專利名稱：作為活性表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)襯底的金屬涂覆納米晶體硅的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開的方法和設(shè)備300關(guān)于使用拉曼光譜術(shù)(RamanSpectroscopy)的分子探測和/或表征(characterization)。更具體地，本發(fā)明的方法和設(shè)備300關(guān)于金屬涂覆多孔硅作為襯底240、340，用于表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)(SERS)、表面增強(qiáng)共振拉曼光譜術(shù)(SERRS)、超拉曼光譜術(shù)(hyper-Raman spectroscopy)和/或相干反斯托克斯拉曼光譜術(shù)(CARS)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)證明對(duì)來自生物樣品或者其它樣品的單個(gè)分子進(jìn)行靈敏而精確的探測和/或鑒定，是難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，在醫(yī)學(xué)診斷、病理學(xué)、毒物學(xué)、環(huán)境取樣、化學(xué)分析、法醫(yī)學(xué)和很多其它領(lǐng)域都有廣泛的潛在應(yīng)用。已經(jīng)嘗試使用拉曼光譜術(shù)和/或表面等離子體共振來達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。當(dāng)光通過有形介質(zhì)(tangible medium)的時(shí)候，一定量的光轉(zhuǎn)離開其最初方向，此現(xiàn)象稱為拉曼散射。由于光的吸收和電子被激發(fā)到更高的能態(tài)，而且一些散射光的頻率與最初的激發(fā)光(excitatory light)不同，進(jìn)而光發(fā)射的波長不同。拉曼發(fā)射光譜的波長是樣品中的光吸收分子的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的特征，而光散射的強(qiáng)度是依賴于樣品中分子的濃度。
激發(fā)光束和樣品中單個(gè)分子之間的拉曼相互作用發(fā)生的可能性很小，導(dǎo)致拉曼分析的靈敏度低和應(yīng)用有限。已觀察到在粗糙的銀表面附近的分子表現(xiàn)出增強(qiáng)的拉曼散射，該散射大約高達(dá)6到7個(gè)數(shù)量級(jí)。由于金屬中的導(dǎo)體電子的集體耦合(collective coupling)，此表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)效應(yīng)和等離子共振現(xiàn)象有關(guān)，其中金屬納米粒子相應(yīng)入射的電磁輻射而表現(xiàn)出明顯的光學(xué)共振現(xiàn)象。本質(zhì)上，金、銀、銅和某些其它金屬的納米粒子可以起小型“天線”的作用，來增強(qiáng)電磁輻射的定位效應(yīng)(localized effects)。位于這種粒子附近的分子顯示出對(duì)于拉曼光譜分析的更高靈敏度。
已經(jīng)嘗試研究用于分子探測和分子分析的SERS，典型地通過涂覆金屬納米粒子或者制造粗糙金屬膜于襯底表面上，然后把樣品施加到金屬-涂覆表面。然而，可以被沉積在平面表面上的金屬粒子的數(shù)目是有限的，產(chǎn)生相對(duì)較小的SERS和使用此種表面的相關(guān)拉曼技術(shù)的增強(qiáng)因數(shù)(enhancement factor)。人們需要的是制造具有更高金屬粒子密度的SERS-活性襯底的方法和包含這種襯底的設(shè)備。


下面的附圖構(gòu)成本說明書的一部分，而且被包括以進(jìn)一步說明本發(fā)明所公開的實(shí)施例的特定方面。通過參照一個(gè)或者多個(gè)附圖結(jié)合這里描述的特定實(shí)施例的詳細(xì)描述，可以更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1圖解說明用于制造多孔硅襯底110的示例性設(shè)備100(未按比例顯示)和方法。
圖2圖解說明用于制造金屬-涂覆多孔硅襯底240、340的示例性方法。
