案提供了一種傳感器，其包括納米多孔材料，其具有低折射率，通過基材承載在底部表面上，并且由高介電常數(shù)介電涂層涂覆在頂部表面上。高介電常數(shù)介電涂層或者與納米多孔材料結合的高介電常數(shù)介電涂層形成了亞波長周期光柵結構。當照射傳感器時，在反射輻射光譜上產(chǎn)生了共振光柵效果，并且亞波長周期光柵結構的深度和周期小于共振光柵效果的波長。當用寬波段的光波長照射傳感器時，可以從傳感器反射窄波段的光波長。納米多孔材料的折射率可以是約1.1-約2.2。在另一實施方案中，納米多孔材料的折射率可以是約1.1-約1.5。亞波長周期光柵結構的周期可以是約50nm-約1,500 nm并且亞波長周期光柵結構的深度可以是約50 nm-約900 nm。所述的納米多孔材料可以是多孔二氧化硅干凝膠，多孔氣凝膠，多孔氫硅倍半氧烷，B階聚合物，多孔曱基硅倍半氧烷，多孔聚(亞芳基醚)，或其組合?；目?以包括玻璃、塑料或環(huán)氧樹脂。所述的介電涂層的折射率可以是大約1.8 到大約3.0。所述的介電涂層可以包括氧化錫、五氧化二鉭、硫化鋅、二氧化鈦、氮化硅，或其組合?；牡恼凵渎士梢允谴蠹s1.4到大約1.6。所述的介電涂層的厚度可以是大約30nm到大約700nm,并且所述的納米多孔材料的厚度可以是大約10nm到大約5000nm。介質(zhì)涂層可以在其頂部表面具有覆蓋層。傳感器可以還包括一種或多種固定在高介電常數(shù) 介電涂層上的特定的結合物。傳感器可以還包括一種或多種固定在覆蓋層上的特定的結合物。一種或多種特定的結合物可以沒有檢測標記物。一種或多種特定的結合物可以結合到其結合配偶體。一種或多種特定的結合物和結合配偶體可以沒有檢測標記物。一種或多種特定的結合物可以在高介電常數(shù)介電涂層上布置于陣列中。一種或多種特定的結合物在覆蓋層上布置于陣列中。本發(fā)明的另一實施方案提供了一種傳感器，其包括由覆蓋基材的波導薄膜形成的波導結構，其中所述波導薄膜的折射率高于基材的折射率，和包含在波導結構中的衍射光柵，其中所述衍射光柵包括低介電常數(shù)的納米多孔材料。納米多孔材料的折射率可以是約1.1-約1.5。在本發(fā) 明的另一實施方案中，納米多孔材料的折射率可以是約1.1-約2.2。所述的納米多孔材料可以是多孔二氧化硅干凝膠，多孔氣凝膠，多孔氫硅倍半氧烷，B階聚合物，多孔甲基硅倍半氧烷，多孔聚(亞芳基醚)，或其組合?；目梢园úＡ?、環(huán)氧樹脂或塑料。所述的波導薄膜包括氧化錫、五氧化二鉭、硫化鋅、二氧化鈦、氮化硅，或其組合。波導薄膜包括聚合物。傳感器還包括一種或多種固定在波導薄膜上的特定的結合物。一種或多種特定的結合物可以沒有檢測標記物。一種或多種特定的結合物可以結合到其結合配偶體。一種或多種特定的結合物和結合配偶體可以沒有^r測標記物。一種或多種特定的結合物可以在高折射率介電涂層上布置于陣列中。用于傳感器表面結構的非常低的折射率材料的使用顯著地增加了檢測的靈敏度。因此，相比于以前可行的，能夠在測試樣品中對具有2-4 倍更低的濃度、分子量和結合親和性的物質(zhì)進行測量。

圖1表示納米復制的納米多孔光子晶體生物傳感器的示意圖。圖2A-B表示用Gsolver模擬預測的(A)本體(bulk)和(B)表面位移。圖3A-B表示蓋印(imprinted)和固化的周期性的NANOGLASS 結構的SEM圖像。圖4表示納米多孔傳感器在浸入到去離子水(DI)和異丙醇(IPA)下的試-瞼響應。圖5A-E表示用于納米多孔傳感器制作的加工流程。圖6表示高介電常數(shù)納米多孔光子晶體傳感器的示意圖。圖7表示多孔玻璃傳感器的橫截面示意圖。圖8表示暴露于去離子水的多孔玻璃傳感器的共振峰，如通過 RCWA一莫擬所預測的。圖9表示試驗測量的浸入到去離子水中的納米多孔玻璃傳感器的共振峰。圖10表示對于沉積在多孔玻璃和聚合物傳感器設計(design)上的 PPL的比較PWV位移的動態(tài)圖。圖11表示PWV位移對聚合物厚度的局部圖，這里PSS和PAH的交替層對總實測位移做出貢獻。圖12表示對于沉積在多孔玻璃和聚合物傳感器設計上的蛋白質(zhì)A 的比4交PWV位移的動態(tài)圖。圖13表示用納米多孔玻璃傳感器測量的三個動物IgGs對蛋白質(zhì)A 的結合動力學。圖14表示每個不同的IgG-蛋白質(zhì)A相互作用的PWV位移的傳感器比較。發(fā)明詳述本發(fā)明的一種實施方案提供一種傳感器，其可以，尤其，用于檢測有機或無機材料，例如蛋白質(zhì)、DNA、小分子、病毒、細胞和細菌，而不需標記物例如萸光或放射性標記物。當用寬的波長光源(例如白光或 LED)照射時，本發(fā)明的光子晶體傳感器僅僅反射非常窄波段的波長或者一種波長。被反射的顏色位移到與材料附著到傳感器表面相應的更長的波長。本發(fā)明的光子晶體傳感器結構提供比前述結構高2-4倍的靈敏度。在提供更高的靈敏度的傳感器結構中一個關鍵的差異是用納米多孔低折射率材料代替聚合物亞波長周期光柵結構。還公開了用于制作能夠低成本制造的傳感器結構的方法。由于納米多孔低折射率材料代替聚合物亞波長周期光柵結構，因此本發(fā)明的傳感器結構具有比現(xiàn)有技術的結構更高的靈敏度。當將恰好低于(和備選地包括)亞波長光柵結構的傳感器結構的折射率減少到低于任何用在樣品中的液體的折射率時，光子晶體的電磁場與測試樣品相互作用更強，產(chǎn)生一種結構，該結構的反射波長由于給定量的被吸收的生物材料而更強地調(diào)諧。該系統(tǒng)能夠檢測例如附著到其表面的單個細胞。本發(fā)明的原理還可以應用到例如基于漸逝波的生物傳感器和任何結合光學波導的生物傳感器。參見例如美國專利4,815,843;美國專利 5,071,248;美國專利5,738,825。傳感器尤其應用于以下方面藥物研究(例如高通量篩分、二次篩分、質(zhì)量控制、細胞毒性、臨床試驗評估)，生命科學研究(例如蛋白組學、蛋白質(zhì)交互分析、DNA-蛋白質(zhì)交互分析、酶底物交互分析、細胞蛋白質(zhì)交互分析)，診斷測試(例如，蛋白質(zhì)的存在、細胞鑒定)和環(huán)境監(jiān)測(細菌和孢子的檢測和鑒定)，早先的專利申請和公開出版物描述了與高分辨率成像工具相結合的光子晶體生物傳感器表面如何能夠被用作僅使用納升的樣品材料而平行地對單一表面進行許多生物化學分析的平臺。參見例如以下公開號的美國專利2002/0168295 ; 2002/0127565 ; 2004/0132172; 2004/0151626; 2003/0027328; 2003/0027327; 2003/017581; 2003/0068657 ;2003/0059855 ;2003/0113766 ;2003/0092075 ; 2003/0026891 ;2003/0026891 ;2003/0032039 ;2003/0017580 ; 2003/0077660; 2004/0132214。