分光計(jì)組件及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有光透射濾光器的分光計(jì)組件，該光透射濾光器包括交替堆疊的連續(xù)的非圖案化的金屬層和電介質(zhì)層。例如與具有多層電介質(zhì)的濾光器相比，具有連續(xù)金屬層的本發(fā)明的光透射濾光器的角度相關(guān)透射波長(zhǎng)偏移小，從而有利于減小分光計(jì)組件的尺寸。
【專利說(shuō)明】分光計(jì)組件及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及分光計(jì)(spectroscopic instrumentation)及其應(yīng)用方法,更特別地，涉及一種采用濾光器的分光計(jì)及其應(yīng)用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]透射型濾光器被用在分光應(yīng)用中以選擇樣品發(fā)射的光的波長(zhǎng)或波帶，和/或選擇照射樣品的光的波長(zhǎng)或波帶。例如，在熒光分光應(yīng)用中，一束激勵(lì)光照射樣品，探測(cè)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，以獲得其光譜和/或確定該樣品響應(yīng)該激勵(lì)光的激勵(lì)而發(fā)射的總的熒光值(fluorescence level)。
[0003]單帶通透射型濾光器能夠被用來(lái)測(cè)量總的熒光值。熒光值的測(cè)量可被用來(lái)確定熒光分子的濃度，PH值等等。通過(guò)提供被設(shè)計(jì)來(lái)在鍵合到目標(biāo)分子時(shí)改變其熒光性質(zhì)的熒光分子，熒光測(cè)量也可以被用來(lái)估算樣品中非熒光目標(biāo)分子的濃度。使用激勵(lì)光照射包含熒光分子和目標(biāo)分子的樣品，并且測(cè)量熒光的光功率值。
[0004]圖1中示出了適于上述目的的典型熒光分光光度計(jì)。熒光分光光度計(jì)10包括光源11，準(zhǔn)直/聚焦透鏡12A、12B、和12C，激勵(lì)濾光器13，熒光濾光器14，分束器15，和光電探測(cè)器16。操作中，光源11發(fā)射實(shí)線所不的激勵(lì)光17。激勵(lì)光17被最左側(cè)透鏡12A準(zhǔn)直,被激勵(lì)濾光器13濾光，透射穿過(guò)分束器15，并且被最右側(cè)透鏡12B聚焦到樣品18上。被照射的樣品18發(fā)射虛線所示的熒光19。熒光19被最右側(cè)透鏡12B準(zhǔn)直，從分束器15被反射，并被底部透鏡12C聚焦到光電探測(cè)器16上。激勵(lì)濾光器13和熒光濾光器14是多層電介質(zhì)濾光器，由于其具有好的波長(zhǎng)選擇性和相對(duì)低的光學(xué)插入損耗，它們優(yōu)于其他類型的濾光器。
[0005]雖然被廣泛運(yùn)用，熒光分光光度計(jì)10具有尺寸相對(duì)較大的缺點(diǎn)?，F(xiàn)在，微型熒光計(jì)能夠被用于可植入葡萄糖測(cè)量探針中，該探針被設(shè)置于皮下，也就是說(shuō)，位于病人的皮膚之下。例如，美國(guó)加利福尼亞日耳曼敦的Senseonics公司(Senseonics Inc.)研發(fā)出了一種用于糖尿病病人的連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括皮下探針，該皮下探針具有作為血糖傳感器的微型熒光計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]由于熒光分光光度計(jì)的皮下放置，其需要被制造的盡可能的小。本發(fā)明的目的是提供濾光器，其能夠?qū)崿F(xiàn)適于皮下放置的緊湊型分光計(jì)組件。使用這些濾光器的微型分光計(jì)組件的其他各種應(yīng)用當(dāng)然也是可能的。
[0007]阻礙分光計(jì)小型化的一個(gè)因素是必須準(zhǔn)直光束，以確保用于分光計(jì)的濾光器具有足夠的波長(zhǎng)選擇性。為了準(zhǔn)直光束，需要透鏡或凹面鏡。這些元件相對(duì)體積較大，并且需要至少一個(gè)焦距的自由空間傳播，這將增加分光計(jì)組件的尺寸。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，分光計(jì)組件包括濾光器，該濾光器即使在較高的匯聚或發(fā)散光束中也能夠保持合適的波長(zhǎng)選擇性，從而能夠減少對(duì)于準(zhǔn)直光學(xué)元件的需要，并減小尺寸。用于這種分光計(jì)組件的濾光器包括連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)的交替電介質(zhì)和金屬層的堆疊，這將減少透射波長(zhǎng)的角敏感度。
[0009]包含金屬層的濾光器是已知的，并且它們通常避免被用于分光計(jì)中，因?yàn)榻饘賹又芯哂邢鄬?duì)高的插入損耗。為了減少插入損耗，金屬層需要被微結(jié)構(gòu)化，以包括多個(gè)次波長(zhǎng)傳導(dǎo)特征，所述次波長(zhǎng)傳導(dǎo)特征表現(xiàn)出與損耗相抵消的等離子共振效應(yīng)。然而，微結(jié)構(gòu)金屬層表現(xiàn)出透射波長(zhǎng)的相當(dāng)大的角敏感度，并因此不用在本發(fā)明中。相反，本發(fā)明使用夾在電介質(zhì)層之間的連續(xù)和非微結(jié)構(gòu)化的金屬層。選擇連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的金屬層在所得層堆疊中的厚度和位置，以便產(chǎn)生相對(duì)高的光透射，同時(shí)保持濾光器在寬范圍入射角的波長(zhǎng)選擇性。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，提供一種分光計(jì)組件，包括:
[0011]固定器，用于固定在受激勵(lì)光激勵(lì)時(shí)發(fā)射信號(hào)光的樣品；
[0012]第一信號(hào)濾光器，其被耦合到該固定器，用于在第一信號(hào)透射波長(zhǎng)透射所述信號(hào)光的第一部分，同時(shí)阻擋所述激勵(lì)光；以及
[0013]第一光電探測(cè)器，其被耦合到該第一信號(hào)濾光器，用于當(dāng)使用透射穿過(guò)第一信號(hào)濾光器的所述信號(hào)光的第一部分照射時(shí)，提供第一電信號(hào)，
[0014]其中，第一信號(hào)濾光器包括交替堆疊的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的金屬層和電介質(zhì)層，從而減少第一信號(hào)透射波長(zhǎng)的角敏感度。
[0015]類似的濾光器也可以設(shè)置在分光計(jì)組件的激勵(lì)光光路中，以透射激勵(lì)光，同時(shí)阻擋信號(hào)光。在激勵(lì)光路或探測(cè)光路中能夠設(shè)置多于一個(gè)濾光器。一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)濾光器能夠被耦合到光源；并且每個(gè)探測(cè)濾光器能夠被耦合到其自身的光電探測(cè)器。這些濾光器可以與光電探測(cè)器和/或光源集成制造。
[0016]在一些實(shí)施例中，濾光器中的金屬層和電介質(zhì)層的總厚度小于5微米。優(yōu)選地,每個(gè)金屬層在濾光器的周邊都具有錐形邊緣，其中每個(gè)錐形邊緣被一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)層保護(hù)覆蓋。由于它們固有的抗腐蝕性，這種濾光器在攻擊性或腐蝕性環(huán)境中是特別有用的。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，還提供一種探測(cè)熒光的方法，包括:
[0018](a)提供上述的分光計(jì)組件；
[0019](b)利用激勵(lì)光照射樣品；
[0020](c)在至少60度的收集角度內(nèi)收集信號(hào)光的第一部分；以及
[0021](d)探測(cè)所述分光計(jì)組件的所述第一光電探測(cè)器的電信號(hào)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供一種透射濾光器在光學(xué)分光計(jì)中的用途，該透射濾光器包括交替堆疊的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)金屬層和電介質(zhì)層，以辨別激勵(lì)波長(zhǎng)和信號(hào)波長(zhǎng)，其中濾光器中連續(xù)的非圖案化的金屬層的存在降低了濾光器的透射波長(zhǎng)的角度相關(guān)性，從而減小光學(xué)分光計(jì)的尺寸。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]現(xiàn)在，將結(jié)合附圖描述示例性實(shí)施例，其中:
[0024]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的熒光分光光度計(jì)的平面圖；
[0025]圖2A是本發(fā)明的分光計(jì)組件的側(cè)面截面爆炸圖；
[0026]圖2B是用于圖2A的分光計(jì)組件中的濾光器的側(cè)面截面圖；[0027]圖3是樣品的吸收和熒光光譜曲線，疊加有光源的發(fā)射光譜和圖2B的濾光器的透射光譜；
[0028]圖4A-4D是本發(fā)明的分光計(jì)組件的不同實(shí)施例的側(cè)面截面圖；
[0029]圖5是具有兩個(gè)熒光濾光器和兩個(gè)光電探測(cè)器的分光計(jì)組件的側(cè)面截面圖；
[0030]圖6A-6C是可用于圖5的分光計(jì)組件的樣品的吸收/熒光光譜曲線，疊加有光源的發(fā)射光譜和圖2B的濾光器的透射光譜；
[0031]圖7是可與圖2A、圖4A-4D、圖5的分光計(jì)組件一起使用的，包括光源和兩個(gè)激勵(lì)濾光器的子組件的截面圖；
[0032]圖8A和SB是圖7的光源的發(fā)射光譜曲線，疊加有樣品的吸收/熒光光譜和圖7的激勵(lì)濾光器的透射光譜；
[0033]圖9A是本發(fā)明的金屬電介質(zhì)濾光器的在不同入射角度的透射光譜的疊加；
[0034]圖9B是典型的電介質(zhì)堆濾光器的在不同入射角度的透射光譜的疊加；
[0035]圖9C是圖9A和9B的平均透射光譜的疊加；
[0036]圖1OA是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的封裝的金屬電介質(zhì)濾光器的側(cè)面截面圖；
[0037]圖10B-10G是晶片的多個(gè)截面圖，其示出圖1OA的濾光器的制造過(guò)程；以及