圖3圖解說明使用金屬-涂覆SERS-活性襯底240、340來探測和/或鑒定分析物的示例性設(shè)備300和方法。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明公開的方法和設(shè)備300用于通過表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)(SERS)、表面增強(qiáng)共振拉曼光譜術(shù)(SERRS)和/或相干反斯托克斯拉曼光譜術(shù)(CARS)探測器來探測和/或鑒定分析物(analytes)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的方法和設(shè)備300提供的SERS活性襯底240、340具有提高金屬粒子密度和SERS增強(qiáng)的更深的視野，使分析物的的Raman探測和/或鑒定更有效。
以前用于不同分析物的SERS探測方法使用膠態(tài)金屬粒子(colloidal metal particles)，例如聚集體銀納米粒子(aggregated silvernanoparticles)，其典型地被涂敷在襯底和/或支撐物上(例如，美國專利No.5306403，No.6149868，No.6174677，No.6376177)。雖然這樣的配置偶爾使SERS的探測具有高達(dá)106到108的提高的靈敏度，然而，如這里所公開的，它們不適合于小的分析物的單個(gè)分子的探測，例如，核苷酸。拉曼探測的增強(qiáng)的靈敏度在膠態(tài)粒子聚集體中明顯地不均勻，而是依賴于“熱點(diǎn)(hot spot)”的出現(xiàn)。這種熱點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)、距離于其上出現(xiàn)增強(qiáng)靈敏度的納米粒子的距離范圍、和允許增強(qiáng)靈敏度的聚集體納米粒子和分析物之間的空間關(guān)系，還沒有被定性。進(jìn)一步地，聚集體納米粒子固有地在溶液中不穩(wěn)定，這對(duì)于單個(gè)原子分析物探測的再現(xiàn)性有不利作用。本發(fā)明的方法和設(shè)備300為SERS探測提供穩(wěn)定的微觀環(huán)境，其中Raman-活性金屬襯底的物理構(gòu)造和密度可以被精確地控制，使在溶液中的分析物能被可再現(xiàn)地、靈敏地和準(zhǔn)確地探測。
下面的詳細(xì)描述包含大量具體細(xì)節(jié)，以提供對(duì)本發(fā)明公開的實(shí)施例的更清楚的理解。然而，對(duì)于所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯然在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下，本發(fā)明的實(shí)施例也可以被實(shí)施。在本領(lǐng)域中公知的其它實(shí)例、設(shè)備、方法、工序和單個(gè)元件，在此沒有被詳細(xì)描述。
定義如這里所使用的，“一”、“一個(gè)”或者“一種”可以指一個(gè)或者多于一個(gè)要素。
如這里所使用的，“大約”指在一個(gè)數(shù)值的百分之10的范圍之內(nèi)。例如，“大約100”可以指在90到110之間的一個(gè)數(shù)值。
如這里所使用的，“分析物”指用于探測和/或鑒定的所關(guān)心的任何原子、化學(xué)制品、分子、化合物、組合物或者聚集體。分析物的非限定性的例子包括氨基酸、肽、多肽、蛋白質(zhì)、糖蛋白、脂蛋白、核苷、核苷酸、寡核苷酸、核酸、糖、碳水化合物、寡糖、多糖、脂肪酸、脂類、激素、代謝物、細(xì)胞因子、趨化因子、受體、神經(jīng)遞質(zhì)、抗原、變應(yīng)原(allergen)、抗體、底物、代謝物、輔助因子(cofactor)、抑制物、藥品、藥物、營養(yǎng)物、朊病毒、毒素(toxin)、毒物(poison)、爆炸物(explosive)、殺蟲劑、化學(xué)戰(zhàn)劑、生物危害試劑(biohazardousagent)、放射性同位素、維生素、雜環(huán)芳香化合物、致癌物質(zhì)(carcinogen)、誘變劑(mutagen)、麻醉劑(narcotic)、苯異丙胺、巴比妥酸鹽、致幻劑(hallucinogen)、廢物和/或污染物。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，一個(gè)或者多個(gè)分析物可以使用一個(gè)或者多個(gè)拉曼標(biāo)記(Raman labels)來標(biāo)記，如下面所描述的。