光子晶體傳感器本發(fā)明的光子晶體傳感器可以被用來產(chǎn)生在特定波長的尖銳的光學共振反射，其可以用來以高靈敏度追蹤分子例如生物材料的相互作用。光子晶體傳感器包括亞波長結構化表面。亞波長結構化表面是一類衍射光學元件，其可以沖莫擬薄膜涂層的效果。參見例如，Peng & Morris, "Resonant scattering from two- dimensional gratings,"(由二維光4冊的共4展散射)J. Opt. Soc. Am. A，笫13巻，第5期，第993頁，1996年5月； Magnusson, & Wang, "New principle for optical filters,"(濾光器的新原理) Appl. Phys. Lett, 61,第9期，第1022頁，1992年8月；Peng & Morris, "Experimental demonstration of resonant anomalies in diffraction from two-dimensional gratings," (二維光柵衍射中的共振偏差的實驗證明) Optics Letters,第21巻，第8期，第549頁，1996年4月。本發(fā)明的光子晶體傳感器的光柵具有小于入射光線波長的光柵周期，使得除了反射的和透射的零級次(order)外，不允許衍射級次。光子晶體傳感器可以包括光柵，所述光柵包括或涂覆有高介電常數(shù)介電材料，夾在基材層和覆蓋層之間，所述覆蓋層填充光柵的凹槽(gmting groove)。任選地，不使用覆蓋層。所述的光柵結構選擇性地耦合(co叩le)窄波段波長的光。這種高度靈敏的耦合情形可以在反射的輻射光譜上產(chǎn)生共振光柵效果，導致窄波段的反射的或透射的波長。所述的光柵的深度和周期小于共振光柵效果的波長。光子晶體傳感器結構的反射的或透射的顏色可以通過將分子如特定的結合物或結合配偶體(partner)或二者添加到覆蓋層的上表面或光柵表面而改變。所添加的分子增加了入射輻射通過傳感器結構的光路長度，并因此改變了最大的反射或透射將出現(xiàn)時的波長。在一種實施方案中，當用白光照射時，傳感器被設計成僅反射單一波長或窄波段的波長。當分子被附著到傳感器表面時，由于被耦合到光柵的光的光路改變，所反射的波長(顏色)出現(xiàn)位移(shifted)。通過固定分子例如特定的結合物到傳感器表面，可以檢測互補的結合配偶體分子，而不使用任何種類的焚光探針或顆粒標記物。可以借助浸入流體的或被干燥的傳感器表面來實施檢測技術。當光子晶體傳感器用校準的白光照射并反射時，僅僅窄波段的波長或單一波段的波長被反射。窄波長波段被描述為波長"峰"。當分子被從傳感器表面沉積或除去時，"峰波長值，，(PWV)改變。讀取裝置使用校準的白光照射了傳感器表面上的獨特的位置，并收集校準的被反射的光線。將所收集的光線聚集于波長分光計中來測量PWV。圖l表示了本發(fā)明的光子晶體傳感器的結構。該傳感器包括基材，圖案化的低k納米多孔材料，和基本上均勻的高折射率涂層。低k納米多孔材料的表面被圖案化成亞波長周期光柵結構，在其上沉積高折射率材料。通常，本發(fā)明的低k介電材料具有大約1.1到大約3.9的介電常數(shù)k。低k介電材料的例子包括例如含氟硅酸鹽玻璃(大約3.2-大約3.9);聚酰亞胺(大約3.1-大約3);氫硅倍半氧烷(HSQ)(大約2.9-大約3.2);金剛石類碳(大約2.7-大約3.4);黑金剛石(SiCOH)(大約2.7-大約3.3);聚對二曱苯基-N(大約2.7); B階聚合物(CYCLOTENETM和SiLKTM)(大約2.6隱大約2.7);氟化聚酰亞胺(大約2.5-大約2.9);曱基硅倍半氧烷(MSQ)(大約2.6-大約2.8);聚(亞芳基醚)(PAE)(大約2.6-大約2.8);氟化DLC(大約2.4-大約2.8);聚對二曱苯基-F(大約2.4-大約2.5); PTFE(大約1.9); 多孔二氧化硅干凝膠和氣凝膠(大約1.1-大約2.2);多孔氫硅倍半氧烷 (HSQ)(大約1.7-大約2.2);多孔SiLKTM(B階聚合物)(大約1.5-大約2.0); 多孔甲基硅倍半氧烷(MSQ)(大約1.8-大約2.2);多孔聚(亞芳基醚)(PAE)(大約1.8-大約2.2)。
低k納米多孔材料是無機的、多孔氧化物類低介電材料，其中折射率n是大約1.1到大約2.2,并優(yōu)選大約1.1到大約1.5。低k納米多孔材料可以是例如多孔二氧化硅干凝膠和氣凝膠(大約1.1-大約2.2);多孔 HSQ(大約1.7-大約2.2);多孔SiLK (B階聚合物)(大約1.5-大約2.0); 多孔MSQ(大約1.8-大約2.2);多孑L PAE(大約1.8-大約2.2)。在本發(fā)明的一種實施方案中，所述的納米多孔材料是NANOGLASS⑧，其為多孔 Si02。在該Si02中產(chǎn)生多孑L,由此將介電常數(shù)由大約3.9降低到低達1.9。
具有高折射率的、適于本發(fā)明的材料包括例如氧化錫、五氧化二鉭、疏化鋅、二氧化鈦、氮化硅或其組合。高k介電材料具有大約1.8到大約3.0的折射率。折射率n被描迷為介質(zhì)的光學特性，并被定義為在自由空間的光速與在該介質(zhì)中的光速的比值。基材可以包括例如玻璃、塑料或環(huán)氧樹脂。
在本發(fā)明的一種實施方案中，傳感器用下面的參數(shù)來定義 w紅大約從1.8至'J 3.0
"謹。大約從1.1到1.5
大約從1.4到1.6 爿大約從200nm到1500nm
Z) 大約從50nm到900nm
大約從30nm到700nm f 。。大約從lOnm到5000nm
在本發(fā)明的另一種實施方案中，所述的傳感器結構包括下面的材
料
基材材料玻璃
纟內(nèi)米多孑L材誶牛 Nanoglass⑧(Honeywe11 International, Santa Clara, CA) 高折射率涂層Ti02
并通過下面的參數(shù)來定義。<formula>formula see original document page 12</formula>使用GSolver (Grating Solver Development Co., Allen, TX)和FDTD Solutions (Lumerical Solutions, Inc., Vancouver, BC，力口拿大)來才莫才以上面的實施方案。示于圖2A中的結果預示了本體靈敏度相比于前先設計的靈敏度提高了 l倍以上。本體靈敏度通過本體位移系數(shù)來確定，其對于這個實施方案的定義和計算如下。