[0038]圖1lA和IlB是根據(jù)本發(fā)明的探測(cè)熒光的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]雖然結(jié)合不同實(shí)施例和例子描述了本發(fā)明的教導(dǎo)，然而并不打算將本發(fā)明的教導(dǎo)限制到這些實(shí)施例中。相反，本發(fā)明的教導(dǎo)包括本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠認(rèn)識(shí)到的各種改變和等同物。
[0040]參照?qǐng)D2A和圖3，圖2A的分光計(jì)組件20包括樣品固定器21，光耦合到樣品固定器21的濾光器22 (或者“信號(hào)濾光器”22)，以及光耦合到信號(hào)濾光器22的光電探測(cè)器23。樣品固定器21固定樣品24，例如，具有熒光染料或溶解于其內(nèi)的蛋白質(zhì)的流體。樣品固定器21、信號(hào)濾光器22以及光電探測(cè)器23可以由外殼(未示出)固定在一起，或者簡(jiǎn)單地附著在一起形成堆疊。在操作中，利用具有圖3中的光譜35的激勵(lì)光25激勵(lì)樣品24，優(yōu)選地，光譜35匹配樣品24的吸收或激勵(lì)光譜34。激勵(lì)光25由外部光源發(fā)射，圖2A中未示出。作為響應(yīng)，樣品24發(fā)射信號(hào)光26，在本例子中，發(fā)射具有發(fā)射光譜36的熒光。信號(hào)濾光器22在透射波長(zhǎng)λ F (圖3)透射信號(hào)光26的的一部分26Α，同時(shí)阻擋激勵(lì)光25 (圖2)以及，優(yōu)選地，阻擋雜散光。被透射部分26Α照射到光電探測(cè)器23上，產(chǎn)生與被透射部分26Α的光功率值成比例的電信號(hào)(未示出)。這里以及說(shuō)明書(shū)的其它部分，術(shù)語(yǔ)“波長(zhǎng)λ的光”指的是以為中心的有限寬度的波帶內(nèi)的光。換句話說(shuō)，是有限寬度的波帶的中心波長(zhǎng)。作為例子，在圖3中，波長(zhǎng)λ F是信號(hào)濾光器22的透射帶32的中心波長(zhǎng)。
[0041]轉(zhuǎn)到圖2B，并再次參考圖2A和圖3，如圖所示，信號(hào)濾光器22包括交替堆疊的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的金屬層27和電介質(zhì)層28?？蛇x阻擋層29幫助金屬層27的密封。優(yōu)選地，采用具有良好光學(xué)質(zhì)量的諸如銀、鋁或金的金屬來(lái)沉積金屬層27。電介質(zhì)層28可以包括金屬氧化物，例如，Si02、Ta205、Nb205、Ti02、Hf02和Al2O3,或者它們的混合物。可以單獨(dú)選擇各個(gè)金屬層27的厚度，以更好地匹配所需的光學(xué)特性，例如，透射光的大小，中心波長(zhǎng)入F以及透射帶32 (圖3)。[0042]金屬層27通常是5nm到50nm厚，優(yōu)選地，8nm到30nm厚。電介質(zhì)層28是IOnm到500nm厚，優(yōu)選地，20nm到200nm厚。單個(gè)信號(hào)濾光器中通常有2到8層金屬層27，更優(yōu)選地，3到6層金屬層27。得到的濾光器22的厚度通常小于5微米，更優(yōu)選地，小于I微米。阻擋層29是非常薄的金屬氧化物，例如，氧化鋅，厚度通常小于3納米，優(yōu)選地，小于I納米。為了獲得阻擋層，金屬可以被沉積到所需的0.5nm厚，隨后將該金屬氧化。諸如俄羅斯聯(lián)邦莫斯科的OptiLayer有限公司(OptiLayer Ltd.)供應(yīng)的Optilayer?,美國(guó)俄勒岡州波特蘭 Software Spectra 公司(Software Spectra Inc.)供應(yīng)的 TFCalc?,或者美國(guó)新澤西州普林斯頓FTG Software供應(yīng)的Fi lmStar?等市場(chǎng)可以買(mǎi)到的軟件，可以用來(lái)優(yōu)化金屬層和電介質(zhì)層的厚度。
[0043]為了增加所選擇波長(zhǎng)范圍內(nèi)的衰減，可以將額外的電介質(zhì)層堆疊39增加到信號(hào)濾光器22 ;例如，在信號(hào)濾光器的情況下，可選的堆疊39可以是以激勵(lì)波長(zhǎng)為中心的四分之一波片堆疊。此外，信號(hào)濾光器22的金屬層27和電介質(zhì)層28可以被直接沉積在光電探測(cè)器23上,使濾光器22和光電探測(cè)器23成為一體。例如,可以方便地將信號(hào)濾光器22直接沉積到其內(nèi)具有集成的光電探測(cè)器的CMOS或ASIC晶片上。
[0044]重要的是，金屬層27是沒(méi)有在其內(nèi)形成的刻蝕結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的層。結(jié)構(gòu)化的金屬-電介質(zhì)濾光器能夠展示高透射量值，但這通常是以透射波長(zhǎng)的高的角度敏感性為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。后一種現(xiàn)象已經(jīng)被報(bào)道過(guò)，例如，Ebbesen等人的文章(自然快報(bào))(Letters to Nature),第391卷第667-669頁(yè)(1998)。與之形成對(duì)比的是,本發(fā)明的信號(hào)濾光器22沒(méi)有任何這種結(jié)構(gòu)，這使得信號(hào)濾光器22比Ebbesen的微結(jié)構(gòu)化的金屬-電介質(zhì)濾光器具有對(duì)信號(hào)光26的小得多的角度敏感性。