在這里所使用的“捕獲(capture)”分子指的是，可以結(jié)合到一個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)分析物上的任何分子?！安东@”分子的非限定性的例子包括抗體、抗體片段、遺傳工程抗體(genetically engineeredantibodies)、單鏈抗體、受體、蛋白質(zhì)、結(jié)合蛋白(binding protein)、酶、抑制蛋白、凝集素(lectins)、細(xì)胞粘著蛋白(cell adhesion protein)、寡核苷酸(oligonucleotide)、多核苷酸、核酸和適體(aptamers)。
如這里所使用的，“納米晶體硅”指的是，含有納米級(jí)硅晶體的硅，典型地其大小在1到100納米(nm)之間的尺寸范圍內(nèi)?！岸嗫坠琛?10、120指的是，被侵蝕或者用其它方法被處理來形成多孔結(jié)構(gòu)的硅。
如這里所使用的，“可操作地耦合”指的是，在設(shè)備300和/或系統(tǒng)的兩個(gè)或者更多單元中，存在功能性相互作用。例如，如果計(jì)算機(jī)160、395可以獲得、處理、存儲(chǔ)和/或傳輸被探測器380所探測到的拉曼信號(hào)的數(shù)據(jù)，拉曼探測器380可以“可操作地耦合”到計(jì)算機(jī)160、395上。
納米晶體多孔硅納米晶體硅本發(fā)明的特定實(shí)施例涉及設(shè)備300，其包括一個(gè)或者多個(gè)納米晶體硅層。用于生產(chǎn)納米晶體硅的各種方法在本領(lǐng)域中是已知的(例如，Petrova-Koch et al.，“Rapid-thermal-oxidized porous silicon-the superiorphotoluminescent Si，”Appl.Phys.Lett.61943，1992；Edelberg et al.，“Visible luminescence from nanocrystalline silicon films produced byplasma enhanced chemical vapor deposition，”Appl.Phys.Lett.，681415-1417，1996；Schoenfeld et al.，“Formation of Si quantum dots innanocrystalline silicon，”Proc.7th Int.Conf.on Modulated SemiconductorStructures，Madrid，pp.608-608，1995；Zhao et al.，“Nanocrystalline Siamaterial constructed by Si quantum dots，”1st Int.Conf.on LowDimensional Structures and Devices，Singapore，pp.467-471，1995；Lutzenet al.，“Structural characteristics of ultrathin nanocrystalline silicon filmsformed by annealing amorphous silicon，”J.Vac.Sci.Technology B162802-05，1998；美國專利No.5,770,022；No.5,994,164；No.6,268,041；No.6,294,442；No.6,300,193)。在此公開的方法和設(shè)備300不受制造納米晶體硅的方法限制，可以設(shè)想任何已知的方法都可使用。
用于制造納米晶體硅的非限定性示例方法包括把硅注入富含硅的氧化物中然后退火；具有金屬成核催化劑的固相結(jié)晶；化學(xué)氣相沉積；PECVD(等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積)；氣相蒸發(fā)；氣相裂解(gas phase pyrolysis)；氣相光裂解(gas phase photopyolysis)；電化學(xué)侵蝕；硅烷和聚硅烷的等離子分解；高壓液相還原-氧化反應(yīng)；非晶硅層的快速退火；使用LPCVD(低壓化學(xué)氣相沉積)沉積非晶硅層而后使用RTA(快速熱退火)循環(huán)；使用硅陽極的等離子電弧沉積和硅的激光燒蝕(美國專利No.5,770,022；No.5,994,164；No.6,268,041；No.6,294,442；No.6,300,193)。根據(jù)工藝的不同，1到100納米之間或者更大尺寸的硅晶體都可以在芯片上的任何位置形成為薄層、單獨(dú)的層和/或成為聚集晶體。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，可以使用附著在襯底110、210上的含有納米晶體硅的薄層。