<formula>formula see original document page 12</formula>不混有納米多孔材料的設計的模擬和實驗數(shù)據(jù)都給出了大約150的本體位移系數(shù)。
由于所提出的裝置通過漸逝場和非常接近于傳感器表面的材料的相互作用而發(fā)揮作用，所以不但考慮全部的本體介質(zhì)的折射率，而且考慮在傳感器上面的薄層的折射率是有益的。圖2表示了以通過具有1.40 折射率的層建模的20nm厚的"生物涂層"的GSOLVER模擬結果。盡管單獨的生物分子或生物分子單層的片段(fmctions)不具有確定的折射率值，但是為了說明的目的，生物層被模擬為確定厚度的均勻薄膜。
示于圖3中的圖案化的NANOGLASS⑧結構的SEM圖像證明了一種成功的蓋印方法。當Ti02沉積后，使用去離子水和異丙醇，通過檢查用讀取裝置上的分光計捕捉的所形成的峰波長(PWV)位移來詢問 (interrogated)所完成的傳感器的靈敏度。使用圖4的試驗數(shù)據(jù)，應用等式l,可以計算本體位移系數(shù)AiW = -AflJ 855,1-841.1 An —1.378-1.330
291.7
雖然是沖莫擬，但其落入所證實的約5%的偏差范圍內(nèi)。
亞波長光柵的橫截面曲線可以包括任何周期性重復函數(shù)(function), 例如"矩形波"。光柵可以包括重復的形狀圖案，例如連續(xù)的平行線、正方形、圓、橢圓、三角形、梯形、正弦波、卵形、矩形和六邊形。
傳感器可以包括一維的線性光柵表面結構，即一系列的平行線或凹槽。雖然二維光柵在橫跨傳感器表面的平面的兩個橫向方向中具有都是亞波長的特征，一維光柵的橫截面僅僅在一個橫向方向上是亞波長的，而長度(long dimension)可以大于共振光柵效果的波長。
這些包括例如，三角形或V形、U形、倒V或U形、正弦曲線形、梯形、階梯形和正方形。所述的光柵還可以在高度上正弦變化。
可以使用交替的傳感器結構，其由一組同心環(huán)組成。在這種結構中，每個同心環(huán)的內(nèi)徑和外徑的差等于大約光柵周期的一半。每個相繼的環(huán) 具有比前一個環(huán)的內(nèi)徑約大一個光柵周期的內(nèi)徑。所述的同心環(huán)圖案延伸而覆蓋單個傳感器位置——例如微陣列點(microarray point)或微量滴定板孔。每個單獨的微陣列點或微量滴定板孔具有在其中中心化的單獨的同心環(huán)圖案。這樣的結構的全部偏振方向具有相同的橫截面曲線。同心環(huán)結構的光柵周期小于共振反射光的波長。
本發(fā)明的傳感器可以進一步包括在與基材層相對的光柵表面上的覆蓋層。在存在覆蓋層的情況下，一種或多種特定的結合物被固定在與光柵相對的覆蓋層的表面上。優(yōu)選地，覆蓋層包括具有比包括光柵的材料更低的折射率的材料。覆蓋層可以包括例如玻璃(包括旋涂玻璃 (SOG))、環(huán)氧樹脂或塑料。
在光柵上沒有平面化(planarizing)覆蓋層的情況下，也可以獲得共振反射。不使用平面化覆蓋層的情況下，周圍介質(zhì)(例如空氣或水)填充該光柵。因此，分子在暴露于該分子的光柵的全部表面上，而不僅僅在上表面上，被固定到該傳感器。
本發(fā)明提供了共振反射結構和透射過濾結構。對于共振反射結構，光輸出的測量是在所述結構的與照射光束的同一側進行的。對于透射過濾結構，光輸出的測量是在所述結構的與照射光束的相反一側進行的。反射的和透射的信號是互補的。也就是說，如果波長是強反射的，則其是弱透射的。假定所述的結構自身沒有能量吸收，則在任何給定波長，反射的+透射的能量是恒定的。共振反射結構和透射濾光片被設計成在特定波長給出高效反射。因此，反射濾光片將"通過"窄波段的波長，而透射濾光片將從入射光"切掉"窄波段的波長。
在本發(fā)明的一種實施方案中，提供了一種光學裝置。光學裝置包括
類似于本發(fā)明的任何傳感器的結構；但是，光學裝置不包括固定在光柵上的一種或多種結合物。光學裝置可以被用作窄波段濾光器。
基于漸逝波的傳感器可以包括基材承載的波導薄膜；在波導薄膜(并且任選地作為基材的一部分)之間是衍射光柵。參見例如美國專利 4,815,843。低k介電材料例如低k納米多孔材料可以用于所述的衍射光柵或低k納米多孔材料和基材的組合。所述的波導包括波導薄膜和基材。波導薄膜可以是例如氧化錫、五氧化二鉭、硫化鋅、二氧化鈦、氮化硅或其組合，或者聚合物例如聚苯乙烯(polystryrole)或聚碳酸酯。衍射光柵存在于波導薄膜和基材的界面或者存在于波導薄膜的體積中。該衍射光柵包括低k材料，例如低k納米多孔材料。波導薄膜的折射率高于鄰近介質(zhì)(即基材和測試樣品)的折射率。所迷基材可以是例如塑料、玻璃或環(huán)氧樹脂。特定的結合物可以被固定在所述波導薄膜的表面上和添加到該表面的測試樣品上。激光在該波導薄膜內(nèi)通過總內(nèi)反射來傳播。由于結合到其的分子引起的波導薄膜折射率的改變可以通過觀察所發(fā)射的輸出耦合的光的角度的變化而檢測。
傳感器的制造
本發(fā)明的傳感器可以當納米多孔材料是未固化的、可變形狀態(tài)時，使用柔性的橡膠模板來將光柵結構壓花到納米多孔材料中來制造。不同于非柔性的固體模板，柔性的橡膠模板允許由納米多孔材料的固化過程而產(chǎn)生溶劑蒸發(fā)離去。許多柔性的模板可以用單個硅晶片"主"模板而低成本產(chǎn)生，并且單個的柔性的模板可以多次使用而廉價地生產(chǎn)許多結構化納米多孔亞波長光柵結構。
傳感器可以在大表面區(qū)域上廉價地生產(chǎn)并且還可以例如，結合到單一用途的標準一次性分析液體處理格式中，例如微板、微列陣載玻片或微流體片。圖5概述了一種用于制作結合納米多孔層的光子晶體的工藝流程。
設計了圖案化的"主(master)"晶片，其通常是硅或玻璃，其包含將與隨后蓋印到多孔薄膜中的那些精確相應的特征(參見圖5A)。該主晶片(master) 然后用作沖莫具，在其中灌入液體彈性體，如圖5B所示。固化后，小心地從主晶片上剝離最新形成的負性橡膠"子(daughter)"模。在所述的多孔薄膜應用到期望的基材后，所述的子模放置在未固化的膜的頂上，例如圖5D所示。在模具處于適當位置的情況下，多孔材料被部分固化、完全固化或未固化。氣體可透過的橡膠模具允許在這個固化過程中的溶劑揮發(fā)。一旦所述的薄膜能夠保持剛性的形狀，則剝離子模并使剩余的結構完全固化。表示在圖5F中的所完成的裝置是通過將薄的、高折射率材料均勻地沿著多孔薄膜的圖案化表面沉積而獲得的。