這里，術(shù)語(yǔ)“微結(jié)構(gòu)化的”指的是所成形的和所設(shè)定尺寸的波長(zhǎng)尺寸或次波長(zhǎng)尺寸特征，以展示等離子共振效應(yīng)，例如，用于可見(jiàn)光或近紅外光的IOnm到2nm尺寸?！疤卣鳌笨梢园ň匦?、網(wǎng)格、橢球或類似結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的濾光器可以被構(gòu)造以用于其它目的，例如，環(huán)境或機(jī)械穩(wěn)定性，具有大于2微米(um)的特征尺寸，更優(yōu)選地，大于200微米。因此，術(shù)語(yǔ)“非微結(jié)構(gòu)化的”指的是或者完全平滑和連續(xù)的膜，或者是結(jié)構(gòu)化的膜，但是，其內(nèi)沒(méi)有尺寸小于2微米的特征圖案，并且更優(yōu)選地，沒(méi)有尺寸小于200微米的特征圖案。如此大的特征在UV到NIR (近紅外)光譜范圍內(nèi)通常不展現(xiàn)出明顯的等離子共振效應(yīng)，并因此不認(rèn)為是本公開(kāi)中的“微結(jié)構(gòu)”。
[0045]當(dāng)濾光器22的透射波長(zhǎng)λF相對(duì)于入射角度改變不明顯時(shí)，可以如圖中所示，省略分光計(jì)組件20中的準(zhǔn)直透鏡，從而使得分光計(jì)組件20非常緊湊，和/或提高光收集效率。下面，將考慮，相對(duì)于傳統(tǒng)的多層電介質(zhì)濾光器，信號(hào)濾光器22的透射波長(zhǎng)的角度相關(guān)性，以及信號(hào)濾光器22的一個(gè)實(shí)施例的更詳細(xì)的示例性制造方法。
[0046]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4Α和圖6Α，并再次參考圖2Α和2Β，分光計(jì)組件40Α包括樣品固定器21,光稱合到樣品固定器21的信號(hào)濾光器22,以及光稱合到信號(hào)濾光器22的光電探測(cè)器23。樣品固定器21固定樣品24。分光計(jì)組件40Α還包括激勵(lì)光源43和耦合到激勵(lì)光源43以及樣品固定器21的激勵(lì)濾光器42。優(yōu)選地，激勵(lì)濾光器42與圖2Β的信號(hào)濾光器22是相同類型的，也就是說(shuō)，其包括交替堆疊的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的金屬層27和電介質(zhì)層28，用以減少透射波長(zhǎng)(發(fā)射波長(zhǎng))λ Ε (圖6Α)的角度相關(guān)性。在操作中，光源43 (圖4Α)發(fā)射具有光譜35 (圖6Α)的激勵(lì)光25，并且激勵(lì)濾光器42 (圖4Α)在發(fā)射波長(zhǎng)λΕ (圖6Α)透射激勵(lì)光25的一部分25Α,同時(shí)阻擋信號(hào)光26。發(fā)射波長(zhǎng)λ Ε是激勵(lì)濾光器42的透射帶52的中心波長(zhǎng)。分光計(jì)組件40A可以用于這樣的應(yīng)用中，其中樣品固定器21被制造成為兩側(cè)都可以進(jìn)入的管或通道形式，例如，在流式細(xì)胞儀應(yīng)用中。
[0047]轉(zhuǎn)到圖4B到4D，并再次參考圖4A，圖4B、4C和4D的分光計(jì)組件40B、40C和40D分別類似于圖4A的分光計(jì)組件40A。一個(gè)區(qū)別在于，在圖4B-4D的分光計(jì)組件40B-40D中，激勵(lì)濾光器42和信號(hào)濾光器22被設(shè)置在樣品固定器21的相同一側(cè)。在圖4B中，可選的光整形擴(kuò)散器49被耦合到激勵(lì)濾光器42，用于將激勵(lì)光部分25A以朝向透射濾光器22和光電探測(cè)器23的角度引導(dǎo)到樣品24上。在圖4C中，樣品固定器21繞著激勵(lì)濾光器42和信號(hào)濾光器22彎曲，以提高曝光。在圖4D中，可選的單個(gè)透鏡48用來(lái)將激勵(lì)光部分25A引導(dǎo)到樣品24上，同時(shí)用于收集信號(hào)濾光器22上的信號(hào)光26.[0048]有利地，圖4A-4D的相應(yīng)分光計(jì)組件40A-40D的激勵(lì)濾光器42和信號(hào)濾光器22的金屬層27和電介質(zhì)層28可以直接沉積到光源43和/或光電探測(cè)器23上，以分別制造與各自的光源43和光電探測(cè)器23集成的濾光器42和22。
[0049]激勵(lì)濾光器42和信號(hào)濾光器22，以及光源43和光電探測(cè)器23在樣品固定器21同一側(cè)放置，使得圖4B，4C和4D的分光計(jì)組件40B，40C和40D特別適于傳感器應(yīng)用，因?yàn)闃悠饭潭ㄆ?1的相反側(cè)，也就是說(shuō)，圖4B-4D的頂側(cè)，能夠方便地暴露于將要檢測(cè)的環(huán)境中。作為非限制性例子，樣品24可以包括標(biāo)記熒光分子，當(dāng)它們一旦鍵合到目標(biāo)分子上就改變它們的熒光特性，從而指示樣品24中目標(biāo)分子的存在。通過(guò)測(cè)量熒光信號(hào)26的強(qiáng)度或光功率可以估算這種目標(biāo)分子的濃度。例如，可以利用鍵合到葡萄糖分子的熒光團(tuán)來(lái)測(cè)量血糖濃度。下面，將描述使用圖4B的分光計(jì)組件40B的微型葡萄糖濃度計(jì)。