在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，可以設(shè)想在所公開的方法和設(shè)備300中可以使用納米晶體硅。然而，實(shí)施例不限于開始的材料，在本發(fā)明可替換的實(shí)施例中，可以設(shè)想也可以使用其它材料，唯一的要求是這些材料必須能夠形成多孔襯底110、210，這些襯底可以用Raman敏感金屬涂覆，如在圖2中顯示的。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，例如，為了優(yōu)化金屬-涂覆多孔硅240、340的等離子共振頻率(請(qǐng)見，例如，美國專利No.6,344,272)，多孔硅中的硅晶體的尺寸和/或形狀和/或孔的尺寸可以被選擇在預(yù)定限制范圍之內(nèi)。等離子體共振頻率還可以通過控制涂覆多孔硅240、340的金屬層的厚度進(jìn)行調(diào)整(美國專利No.6,344,272)。用于控制納米級(jí)硅晶體的尺寸的工藝是已知的(例如，美國專利No.5,994,164和No.6,294,442)。
多孔硅本發(fā)明的某些實(shí)施例關(guān)于使用拉曼活性金屬-涂覆的襯底240、340的設(shè)備300及其使用方法。在不同的實(shí)施例中，襯底包括納米晶體多孔硅110、210。如上面所論述的，襯底110、210不限于純硅，還可以包括氮化硅、鍺和/或用于芯片制造的其它已知材料。還可以含有很少量的其它材料，例如金屬成核催化劑和/或摻雜劑。唯一的要求是襯底材料必須能夠形成多孔襯底110、210，其能被拉曼敏感金屬覆蓋，如在圖2中所示的示例說明。多孔硅具有達(dá)783m2/cm3的大表面積，為表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)技術(shù)提供很大的表面。
在20世紀(jì)50年代晚期，通過在稀釋的氫氟酸溶液中電解拋光硅，發(fā)現(xiàn)了多孔硅110、210。如在本領(lǐng)域中已知的，通過使用稀釋的氫氟酸(HF)150在電化學(xué)容器120中蝕刻硅襯底110、210，可以制造多孔硅110、210。在某些情況下，硅最初可以在低電流密度下在HF150中被蝕刻。最初的孔形成之后，硅可以從電化學(xué)容器120中被移開，然后在非常淡的HF 150中蝕刻來拓寬在電化學(xué)容器120中所形成的孔。根據(jù)硅是否被摻雜、摻雜劑的類型和摻雜程度，硅襯底110、120的組分也將影響孔的大小。摻雜對(duì)于硅孔尺寸的影響在本領(lǐng)域中是已知的。對(duì)于涉及大生物分子的探測和/或鑒定的本發(fā)明的實(shí)施例，可以選擇在大約2nm到100或者200nm之間的孔尺寸。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，在多孔硅中的孔的取向也可以被選擇。例如，被蝕刻的1，0，0晶體結(jié)構(gòu)的孔垂直于晶體取向，而1，1，1或者1，1，0晶體結(jié)構(gòu)的孔將對(duì)角地沿著晶體軸取向。晶體結(jié)構(gòu)對(duì)于孔取向的影響在本領(lǐng)域中是公知的。晶體組分和孔隙度也可以被調(diào)節(jié)以改變多孔硅的光學(xué)性能，以便增強(qiáng)拉曼信號(hào)和減小背景噪音。多孔硅的光學(xué)性能在本領(lǐng)域中是公知的(例如，Culliset al.，J.Appl.Phys.82909-965，1997；Collins et al.，Physics Today5024-31，1997)。
用于制造多孔硅襯底110、210的方法和設(shè)備100的非限定性例子見圖1。硅片110被放置在電化學(xué)容器120中，其包括惰性材料，例如Teflon。晶片110被連接到恒流源130的正極，以形成電化學(xué)容器120的陽極110。恒流源130的負(fù)極電極被連接到陰極140，例如鉑陰極140。電化學(xué)容器120可以用溶于乙醇中的HF的稀釋電解液150填充?？蛇x擇地，HF150可以溶解在其它醇中和/或在本領(lǐng)域中公知的表面活性劑中，例如戊烷或者己烷。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)160、395可以被可操作地耦合到恒流源130以調(diào)整電源、電壓和/或電化學(xué)蝕刻時(shí)間。被暴露于電化學(xué)容器120的HF電解液150中的硅片110，逐漸被蝕刻形成多孔硅襯底110、210。如在本領(lǐng)域中公知的，多孔硅層210的厚度和硅210的孔隙度可以通過調(diào)整陽極氧化的時(shí)間和/或電流密度和電解液溶液中的HF150的濃度來調(diào)節(jié)(例如，美國專利No.6,358,815)。