另一種用于制作結合納米多孔層的光子晶體生物傳感器的方法表示在圖6中。對于這種結構，將納米多孔材料層固化在基材上。接著，將高介電常數(shù)材料均勻地沉積在所述多孔層的上面。高介電常數(shù)材料具有比納米多孔材料的k高大約5。/。的介電常數(shù)k。在本發(fā)明的一種實施方案中，該高介電常數(shù)材料具有大于大約3.5的k。被沉積的高k材料然后通過電子束或DUV光刻(lithography)而圖案化，并隨后蝕刻來獲得期望的特征。雖然由于對每個裝置需要高分辨率的光刻加工，這種傳感器設計不是成本有效的，但是它顯示出對于獲得類似于上述通過蓋印制作的傳感器所見的靈敏度增強的希望。
基于漸逝波的生物傳感器還可以使用如本文中所述的同樣的方法來制造。
特定的結合物和結合配偶體
一種或多種特定的結合物可以通過例如物理吸附或者化學結合而被固定在光柵或覆蓋層(如果存在的話)上。特定的結合物可以是例如有機分子如核酸、多肽、抗原、多克隆抗體、單克隆抗體、單鏈抗體(scFv)、 F(ab)片段、F(ab')2片段、Fv片段、小有機分子、細胞、病毒、細菌、聚合物、肽溶液、單鏈或雙鏈DNA溶液、RNA溶液、含有來自組合化學庫的化合物的溶液或生物樣品；或無才幾分子。生物樣品可以是例如血液、血漿、血清、胃腸分泌物、組織或腫瘤的勻漿、滑液、糞便、唾液、痰、嚢液、羊水、腦脊髓液、腹膜液、肺灌洗液、精液、淋巴液、眼淚或者前列腺液。
優(yōu)選地，一種或多種特定的結合物被排列在傳感器上的不同特定的位置的微列陣中。一種或多種特定的結合物可以被結合到它們的特定的結合配偶體。特定的結合物的微列陣包括在本發(fā)明傳感器表面上的一種或多種特定的結合物，使得表面包含許多不同特定的位置，每個具有不同的特定的結合物或者具有不同量的特定的結合物。例如，列陣可以包
括l、 10、 100、 l，OOO、 10,000或100,000不同特定的位置。這樣一種傳
感器表面被稱為微列陣，因為一種或多種特定的結合物典型地被布置在
x-y坐標的規(guī)則的柵格圖案中。但是，本發(fā)明的微列陣可以包括布置在任何類型的規(guī)則或不規(guī)則圖案中的一種或多種特定的結合物。例如，不同特定的位置可以限定一種或多種特定的結合物的微陣列點。微陣列點直徑可以是大約50到大約500微米。微陣列點直徑還可以是大約150 到大約200微米。
本發(fā)明傳感器上的微列陣可以通過將一種或多種特定的結合物的微液滴放置到例如光柵或覆蓋層表面上的位置的x-y柵格上而產(chǎn)生。當該傳感器暴露于包括一種或多種結合配偶體的測試樣品時，所述的結合配偶體將優(yōu)選地被吸引到微列陣上的不同特定的位置，其包括對所述的結合配偶體具有高親合力的特定的結合物。一些不同特定的位置將在它們的表面上聚集結合配偶體，而其他的位置將不是這樣。
特定的結合物特定地結合到與本發(fā)明的傳感器表面接觸的結合配偶體。特定的結合物特定地結合到它的結合配偶體，但是基本上不結合到其他的與傳感器表面接觸的結合配偶體。例如，在所述的特定的結合
物是一種抗體并且它的結合配偶體是特定的抗原的情況下，所述的抗體特定地結合到所述的特定的抗原，但是基本上不結合到其他抗原。結合配偶體可以是例如核酸、多肽、抗原、多克隆抗體、單克隆抗體、單鏈
抗體(scFv)、 F(ab)片段、F(ab')2片段、Fv片段、小有機分子、細胞、病毒、細菌、聚合物、肽溶液、單鏈或雙鏈DNA溶液、RNA溶液、含有來自組合化學庫的化合物的溶液、無機分子或生物樣品。
本發(fā)明微列陣的一個例子是核酸微列陣，其中在該列陣中的每個不同特定的位置包含不同的核酸分子。在這種實施方案中，在所述核酸微列陣中的點檢測測試樣品中與核酸的相反鏈的互補化學結合。
盡管微量滴定板是最普通的用于生物化學分析的格式，但是微列陣日益被視為是用于使可以在一個時刻測量的生物化學相互作用的數(shù)目最大化同時使貴重試劑的體積最小化的手段。通過用微陣列點樣儀
(microarray spotter)將特定的結合物應用到本發(fā)明的傳感器上，可以獲得 10,000特定結合物/in2的特定結合物密度。通過聚焦照射光束來詢問單個的微列陣位置，傳感器可以被用作無標記物的微列陣讀取系統(tǒng)。
雖然對于特定的結合物或結合配偶體而言，無需包括可檢測到的標記物，但是可檢測到的標記物可以被用來檢測傳感器表面上的特定的結合物或結合配偶體。在本發(fā)明的特定的結合物和結合配偶體沒有檢測標記物的情況下，它們?nèi)匀豢梢园ㄆ渌愋偷臉擞浳锖蜆俗R物，用以增加分析靈敏度、固定特定的結合配偶體到生物傳感器表面、強化特定的結合物對他們的結合配偶體的結合和雜化、以及用于其他目的。
一種或多種特定的結合物的固定
分子可以被固定在傳感器上，使得它們將不會由于沖洗過程而被洗掉，以及使得對測試樣品中的分子的結合不受傳感器表面的阻止。幾種不同類型的表面化學手段已經(jīng)被用于將分子共價附著到例如，用于不同類型的微列陣和傳感器中的玻璃上。這些相同的方法可以容易地適應于本發(fā)明的傳感器。
一種或多種類型的分子可以通過物理吸附(即不使用化學鍵)或通過化學結合(即使用化學鍵)附著到傳感器表面?；瘜W結合可以產(chǎn)生在傳感器表面上的分子的更強的附著并提供表面結合的分子的確定的取向和構型。
其他類型的化學結合包括例如胺活化、醛活化和鎳活化。這些表面可以用來將幾種不同類型的化學鍵附著到傳感器表面。雖然胺表面可以用來附著幾種類型的連接分子(linker molecule),但是醛表面可以用來直接結合蛋白質(zhì)，不需要另外的連接物(linker)。鎳表面可以用來結合具有混入的組氨酸("his")標記(tag)的分子。用鎳活化表面檢測"his-標記的"分子是本領域公知的(Whitesides， Anal. Chem. 68, 4卯，(1996))。
特定的結合物固定到塑料、環(huán)氧樹脂或高折射率材料可以基本上如所述的固定到玻璃一樣進行。但是，可以取消酸洗步驟，此處這種處理將損害其中特定的結合物固定其上的材料。含液體的容器
本發(fā)明的傳感器可以包括內(nèi)表面，例如含液體的容器的底部表面。含液體的容器可以是例如微量滴定板孔、試管、陪替培養(yǎng)亞或微流體通道。本發(fā)明的一種實施方案是結合到任何類型的微量滴定板的傳感器。例如，傳感器可以通過將反應容器的壁裝配到共振反射表面上而被結合到微量滴定板的底部表面，使得每個反應"點"可以暴露于不同特定的測試樣品。因此，每個單獨的微量滴定板孔可以充當各自的反應容器。因此，各自的化學反應可以在鄰近的孔中發(fā)生，而不需要混合反應流體，并且化學上不同特定的測試溶液可以凈皮應用于單個的孔。
用于藥物高通量篩分實驗室、分子生物學研究實驗室和診斷分析實驗室的最常見的分析格式是微量滴定板。所述板是標準尺寸的塑料盒
(cartridge),其可以包含96、 384或1536個單獨的分布于柵格中的反應容器。由于這些板的標準機械構造，因此設計液體分配、自動化板操作和檢測系統(tǒng)，從而與這種常見的格式一起工作。本發(fā)明的傳感器可以被結合到常規(guī)的微量滴定板的底部表面。因為傳感器表面可以在大的區(qū)域中制作，并且因為讀取系統(tǒng)不與傳感器表面物理接觸，因此可以限定任意數(shù)量的單獨的傳感器區(qū)域，其僅僅受照射光學元件的聚焦分辨率和沿著傳感器表面掃描照射/檢測探針的x-y工作臺的限制。