[0050]轉(zhuǎn)到圖5和6B，并再次參考圖2A和2B，圖5的分光計(jì)組件50類似于圖2A的分光計(jì)組件20。一個(gè)區(qū)別在于，圖5的分光計(jì)組件50不是包括一個(gè)而是包括兩個(gè)耦合到樣品固定器21的信號(hào)濾光器22A和22B。在操作中，兩個(gè)信號(hào)濾光器22A和22B在相應(yīng)波帶32A和32B的中心波長(zhǎng)λ F1和λ F2處(圖6B)透射信號(hào)光26的第一部分26A和第二部分26B,同時(shí)阻擋具有發(fā)射光譜35的激勵(lì)光25。在圖5中，第一光電探測(cè)器23A和第二光電探測(cè)器23B被分別稱合到第一信號(hào)濾光器22A和第二信號(hào)濾光器22B。當(dāng)用信號(hào)光26的第一部分26A和第二部分26B照射時(shí)，第一光電探測(cè)器23A和第二光電探測(cè)器23B分別產(chǎn)生第一電信號(hào)和第二電信號(hào)(未不出)，所述第一電信號(hào)和第二電信號(hào)與相應(yīng)的信號(hào)光的第一部分26A和第二部分26B的光功率值成比例。第一信號(hào)濾光器22A和第二信號(hào)濾光器22B中的至少一個(gè)，優(yōu)選兩個(gè)，包括如圖2B所示的交替堆疊的連續(xù)非微結(jié)構(gòu)金屬層27和電介質(zhì)層28，用于分別減少中心波長(zhǎng)λη和λ F2的角度相關(guān)性。
[0051]如Weidemaier等人在Biosens.Bioelectron上名稱為“葡萄糖/半乳糖鍵合蛋白質(zhì)基光纖傳感器的多天臨床前不范”(“Mult1-day pre-clinical demonstration ofglucose/galactose binding protein-based fiberoptic sensor，，的文章所公開(kāi)的，分光計(jì)組件50能夠用于這樣的應(yīng)用中，其中標(biāo)記熒光團(tuán)在鍵合到目標(biāo)分子上時(shí)改變熒光的光譜分布36。第一電信號(hào)和第二電信號(hào)的比率能夠用作將目標(biāo)熒光團(tuán)鍵合到目標(biāo)分子的指示器。可替換地，兩個(gè)不同的標(biāo)記熒光團(tuán)能夠用于指示兩種不同目標(biāo)分子的濃度，或者熒光36對(duì)其敏感的一些其他參數(shù)。參考圖6C，熒光光譜36A和36B對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的標(biāo)記熒光團(tuán)，未不出。第一突光團(tuán)的突光光譜36A對(duì)準(zhǔn)第一濾光器22A的透射帶32A,而第二突光團(tuán)的突光光譜36B對(duì)準(zhǔn)第二濾光器22B的透射帶32B?？梢苑謩e估算出兩種不同的目標(biāo)分子的濃度。
[0052]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第二濾光器22B的透射帶32B并不對(duì)準(zhǔn)熒光光譜36，而是對(duì)準(zhǔn)發(fā)射光譜35，在激勵(lì)波長(zhǎng)λ 透射被散射的激勵(lì)光25，同時(shí)阻擋信號(hào)光26。這使得能夠通過(guò)測(cè)量樣品24中激勵(lì)光25的散射來(lái)估算激勵(lì)光25的強(qiáng)度。知道激勵(lì)光25的強(qiáng)度，使得能夠參照(reference)或標(biāo)準(zhǔn)化(normalize)突光強(qiáng)度測(cè)量。
[0053]在本發(fā)明的一些應(yīng)用中，可能需要多個(gè)激勵(lì)波帶。轉(zhuǎn)到圖7、圖8A和SB，并再次參考圖2B，組件70包括光源43，耦合到具有發(fā)射光譜35 (圖8A和8B)的公共光源43的第一發(fā)射濾光器42A和第二發(fā)射濾光器42B。在操作中，第一發(fā)射濾光器42A和第二發(fā)射濾光器42B (圖7)在分別具有中心波長(zhǎng)λ E1和λ Ε2 (圖8Α和8Β)的波帶52Α和52Β中透射激勵(lì)光25的第一部分25Α和第二部分25Β，同時(shí)阻擋信號(hào)光26。在圖SB中，兩個(gè)不同的激勵(lì)波帶52Α和52Β匹配兩個(gè)不同的熒光團(tuán)的吸收帶34Α和34Β，未示出，從而導(dǎo)致熒光團(tuán)在兩個(gè)不同熒光帶36Α和36Β中發(fā)射熒光。第一發(fā)射濾光器42Α和第二發(fā)射濾光器42Β中的至少一個(gè)，優(yōu)選兩個(gè)，包括如圖2Β所示的交替堆疊的連續(xù)非微結(jié)構(gòu)化的金屬層27和電介質(zhì)層28。
[0054]如上所述，與通常所用的電介質(zhì)堆疊濾光器相比，使用金屬-電介質(zhì)濾光器22、22Α、22Β、42、42Α和42Β能夠減少相應(yīng)于透射波長(zhǎng)λ F、λη、λ F2、λ Ε、λ Ε1和λ Ε2的角度敏感性，因此有利于減少分光計(jì)尺寸?，F(xiàn)在，將示出各種濾光器的角度敏感性。參考圖9Α，示出了入射角為O度(垂直入射)和89度(傾斜入射)之間的激勵(lì)濾光器42的示例性透射光譜90Α，除了最后步長(zhǎng)為4度之外，其余步長(zhǎng)為5度。濾光器包括夾在6個(gè)60nm到70nm厚的Ta2O5層之間的5個(gè)16nm到42nm厚的銀層，并被浸入具有折射率為1.564的介質(zhì)中?？梢钥吹?，改變?nèi)肷浣遣⒉黄萍?lì)濾光器42的中心波長(zhǎng)或帶邊緣的位置，只減少透射幅度，并在高入射角引入波紋91。轉(zhuǎn)到用于比較的圖9B，并進(jìn)一步參考圖9A，示出了具有與圖9A中所示的類似通帶并浸入相同折射率的介質(zhì)中的典型的電介質(zhì)堆疊濾光器的透射光譜90B，其具有相同的O度(垂直入射)和89度(傾斜入射)之間的入射角，并且也是除最后步長(zhǎng)為4度之外其余步長(zhǎng)為5度?？梢钥闯?，在92處，當(dāng)入射角改變時(shí)，帶邊緣波長(zhǎng)偏移，并且在93處出現(xiàn)二次透射帶。