在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，通過涂覆上各種公知的耐蝕化合物(resist compound)，例如聚甲基丙烯酸甲酯，硅片110的部分可以被保護(hù)不被HF150蝕刻。用于把硅片110的所選擇的部分暴露于HF150蝕刻的平版印刷術(shù)(lithogrphy)是本領(lǐng)域中公知的，例如光刻(photolithography)?？梢允褂眠x擇性蝕刻來控制將要被用于拉曼光譜術(shù)的多孔硅腔的尺寸和形狀。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，可以使用直徑大約1μm(微米)的多孔硅腔。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以使用寬度大約1μm的多孔硅的溝道(trench)或者溝槽(channel)。多孔硅腔的尺寸沒有限制，而且可以設(shè)想使用任何尺寸或者形狀的多孔硅腔?？梢允褂?μm的腔尺寸，例如，帶有1μm大小的激發(fā)激光器(excitatorylaser)。
上面公開的示例性方法不限于生產(chǎn)多孔硅襯底110、210，可以設(shè)想使用任何在本領(lǐng)域中已知的方法。用于制造多孔硅襯底110、210的方法的非限定性的例子包括硅片110的陽極浸蝕法；電鍍；和沉積含有硅/氧材料之后可控制地退火；(例如，Canham，“Silicon quantum wirearray fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers，”Appl.Phys.Lett.571046，1990；美國專利No.5,561,304、No.6,153,489、No.6,171,945、No.6,322,895、No.6,358,613、No.6,358,815、No.6,359,276)。在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，多孔硅層210可以被附著到一個(gè)或者多個(gè)支撐層上，例如大體積硅、石英、玻璃和/或塑料。在某些實(shí)施例中，可以使用如氮化硅的蝕刻停止層(etch stop layer)來控制蝕刻深度。使用芯片制造的已知方法，多孔硅層210可以被加入到半導(dǎo)體芯片中。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，金屬-涂覆多孔硅240、340腔可以被設(shè)計(jì)為一個(gè)集成芯片的一部分，連接到各種溝槽、微溝槽、納米溝槽、微流體溝槽、反應(yīng)腔等等。在可替換的實(shí)施例中，金屬-涂覆多孔硅240、340腔可以從硅片切出來，然后加入到芯片和/或其它設(shè)備中。
在本發(fā)明的某些刻替換的實(shí)施例中，可以設(shè)想在涂覆金屬之前或者之后，可以對(duì)多孔硅襯底110、210進(jìn)行另外的改變。例如，使用本領(lǐng)域中已知的方法，在蝕刻之后，多孔硅襯底110、210可以被氧化成氧化硅和/或二氧化硅。例如，可以利用氧化來增加多孔硅襯底110、210的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。可替換地，金屬-涂覆硅襯底240、340可以進(jìn)行進(jìn)一步的蝕刻來去除硅材料，剩下可以為中空的金屬殼，或者使用其它材料填充，例如另外的拉曼活性金屬。