傳感器還可以結合到其他一次性實驗室分析格式例如微列陣載玻片、流動池和細胞培養(yǎng)板。為了與現(xiàn)有的微列陣處理裝置例如點樣儀 (spotters)和培養(yǎng)室的兼容性，將傳感器結合到普通實驗室格式中是令人期望的。
傳感器的使用方法
可以使用本發(fā)明的傳感器，例如，平行研究一種或多種分子/分子相互作用；例如，通過應用一種或多種結合配偶體到具有固定其表面上的一種或多種特定的結合物的傳感器上，可以檢測一種或多種特定的結合物對它們各自的結合配偶體的結合，而不使用標記物。將傳感器用光線照射，并檢測來自傳感器的光線的最大反射波長或最小透射波長。如與其中一種或多種特定的結合物沒有結合到它們各自的結合配偶體的情形相比較，如果一種或多種特定的結合物已結合到它們各自的結合配偶體，那么光線的反射波長位移。在將傳感器用包含一種或多種特定的結合物的不同特定的位置的列陣進行覆蓋的情況下，那么從傳感器的每個不同特定的位置檢測光線的最大反射波長或最小透射波長。
在本發(fā)明的一種實施方案中，以列陣格式可以將各種特定的結合物例如抗體固定到本發(fā)明的傳感器上。所述傳感器然后與包括結合配偶體
的所關注的測試樣品例如蛋白質(zhì)相接觸。僅僅特定地結合到固定到傳感器上的抗體的蛋白質(zhì)保持對傳感器的結合。這種方法基本上是酶連接的免疫吸收劑分析的大規(guī)模版本，但是不需要使用酶或熒光標記物。
可以通過檢測來自傳感器的光線反射波長并且將一種或多種酶施加到該傳感器來檢測酶的活性，其中在所述傳感器上已固定一種或多種特定的結合物。清洗該傳感器并用光線照射。自傳感器測定光線的反射波長。在一種或多種酶通過酶活性改變了傳感器的一種或多種特定的結合物的情況下，光線的反射波長位移。
另外，測試樣品，例如，含有結合配偶體的細胞溶解產(chǎn)物可以被應用到本發(fā)明的傳感器，隨后清洗以除去未結合的材料。結合到傳感器的結合配偶體可以隨后從傳感器上洗脫并通過例如質(zhì)譜來識別。任選地，
噬菌體DNA展示文庫可以應用到本發(fā)明的傳感器，隨后清洗除去未結合的材料。結合到傳感器上的單個噬菌體顆粒可以被分離，然后可以對這些噬菌體顆粒中的插入片段(inserts)進行排序而確定結合配偶體的身份。
對于上面的應用，特別是蛋白組應用，選擇性結合材料的能力，例如，由測試樣品到本發(fā)明傳感器上的結合配偶體，隨后選擇性地從傳感器的不同特定的位置除去結合的材料以便進一步分析的能力是有利的。本發(fā)明的傳感器還能夠通過測量光線反射波長的位移來檢測和量化結合到傳感器列陣不同特定的位置的來自樣品的結合配偶體的數(shù)量。此外，在一個不同特定的傳感器位置處的波長位移可以與在其他的不同特定的傳感器位置處的正和負控制進行比較從而確定結合到傳感器列陣的不同特定的位置的結合配偶體的數(shù)量。
在本發(fā)明的一種實施方案中，可以檢測第一分子與第二測試分子之間的相互作用。使用上述的傳感器；但是，沒有固定在其表面上的特定的結合物。因此，該傳感器包括一維或二維光柵、支撐所述一維或二維光柵的基材層和任選地，覆蓋層。如上所述，當照射所述傳感器時，在反射輻射光譜中產(chǎn)生共振光柵效果，并且光柵的深度和周期小于該共振光柵效果的波長。
為了檢測第一分子與第二測試分子之間的相互作用，將第一和第二分子的混合物應用到傳感器上的不同特定的位置。不同特定的位置可以是傳感器上的一個點或者孔，或者可以是傳感器上的大的區(qū)域。第一分子和第三對照分子的混合物也被應用到傳感器上的不同特定的位置。該
傳感器可以是與上述相同的傳感器，或者可以是第二傳感器。如果該傳感器是相同的傳感器，則第二不同特定的位置可以用于第一分子和第三對照分子的混合物?；蛘撸诘谝缓偷诙肿颖粡膫鞲衅髑逑春?，可以使用相同的不同特定的傳感器位置。所述的第三對照分子不與第一分子相互作用，并且與第一分子尺寸大約相同。測量來自一個或多個傳感器的不同特定的位置的光線的反射波長的位移。如果來自具有第一分子和第二測試分子的不同特定的位置的光線的反射波長的位移大于來自具有第一分子和第三對照分子的不同特定的位置的反射波長的位移，則第一分子和第二測試分子相互作用。相互作用可以是，例如，核酸分子的雜化、抗體或抗體片段與抗原的特定結合、以及多肽的結合。第一分子、笫二測試分子或第三對照分子可以是，例如，核酸、多肽、抗原、多克
隆抗體、單克隆抗體、單鏈抗體(scFv)、 F(ab)片段、F(ab')2片段、Fv片段、小有機分子、細胞、病毒和細菌。
本文中任何地方所提及的全部的專利、專利申請和其他科學或技術著述以其全部內(nèi)容引入作為參考。本文中所述的作為目前優(yōu)選的實施方案代表的方法和組合物是示例性的，并且目的不是限制本發(fā)明的范圍。
涵于本發(fā)明的精神中。在不存在任何的沒有明確在本文中公開的一種或多種要素、一種或多種限制的情況下，本文中例證性描述的本發(fā)明能夠適當?shù)剡M行實踐。因此，例如，在本文中各自實例中，任何的術語"包括"、"基本上由...組成"和"由...組成，，可以用其他兩個術語中的任一個來代替。已經(jīng)被使用的術語和表述被用作說明書的術語而非限制，并且這樣的術語和表述的使用目的不是排除所示和所述的特征或它們的一部分的任何等價物，但是，應當理解在所要求保護的發(fā)明的范圍內(nèi)各種變形是可能的。因此，應當理解盡管本發(fā)明已經(jīng)通過實施方案和任選的特征進行了特定的公開，但是本文中所公開的概念的變形和變化被認為是在如說明書和所附權利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
20此外，在本發(fā)明的特征或方面按照備選內(nèi)容的馬庫什組或其他組進行描述的情況下，本領域技術人員將認識到本發(fā)明因此還按照所述的馬庫什組或其他組的任何單獨的組元或組元的子集進行了描述。
實施例
實施例1
使用嚴格耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA)和時域有限差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)才莫擬來預測一維表面光子晶體生物傳感器的共振波長和本體折射率靈敏度。該裝置結合了低折射率(11=1.17)納米多孔介電表面結構來代替以前報道過的聚合物 (11=1.39)表面結構。使用軟接觸壓花方法來產(chǎn)生在玻璃基材上的表面結構化低折射率多孔薄膜(其具有與以前的聚合物結構相同的深度和周期) 以便能夠進行并排的靈敏度對比。通過將靈敏度表征為本體折射率和表面吸附材料的方法來比較多孔玻璃生物傳感器與非多孔聚合物生物傳感器的靈敏度。最后，進行蛋白質(zhì)結合分析對比來證明傳感器的穩(wěn)定性和所述裝置用于選擇性檢測功能的能力。