[0055]參考圖9C，圖9A的光譜90A的平均光譜曲線95A，以及圖9B的電介質(zhì)堆疊濾光器光譜90B的平均光譜曲線95B，被結(jié)合在一起用于比較。濾光器22、22A、22B、42、42A和42B的相應(yīng)透射波長(zhǎng)λ F、λ F1、λ F2、λ E、λ E1和λ Ε2的角度敏感性的降低能夠使得相應(yīng)的圖2Α、圖4A-4D和圖5的分光計(jì)組件20、40A-40D和50更緊湊。
[0056]下面，將考慮用于本發(fā)明的金屬-電介質(zhì)濾光器的制造過(guò)程。轉(zhuǎn)到圖10A，并再次參考圖2A、2B、圖4A-4D、圖5和圖7，濾光器100是圖2A和2B的信號(hào)濾光器22和/或圖4A-4D的激勵(lì)濾光器42的變體，并且可用于圖2A、圖4A-4D、圖5和圖7中的相應(yīng)分光計(jì)組件10、40A-40D、50和70。濾光器100包括交替堆疊的三個(gè)電介質(zhì)層120和兩個(gè)金屬層130。濾光器100被設(shè)置在襯底110上。金屬層130的每一層被設(shè)置在兩個(gè)電介質(zhì)層120之間并與之相鄰，電介質(zhì)層120保護(hù)金屬層130免于腐蝕。
[0057]金屬層130在濾光器100的周邊101處具有錐形邊緣131。金屬層130在濾光器100的整個(gè)中心部分102上是基本厚度均勻的，但是在濾光器100周邊101處厚度逐漸減少。相同的，電介質(zhì)層120在濾光器100的整個(gè)中心部分102上是基本厚度均勻的，但是在周邊101處厚度逐漸減少。因此，濾光器100的中心部分102的高度基本均勻，而在濾光器100的周邊101處傾斜。濾光器100具有基本平坦的頂部和傾斜的側(cè)面。
[0058]有利地，金屬層130的錐形邊緣131不被暴露于環(huán)境中。相反，金屬層130的錐形邊緣131由一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)層120覆蓋。一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)層120通過(guò)例如抑制硫和水?dāng)U散進(jìn)入金屬層130來(lái)抑制金屬層130的環(huán)境退化,例如,腐蝕。優(yōu)選地，金屬層130由電介質(zhì)層120實(shí)質(zhì)上封裝。
[0059]參考圖1OB到10G，濾光器100的第一實(shí)施例可由剝離工藝制造。在第一步驟，提供襯底110 (圖10B)。在第二步驟，施加光致抗蝕劑層140到襯底110 (圖10C)。通常，通過(guò)旋涂或噴涂施加光致抗蝕劑層140。
[0060]在第三步驟，圖案化光致抗蝕劑層140，以露出襯底110上將要設(shè)置濾光器100的區(qū)域，也就是濾光器區(qū)域(圖10D)。襯底110的其他區(qū)域仍由圖案化的光致抗蝕劑層140覆蓋。通常，通過(guò)首先借助于掩模使光致抗蝕劑層140的覆蓋襯底110的濾光器區(qū)域的區(qū)域暴露于紫外(UV)光，然后通過(guò)使用合適的顯影劑或溶劑顯影(例如蝕刻)光致抗蝕劑層140的暴露區(qū)域，來(lái)圖案化光致抗蝕劑層140。光致抗蝕劑層140優(yōu)選地以這種方式被圖案化，以使得在圖案化的光致抗蝕劑層140中形成包圍濾光器區(qū)域的懸突部分141。在一些情況下，光致抗蝕劑層140包含兩種不同材料。這使得其方便產(chǎn)生懸突部分或底切部141。
[0061]在第四步驟中，將多層堆疊103沉積在圖案化的光致抗蝕劑層140和襯底110的濾光器區(qū)域上(圖10E)。沉積在襯底110的濾光器區(qū)域上的一部分多層堆疊103形成濾光器100?？梢允褂枚喾N沉積技術(shù)沉積對(duì)應(yīng)于濾光器100的層的多層堆疊103，這些沉積技術(shù)諸如:蒸發(fā)(例如熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、等離子輔助蒸發(fā)或反應(yīng)離子蒸發(fā))；濺射(例如磁控濺射、反應(yīng)濺射、交流(AC)濺射、直流(DC)濺射、脈沖DC濺射或離子束濺射)；化學(xué)氣相沉積(例如等離子增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積)；以及原子層沉積?？梢允褂貌煌某练e技術(shù)沉積不同的層。
[0062]由于懸突部分141遮擋了襯底110的濾光器區(qū)域的周邊，所以沉積層的厚度朝向?yàn)V光器100的周邊101逐漸變小。當(dāng)電介質(zhì)層120被沉積到金屬層130上時(shí)，電介質(zhì)層120并不僅覆蓋金屬層130的頂面，也覆蓋金屬層130的錐形邊緣131，從而保護(hù)金屬層130遠(yuǎn)離環(huán)境。
[0063]在第五步驟中，圖案化光致抗蝕劑層140上的一部分多層堆疊103連同光致抗蝕劑層140被去除，也就是被剝離(圖10F)。通常，利用合適的剝離劑或溶劑剝離光致抗蝕劑層140。濾光器100保留在襯底110的濾光器區(qū)域上。在可選的第六步驟中，將附加的電介質(zhì)涂層150沉積在濾光器100上。電介質(zhì)涂層150同時(shí)覆蓋濾光器100的中心部分102和周邊101，從而保護(hù)金屬層130遠(yuǎn)離環(huán)境。