多孔硅的金屬涂層使用本領(lǐng)域中已知的任何方法，多孔硅襯底110、210可以被涂覆上拉曼活性金屬，例如金、銀、鉑、銅或者鋁。非限定性的示例方法包括電鍍法；陰極電遷移法(cathodic electromigration)；金屬的蒸發(fā)和濺射法；用籽晶來催化電鍍法(即，使用銅/鎳籽晶來電鍍金)；離子注入法；擴(kuò)散法；或者用于在硅襯底110、210、240、340上電鍍金屬薄層的本領(lǐng)域中已知的任何其它方法(請(qǐng)見，例如，Lopez and Fauchet，“Erbium emission form porous silicon one-dimensional photonic band gapstructures，”Appl.Phys.Lett.773704-6，2000；美國專利No.5,561,304；No.6,171,945；No.6,359,276)。金屬涂層的另外一個(gè)非限定性的例子包括無電電鍍(例如，Gole et al.，“Patterned metallization of porous siliconfrom electroless solution for direct electrical contact，”J.Electrochem.Soc.1473785，2000)。金屬層的成份和/或厚度可以被控制來優(yōu)化金屬-涂覆多孔硅240、340的等離子體共振頻率。
在本發(fā)明的替換實(shí)施例中，用于分析物探測的拉曼活性襯底240、340可以包括金屬-涂覆的、納米晶體的、多孔硅襯底240、340，固定金屬膠體(immobilized metal colloids)、例如銀或者金納米粒子，涂覆在不同類型的襯底上，和/或在頂部涂覆有固定金屬膠體的金屬涂覆的、納米晶體的、多孔硅襯底240、340。后一個(gè)組分有很高的拉曼活性金屬密度，具有相對(duì)小的用于在溶液中的分析物進(jìn)入襯底的溝槽。盡管這對(duì)于大的被分析分子，例如對(duì)于大蛋白質(zhì)或者核酸而言，并不是有利的，但是其對(duì)小的分析物，例如單個(gè)核苷酸或者氨基酸，卻可以提供更好的靈敏性和探測。金屬膠體的形式可以是納米粒子，如下面將討論的。
納米粒子在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，拉曼活性金屬粒子，例如金或者銀納米粒子，可以被加入到金屬涂覆多孔硅襯底240、340，以進(jìn)一步增強(qiáng)拉曼信號(hào)。在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，可以使用直徑在1nm到2μm之間的納米粒子。在本發(fā)明的可替換的實(shí)施例中，可以考慮直徑在2nm到1μm、5nm到500nm、10nm到200nm、20nm到100nm、30nm到80nm、40nm到70nm或者50nm到60nm之間的納米粒子。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，可以考慮平均直徑在10到50nm、50到100nm或者大約100nm的納米粒子。納米粒子的尺寸依賴于金屬涂覆多孔硅240、340中的孔的直徑，而且其可以被選擇，以使納米粒子適合被放入這些孔中。盡管可以使用任何形狀的納米粒子或者不規(guī)則形狀的納米粒子，但是納米粒子的形狀可以是近似球形的。用于制備納米粒子的方法是已知的(例如，美國專利No.6,054,495；No.6，127,120；No.6,149,868；Lee andMeisel，J. Phys.Chem.863391-3395，1982)。納米粒子還可以被制造為納米棱柱(nanoprisms)的形式(Jin et al.，“Photoinduced conversion ofsilver nanospheres to nanoprisms，”Science 2941901，2001)。納米粒子可以從商業(yè)來源獲得(例如，美國紐約亞普漢克的Nanoprobes Inc.；美國賓夕發(fā)尼亞州沃靈頓的Polysciences，Inc.)。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，納米粒子可以是納米粒子的任意聚集體(random aggregates)(膠質(zhì)納米粒子)。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，納米粒子可以被交聯(lián)以形成納米粒子特定聚集體，例如二聚物、三聚物、四聚物或者其它聚集物。本發(fā)明的某些可替換實(shí)施例可以使用不同尺寸的聚集體的非均勻混合物(heterogeneous mixtures)，而其它可替換實(shí)施例可以使用納米粒子聚集體的均勻總體(homogenouspopulations)。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，包含選定數(shù)量的納米粒子(二聚物、三聚物等)的聚集體可以通過已知的工藝被富集或者提純，例如利用在蔗糖梯度溶液中(sucrose gradient solutions)的超離心法(ultracentrifugation)。