使用兩個軟件包來建模和模擬所述的聚合物和多孔玻璃傳感器。首先，使用RCWA算法的2-D衍射光柵分析工具(GSOLVER)提供了用于最初的傳感器建模的快速和簡單的方法。第二， FDTD(Lumerical)提供了更加通用和強大的工具，其能夠?qū)τ扇我獾脑凑丈涞娜我夤鈱W裝置計算在任何時間或光譜位置的任何場分量。參見例如Kunz&Luebbers, The Finite Difference Time Domain method for Electromagnetics (用于電磁學的時域有限差分方法).1993, Boca Raton: CRCPress。使用FDTD來校驗 RCWA結果并用來更深入的觀察改變所述傳感器結構的效果。
RCWA和FDTD模擬都表明將先前裝置的圖案化的UV固化聚合物用低折射率材料進行取代產(chǎn)生本體位移系數(shù)的2倍增加。通過RCWA 預測浸入到DIH20中多孔玻璃傳感器的共振波長為844.3nm,具有大約 2nm的半峰全寬(FWHM)，如圖8所示。^t擬預示了具有傳感器幾何形狀微小改變的本體位移系數(shù)更進一步的改進。
4吏用DI H20和IPA的本體靈敏度測試是在23個多孔玻璃傳感器和 11個聚合物傳感器上進行的。對于所述的多孔玻璃和聚合物傳感器來說，平均PWV位移分別是13.6士2.4nm和5.1士1.5nm。所測量的多孔玻璃傳感器的本體位移系數(shù)(APWV/An)是聚合物裝置的2.7士1.2倍。在DI H20中的多孔玻璃裝置的測量給出了 829.5士16.5nm的平均PWV和 3.5士2.5nm的FWHM。所測量的光譜之一在圖9中示出，其中所述的響
制裝置測量的較低的反射效率和更寬的FWHM可以被歸結為小的、但是可測量的材料損失以及在該復制結構中所觀察到的缺陷。所測量的光譜特征的大的差異是由于，至少在部分上由于，使用幾種略微不同的(盡管標稱相同的)主圖案和缺少對復制過程的自動控制。
實施例2
將源自溶膠-凝膠的低折射率納米多孔二氧化硅薄膜(參見例如美國專利6,395,651)結合到傳感器中來代替先前設計中使用的UV固化的環(huán) 氧樹脂。因為低折射率的材料是通過加熱固化而非UV暴露，因此需要開發(fā)一種新的制作方法。盡管很顯然塑料基材不能維持用于多孔玻璃退火所必需的高溫，但是理想的是保留了低成本的蓋印方法。一種對于溶膠-凝膠玻璃蓋印可行方法是使用聚二曱基硅氧烷(PDMS)模具和玻璃基材。參見例如Parashar等人，Nano-replication of diffractive optical elements in sol-gel derived glasses(在源自溶膠-凝膠的玻璃中的衍射光學元件的納米復制).Microelectronic Engineering, 2003. 67-8: 710-719。
所述的低k生物傳感器的亞波長光柵結構是使用光刻、成型和蓋印的方法的結合而形成的。首先用Sylgard 184PDMS(DowCorning)子模復制硅主晶片圖案，該圖案具有最終的傳感器中所期望的表面結構的正圖像。為了便于PDMS模具從所述硅晶片中脫出，該晶片是用二曱基二氯珪烷(Repel Silane, Amersham Biosciences)的脫才莫層進行表面處理的。參見例如Beck等人， Improving stamps for 10nm level wafer scale nanoimprint lithography. Microelectronic Engineering, 2002. 61-2: 441-448。該PDMS復制品然后被用來蓋印未固化的旋涂在玻璃基材上的NANOGLASSO的薄膜(Honeywell Elec. Mat),所述薄膜是一種低折射率的溶膠凝膠玻璃。一旦所述的低折射率電介質(zhì)變硬，則除去該柔性的 PDMS ;^莫具并通過進一步的烘焙來使所述的溶膠-凝膠玻璃完全固化。該傳感器結構通過蒸鍍175nm的Ti02到所述的圖案化的表面來完成。隨后用二曱基二氯硅烷的表面處理促進了生物吸附并且提高了傳感器的穩(wěn)定性。圖7表示了該裝置橫截面的示意圖。
所迷的聚合物結構類似于先前出版物中所描述的聚合物結構。參見例如Cunningham等人，A plastic colorimetric resonant optical biosensor for multiparallel detection of label-free biochemical interactions. Sensors and Actuators B, 2002. 85:219-226。盡管聚酯/聚合物和低折射率多孔玻璃裝置分別使用120nm和165nm Ti02涂層，但是兩種結構都使用550nm 周期和n0nm的蓋印深度。這兩種裝置將在整個其余的實施例中被稱為 "聚合物"和"多孔玻璃"傳感器。所述的聚合物裝置以排列并附著到無底的96孔標準微量滴定板(SRU Biosystems)上的傳感器的列陣的形式提供。所述的多孔玻璃裝置在75mmx25mmxlmm玻璃顯微:鏡載玻片上制作。對于每個載玻片上的5-6個傳感器，將粘性橡膠孔(Research International Corp.)附著在所述的玻璃表面來提供液體包含物。
使用去離子水(DI H20, n= 1.333)和異丙醇(IPA, n= 1.378)來測定每個傳感器的本體位移系數(shù)。首先，將DI H20移液到傳感器的表面并測量PWV。讀取裝置的構造先前已經(jīng)報道過。參見例如Cunningham等人, colorimetric resonant reflection as a direct biochemical array technique. Sensors and Actuators B, 2002. 81: 316-328。將寬波長光源耦合到光纖，其從基材下垂直入射來照射所述的光子晶體表面的大約2 mm直徑區(qū) 域。反射光通過第二光纖進行收集并用分光計測量，笫二光纖被捆扎而緊接于所述的照射纖維。自動運動工作臺能夠在定時間隔平行收集來自許多孔的反射數(shù)據(jù)，使得獲得動態(tài)信息。
接下來，徹底千燥所述表面并對IPA重復前述步驟。然后計算DI H20和IPA之間的本體位移系數(shù)PWV的變化除以本體折射率的變化。
實施例3
尸尸丄i參,著^試