[0064]轉(zhuǎn)到圖11A，并再次參考圖2B、3和4B，探測(cè)熒光的方法250包括提供分光計(jì)組件20的步驟251。在步驟252，使用激勵(lì)光的部分25A照射樣品24 ;在步驟253，以例如至少60度，或遠(yuǎn)離垂直入射的±30度的總收集角收集信號(hào)光26的第一部分26A ;以及在步驟254，探測(cè)光電探測(cè)器23的電信號(hào)(例如光電流)。收集角可以大到遠(yuǎn)離垂直入射角的±75度，或總共150度。
[0065]現(xiàn)在，參考圖11B，并再次參考圖2B、圖3和4B，照射步驟252可包括提供激勵(lì)光源43的步驟261。在步驟262，通過(guò)堆疊交替的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的金屬層27和電介質(zhì)層28(圖2B)來(lái)提供激勵(lì)濾光器42，以在激勵(lì)波長(zhǎng)λ E (圖3)處透射激勵(lì)光25的部分25A，同時(shí)阻擋信號(hào)光26。在步驟263，激勵(lì)濾光器42被耦合到激勵(lì)光源43。在步驟264，樣品固定器21被耦合到激勵(lì)濾光器42，用于接收被透射穿過(guò)激勵(lì)濾光器42的激勵(lì)光25的部分25A。最后，在步驟265，使激勵(lì)光源43通電。
[0066]已經(jīng)提出的本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的上述描述是用于說(shuō)明和描述的作用。其并不打算是窮舉的或者去限制本發(fā)明到所公開(kāi)的精確形式。根據(jù)上述教導(dǎo)，很多改進(jìn)和變形是可能的。例如，通過(guò)相應(yīng)調(diào)整所用濾光器的透射波長(zhǎng)，這里所描述的分光計(jì)組件不僅可以用于探測(cè)熒光，而且可以用于探測(cè)多光子熒光，非線性散射，諸如激勵(lì)光的光學(xué)諧波散射、表面增強(qiáng)非線性光散射，和熒光，等等。所用光源可包括激光二極管，包括白光二極管(LED)的發(fā)光二極管，等等。
【權(quán)利要求】
1.一種分光計(jì)組件，包括: 固定器，用于固定在受激勵(lì)光激勵(lì)時(shí)發(fā)射信號(hào)光的樣品； 第一信號(hào)濾光器，其被耦合到所述固定器，用于在第一信號(hào)透射波長(zhǎng)透射所述信號(hào)光的第一部分，同時(shí)阻擋所述激勵(lì)光；以及 第一光電探測(cè)器，其被耦合到所述第一信號(hào)濾光器，用于當(dāng)使用透射穿過(guò)所述第一信號(hào)濾光器的所述信號(hào)光的所述第一部分照射時(shí)，提供第一電信號(hào)， 其中，所述第一信號(hào)濾光器包括交替堆疊的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的金屬層和電介質(zhì)層，從而減少所述第一信號(hào)透射波長(zhǎng)的角敏感度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)組件，還包括第二信號(hào)濾光器，其被耦合到所述固定器，用于在第二信號(hào)透射波長(zhǎng)透射所述信號(hào)光的第二部分，同時(shí)阻擋所述激勵(lì)光； 第二光電探測(cè)器，其被耦合到所述第二信號(hào)濾光器，用于當(dāng)使用透射穿過(guò)所述第二信號(hào)濾光器的所述信號(hào)光的所述第二部分照射時(shí)，提供第二電信號(hào)， 其中，所述第二信號(hào)濾光器包括交替堆疊的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的金屬層和電介質(zhì)層，從而減少所述第二信號(hào)透射波長(zhǎng)的角敏感度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)組件，還包括: 被耦合到所述固定器的散射濾光器，用于在散射透射波長(zhǎng)透射被散射的激勵(lì)光，同時(shí)阻擋所述信號(hào)光；以及 被耦合到所述散射濾光器的光電探測(cè)器，用于當(dāng)使用透射穿過(guò)所述散射濾光器的所述散射激勵(lì)光照射時(shí)， 提 供電信號(hào)， 其中，所述散射濾光 器包括交替堆疊的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)金屬層和電介質(zhì)層，從而降低所述散射透射波長(zhǎng)的角敏感度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)組件，還包括: 激勵(lì)光源，用于發(fā)射所述激勵(lì)光；以及 被耦合到所述激勵(lì)光源的第一激勵(lì)濾光器，用于在第一激勵(lì)透射波長(zhǎng)透射所述激勵(lì)光的第一部分，同時(shí)阻擋所述信號(hào)光； 其中所述固定器被耦合到所述第一激勵(lì)濾光器，用于接收透射穿過(guò)所述第一激勵(lì)濾光器的所述激勵(lì)光的第一部分；以及 