表面吸附材料的靈敏度表征為借助施用到傳感器表面的0.01M磷酸鹽緩沖鹽水(PBS; pH二7.4)來檢測制備成0.5mg/ml溶液的PoIy(LyS, Phe)(PPL; Sigma-Aldrich; MW^35,400Da)的單層薄膜。在1分鐘的取樣間隔中，生物附著測試從將PBS移液到測試孔中開始。IO分鐘之后，將緩沖液用PPL溶液代替并使其穩(wěn)定30分鐘。然后清洗這些孔三次并用PBS填充而獲得最后的30分鐘的數(shù)據(jù)測量。
PPL被沉積在5個多孔玻璃和9個聚合物傳感器上。圖10比較了每個裝置的動態(tài)圖，表明多孔玻璃傳感器有大約4倍的表面靈敏度增加。第一步驟建立了基線，第二個步驟對應于PPL的快速表面吸附和飽和，并且最后的第三部分的曲線說明在通過用PBS緩沖液沖洗而消除弱的或非特定結合的分子后的單層穩(wěn)定性。在PPL固定到多孔玻璃傳感器上的過程中產(chǎn)生的PWV位移比使用聚合物裝置所測量的PWV位移飽和得更慢。顯然，多孔玻璃傳感器表面明顯不利于蛋白質(zhì)單層吸附。進一步的表面化學最優(yōu)化應當會減輕這種效果。但是，所述的多孔玻璃傳感器在將未結合的分子洗掉后表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。
實施例4 ;i果合參源試
為了表征作為距離傳感器表面的距離的函數(shù)的不同的靈敏度，將一系列聚合物電解質(zhì)單層沉積在傳感器上。當在檢測裝置上連續(xù)監(jiān)測時，通過在帶正負電荷的聚合物層之間交變，可以在傳感器上形成堆棧的均勻的自P艮的聚合物。參見例如Cunningham等人，Enhancing the surface sensitive of colorimetric resonant optical biosensors. Sensors and Actuators B, 2002.87 (2): 365-370。將三個不同的聚合電解質(zhì)沉積在傳感器表面上陰離子聚(4-苯乙烯磺酸鈉)(PSS; MW=70000 Da)、陽離子聚(亞乙基酰亞胺)(PEI; MW=60000 Da)和陽離子聚(烯丙基胺氯化氫)(PAH; MW-70000 Da)。所述的聚合物電解質(zhì)購自Sigma-Aldrich。用去離子水制備0.9M NaCl緩沖液溶液(Sigma-Aldrich)。將所迷的聚合物電解質(zhì)以5mg/ml的濃度溶解在該緩沖液中。在l分鐘的取樣間隔中，在5分鐘的步驟中進行多層表面靈敏度表征。首先，將NaCl緩沖液移液到傳感器孔中。接著，將該緩沖液除去和用PEI溶液代替。然后清洗所述孔三次并用緩沖液填充。對PSS和PAH重復前面兩個步驟直到7個PSS-PAH層已經(jīng)沉積在單個PEI層上。
在它們被吸附到所述表面上時，前述的PSS和PAH的14個交替層每個產(chǎn)生被檢測的PWV中的可測量的位移。圖11給出了 PWV位移對聚合物厚度的空間曲線圖，其中在清洗步驟之后，在緩沖液中測量每個PWV位移。每個聚合物電解質(zhì)的單層是大約4.4nm厚并且具有1.49的 4斤射率。參見寸列i口, Picart等人， Determination of structural parameters characterizing thin films by optical methods: A comparison between scanning angle reflectometry and optical waveguide lightmode spectroscopy. Journal of Chemical Physics, 2001.115(2): 1086-1094。所述的多孔玻璃傳感器表現(xiàn)出為所述的聚合物傳感器的大約1.5倍的平均表面靈敏度。但是，應當提到的是沉積在多孔玻璃裝置上的每個所述的前兩層(大約 9nm)產(chǎn)生了兩倍于其余各層值的PWV位移，而在聚合物裝置中未觀察到這樣的效果。
實施例5
為了證明用所提出的裝置的選擇性檢測，進行生物分析，其表征了人、羊和雞的IgG的蛋白質(zhì)A的親合性。蛋白質(zhì)A (Pierce Biotechnology) 是用0.01 M PBS制備成0.5mg/ml的濃度。在使用前用0.22pm注射過濾器(Nalgene)過濾器過濾所述的緩沖液。將人、羊和雞免疫球蛋白-G(IgG) 血清(Sigma-Aldrich)在0.01 M PBS中稀釋成濃度為0.5 mg/ml。在每個步驟之間允許30分鐘并且間隔1分鐘取樣，首先將PBS溶液移液到傳感器的孔。接著，將所述的緩沖液用蛋白質(zhì)A溶液代替。然后沖洗所述的孔三次，并用緩沖液填充。在信號穩(wěn)定后，將所述孔中的三個孔的緩沖液用人、羊和雞的IgG代替，而將第四個孔放置作為僅僅含有緩沖液的參照物。最后，除去IgGs并再次沖洗所迷的孔并用PBS填充來獲得最后30分鐘的數(shù)據(jù)測量。
將蛋白質(zhì)A引入到15個多孔玻璃和16個聚合物傳感器的孔中。在清洗步驟之后所產(chǎn)生的PWV位移是多孔玻璃裝置的大約4倍。圖13表示了所測試的多孔玻璃傳感器的具有蛋白質(zhì)A的人、羊和雞的IgG的實測結合動力學，而圖14給出了兩種裝置之間的對于每個抗體的終點 PWV位移比較(相對于沒有IgG的參考孔)。在聚合物傳感器表面上，蛋白質(zhì)A的表面吸附飽和得更快，這類似于在PPL生物附著測試中所觀察到的。多孔玻璃裝置表現(xiàn)出對具有蛋白質(zhì)A更高親合力的抗體更大的靈敏度。以兩倍的靈敏度檢測人IgG結合，而雞IgG缺乏對于蛋白質(zhì)A的任何特異性(參見例如，Richman等人，The binding of Staphylococciprotein A by the sera of different animal species. Journal of Immunology, 1982. 128:2300-2305),產(chǎn)生相當?shù)捻憫⑻峁┓翘囟ńY合的量度。
將光子晶體生物傳感器設計成將電磁能耦合到沉積到它的表面上的來自液體測試樣品的生物材料。雖然所述裝置自身是由低折射率表面結構和高折射率介電涂層組成，但是填充在所述表面結構中的液體測試樣品也必須被認為是該傳感器的整體部分——以及唯一的可以引起共振波長的改變的動態(tài)組件。將非常低折射率材料結合到光子晶體生物傳感器結構中的目的是使共振波長的電磁場偏向于與液體測試樣品較強
域較弱的相互作用。
旋涂低k介電材料的使用平衡了(leverage off)在集成電路制造團體進行的大量的投資，所述團體需要快速加工、結構穩(wěn)定性和排除液體滲透。這個工作的獨特的方面是使用蓋印方法來精確地將亞微米表面結構賦予到納米多孔玻璃薄膜，而不使用光刻。在固化加工的最初階段過程中，在低k薄膜表面上蓋印工具的存在不會改變最終的固化結構化薄膜的折射率。所述的蓋印方法能使主要的成本僅僅存在于所述的"主"硅晶片制造中，這又用來產(chǎn)生幾乎不限數(shù)量的"子，，PDMS蓋印工具。每個 PDMS工具可以被用來產(chǎn)生大量的傳感器結構而不損壞該工具，這是因為僅僅需要很小的力來使得旋涂液體低k層適應于該工具。在蓋印之后，該低k介電薄膜在熱板上使用易于自動化的方法快速固化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)柔性的蓋印工具的使用比用硅主晶片直接蓋印更加有利，因為PDMS模具更易于從部分固化的低k薄膜中脫出，并且能夠使在固化過程中釋放的揮發(fā)性溶劑透過。雖然在本文所述的工作中僅蓋印了 lx3英寸的顯微鏡載玻片區(qū)域，但是所述的蓋印方法可以按比例放大到更大的表面面積來達到能夠制造大到足以覆蓋整個96孔或384孔標準微板(大約3x5英寸) 的傳感器面積。
在多孔玻璃傳感器結構和聚合物傳感器結構比較過程中發(fā)現(xiàn)的一種令人感興趣的和有用的結果是在本體折射率靈敏度和表面吸附的層靈敏度之間贏得了靈敏度不同。盡管計算機建模精確預測了對于由覆蓋多孔玻璃傳感器表面的溶液的本體折射率變化導致的PWV位移所測量的大約2倍的靈敏度增加，但是對于被吸附材料的薄層一貫測量出PWV 位移的大約4倍增加。通過使用聚合物多層試驗來測量PWV位移隨厚度的變化(圖11),我們能夠表征作為距傳感器表面的距離的函數(shù)的耦合電磁場的相互作用強度。對于多孔玻璃傳感器，被吸附的聚合物的頭若干單層的相互作用特別強，而對于每個在聚合物傳感器結構上被吸附的
單層，聚合物厚度和PWV之間的關系是高度線性的。測試樣品和共振
電磁場分布之間的相互作用是非常復雜的，因為^皮檢測的材料可以吸附到所述結構的水平和垂直表面，其中特征場曲線從每個表面延伸到樣品。對于多孔玻璃生物傳感器，基于表面的檢測靈敏度被提高到超出了本體靈敏度的改進。因為大多數(shù)生物分子相互作用被期望在距傳感器表面的頭幾納米的范圍內(nèi)發(fā)生，因此表面靈敏度對于增加基于表面的生物化學分析中的靈敏度是最重要的。
權利要求
1.一種傳感器，其包括納米多孔材料，其具有低折射率，通過基材承載在底部表面上，并且由高介電常數(shù)介電涂層涂覆在頂部表面上；其中，高介電常數(shù)介電涂層或者與納米多孔材料結合的高介電常數(shù)介電涂層形成了亞波長周期光柵結構；其中，當照射傳感器時，在反射輻射光譜上產(chǎn)生了共振光柵效果；并且其中，亞波長周期光柵結構的深度和周期小于共振光柵效果的波長。
2. 權利要求l的傳感器，其中當用寬波段的光波長照射傳感器時，從傳感器反射窄波段的光波長。
3. 權利要求1的傳感器，其中納米多孔材料的折射率是約1.1-約2.2。
4. 權利要求1的傳感器，其中納米多孔材料的折射率是約1.1-約1.5。
5. 權利要求1的傳感器，其中亞波長周期光柵結構的周期為約50 nm-約1,500 nm并且亞波長周期光柵結構的深度為約50 nm-約900 nm。
6. 權利要求l的傳感器，其中所述的納米多孔材料是多孔二氧化硅干凝膠，多孔氣凝膠，多孔氫硅倍半氧烷，B階聚合物，多孔甲基硅倍半氧烷，多孔聚(亞芳基醚)，或其組合。
7. 權利要求l的傳感器，其中基材包括玻璃、塑料或環(huán)氧樹脂。
8. 權利要求1的傳感器，其中介質(zhì)涂層的折射率是約1.8-約3.0。
9. 權利要求1的傳感器，其中介質(zhì)涂層包括氧化錫、五氧化二鉭、硫化鋅、二氧化鈦、氮化硅或其組合。
10. 權利要求1的傳感器，其中基材的折射率是約1.4-約1.6。
11. 權利要求1的傳感器，其中介質(zhì)涂層的厚度為約30 nm-約700 nm并且納米多孔材料的厚度為約10 nm-約5,000 nm。
12. 權利要求1的傳感器，其中介質(zhì)涂層在其頂部表面上具有覆蓋層。
13. 權利要求l的傳感器，其中傳感器還包括一種或多種固定在高介電常數(shù)介電涂層上的特定的結合物。
14. 權利要求12的傳感器，其中傳感器還包括一種或多種固定在覆蓋層上的特定的結合物。
15. 權利要求13的傳感器，其中一種或多種特定的結合物不包括可沖企測的標記物。
16. 權利要求13的傳感器，其中一種或多種特定的結合物結合到其結合配偶體。
17. 權利要求16的傳感器，其中一種或多種特定的結合物和結合配偶體不包括可檢測的標記物。
18. 權利要求13的傳感器，其中一種或多種特定的結合物在高介電常數(shù)介電涂層上布置于陣列中。
19. 權利要求14的傳感器，其中一種或多種特定的結合物在覆蓋層上布置于陣列中。
20. —種傳感器，其包括由覆蓋基材的波導薄膜形成的波導結構，其中所述波導薄膜的折射率高于基材的折射率，和包含在波導結構中的衍射光柵，其中所述衍射光柵包括低介電常數(shù)的納米多孔材料。
21. 權利要求20的傳感器，其中納米多孔材料的折射率是約1.1-約1.5。
22. 權利要求20的傳感器，其中納米多孔材料的折射率是約1.1-約2.2。
23. 權利要求20的傳感器，其中所述的納米多孔材料是多孔二氧化硅干凝膠，多孔氣凝膠，多孔氬硅倍半氧烷，B階聚合物，多孔曱基硅倍半氧烷，多孔聚(亞芳基醚)，或其組合。
24. 權利要求20的傳感器，其中基材包括玻璃、環(huán)氧樹脂或塑料。
25. 權利要求20的傳感器，其中波導薄膜包括氧化錫、五氧化二鉭、硫化鋅、二氧化鈦、氮化硅或其組合。
26. 權利要求20的傳感器，其中波導薄膜包括聚合物。
27. 權利要求20的傳感器，其中傳感器還包括一種或多種固定在波導薄膜上的特定的結合物。
28. 權利要求27的傳感器，其中一種或多種特定的結合物不包括可 ^r測的標記物。
29. 權利要求28的傳感器，其中一種或多種特定的結合物結合到其結合配偶體。
30. 權利要求29的傳感器，其中一種或多種特定的結合物和結合配偶體不包括可4全測的標記物。
31.權利要求27的傳感器，其中一種或多種特定的結合物在高折射率介電涂層上布置于陣列中。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種傳感器。所述傳感器包括納米多孔材料，其承載在基材上并且由高介電常數(shù)介電涂層涂覆在頂部表面上。涂層與納米多孔材料形成了亞波長周期光柵結構。
文檔編號G01N21/25GK101317083SQ200680033115
公開日2008年12月3日申請日期2006年6月29日優(yōu)先權日2005年7月8日
發(fā)明者B·T·坎寧安申請人:Sru生物系統(tǒng)公司

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