其中所述第一激勵(lì)濾光器包括交替堆疊的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的金屬層和電介質(zhì)層，從而減少所述第一激勵(lì)透射波長(zhǎng)的角敏感度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分光計(jì)組件，還包括第二激勵(lì)濾光器，其被耦合到所述激勵(lì)光源，用于在第二激勵(lì)透射波長(zhǎng)透射所述激勵(lì)光的第二部分，同時(shí)阻擋所述信號(hào)光； 其中所述固定器被耦合到所述第二激勵(lì)濾光器，用于接收透射穿過(guò)所述第二激勵(lì)濾光器的所述激勵(lì)光的第二部分；以及 其中所述第二激勵(lì)濾光器包括交替堆疊的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的金屬層和電介質(zhì)層，從而降低所述第二激勵(lì)透射波長(zhǎng)的角敏感度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)組件，其中所述第一信號(hào)濾光器的所述金屬層和所述電介質(zhì)層的總厚度小于5微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分光計(jì)組件，其中所述第一信號(hào)濾光器的所述金屬層和電介質(zhì)層的總厚度小于I微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)組件，其中所述堆疊的金屬層沒(méi)有小于2微米的特征圖案。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的分光計(jì)組件，其中所述堆疊的金屬層沒(méi)有小于200微米的特征圖案。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)組件，其中所述第一信號(hào)濾光器的金屬包括銀或鋁。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的分光計(jì)組件，其中所述第一信號(hào)濾光器的所述電介質(zhì)包括金屬氧化物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的分光計(jì)組件，其中所述金屬氧化物選自由SiO2,Ta2O5,Nb2O5, TiO2, HfO2 和 Al2O3 組成的組。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)組件，其中每個(gè)所述金屬層在所述第一信號(hào)濾光器的周邊具有錐形邊緣，其中每個(gè)所述錐形邊緣由一層或多層所述電介質(zhì)層保護(hù)覆蓋。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)組件，其中所述第一信號(hào)濾光器與所述第一光電探測(cè)器相集成。
15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分光計(jì)組件，其中所述第一激勵(lì)濾光器與所述激勵(lì)光源相集成。
16.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分光計(jì)組件，其中所述第一信號(hào)濾光器和所述激勵(lì)濾光器被設(shè)置在所述固定器的同一側(cè)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的分光計(jì)組件，其中所述第一信號(hào)濾光器和所述激勵(lì)濾光器被直接固定到所述固定器。`
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的分光計(jì)組件，還包括樣品，所述樣品包括標(biāo)記熒光團(tuán)，其中，當(dāng)所述標(biāo)記熒光團(tuán)鍵合到目標(biāo)分子上時(shí)，所述標(biāo)記熒光團(tuán)改變其熒光特性，從而指示所述樣品中存在有所述目標(biāo)分子。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)組件，其中所述信號(hào)光選自由單光子熒光、多光子熒光和所述激勵(lì)光的光諧波散射組成的組。
20.一種探測(cè)光信號(hào)的方法，包括: (a)提供如權(quán)利要求1-19中任一項(xiàng)所述的分光計(jì)組件； (b)利用激勵(lì)光照射樣品； (c)在至少60度的收集角度內(nèi)收集信號(hào)光的第一部分；以及 (d)探測(cè)所述分光計(jì)組件的所述第一光電探測(cè)器的電信號(hào)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述收集角度是至少150度。
22.透射濾光器在光學(xué)分光計(jì)中的用途，所述透射濾光器包括交替堆疊的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的金屬層和電介質(zhì)層，以區(qū)別激勵(lì)波長(zhǎng)和信號(hào)波長(zhǎng)，其中所述濾光器中的連續(xù)的非微結(jié)構(gòu)化的金屬層的存在，降低了所述濾光器的透射波長(zhǎng)的角度相關(guān)性，從而減小了所述光學(xué)分光計(jì)的尺寸。
【文檔編號(hào)】G01N21/64GK103884696SQ201310711965
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月19日
【發(fā)明者】喬治·J.·歐肯法斯 申請(qǐng)人:Jds尤尼弗思公司