交聯(lián)納米粒子的方法在本領(lǐng)域中是已知的(例如，請(qǐng)見，F(xiàn)eldheim，“Assembly of metal nanoparticle arrays using molecular bridges，”TheElectrochemical Society Interface，F(xiàn)all，2001，pp.22-25)。金納米粒子與帶有端硫醇(terminal thiol)或者硫氫基基團(tuán)的連接體化合物(linkercompounds)的反應(yīng)是已知的(Feldheim，2001)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，一個(gè)單個(gè)連接體化合物可以衍生為在兩端都帶有硫醇基。通過和金納米粒子的反應(yīng)，連接體可形成納米粒子二聚體，其被連接體的長度所分隔。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以使用帶有三、四或者更多硫醇基的連接體，以同時(shí)附著到多個(gè)納米粒子(Feldheim，2001)。對(duì)于連接體化合物使用過量的納米粒子阻止多交聯(lián)(multiplecross-links)和納米粒子沉淀(precipitation)的產(chǎn)生。銀納米粒子的聚集體可以通過本領(lǐng)域中已知的標(biāo)準(zhǔn)合成方法形成。
在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，金納米粒子或者銀納米粒子可以被涂覆上衍生硅烷，例如氨基硅烷、3-環(huán)氧丙氧丙基三甲氧基硅烷(GOP)或者氨丙基三甲氧基硅烷(APTS)。在硅烷末端的活性基團(tuán)可以被用來形成納米粒子的交聯(lián)聚集體?？梢栽O(shè)想使用的連接體化合物可以是幾乎任何長度，范圍從大約0.05、0.1、0.2、0.5、0.75、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、27、30、35、40、45、50、55、60、65、70、80、90到100nm或者甚至更長的長度。本發(fā)明的某些實(shí)施例可以使用非均勻長度的連接體。
在本發(fā)明的另外一個(gè)可替換實(shí)施例中，在其被附著到連接體化合物之前，納米粒子可以被改性以含有各種活性基團(tuán)。改性納米粒子(modified nanoparticle)可從商業(yè)渠道獲得，例如來自納米探針有限公司(Nanoprobes，Inc.)(美國紐約亞普漢克)的Nanogold納米粒子。所得到的Nanogold納米粒子可以帶有一個(gè)或者多個(gè)附著到每一個(gè)納米粒子的馬來酰亞胺、胺或者其它基團(tuán)。可利用的Nanogold納米粒子也可以是正電荷充電形式(positively charged form)或者負(fù)電荷充電形式，以利于納米粒子在電場中的控制。這種改性納米粒子可以被附著到多種已知的連接體化合物，以提供納米粒子的二聚物、三聚物或者其它聚集體。
所使用的連接體化合物的類型是沒有限制的，只要其產(chǎn)生的納米粒子的小聚集體在溶液中不沉淀。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，連接體基團(tuán)可以包括，苯基乙炔聚合物(Feldheim，2001)?？蛇x擇地，連接體基團(tuán)可以包含聚四氟乙烯、聚乙烯砒咯烷酮、聚苯乙烯、聚丙烯、聚丙烯酰胺、聚乙烯或者其它已知聚合物。使用的連接體化合物并不限于聚合物，還可以包括其它類型的分子，例如硅烷、烷烴、衍生硅烷或者衍生烷烴。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，化學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的連接體化合物，例如烷烴或者硅烷，可以用于避免與分析物所發(fā)射出的拉曼信號(hào)之間相互干擾。
微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System)(MSMS)在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，拉曼活性金屬涂覆的多孔硅襯底240、340可以被加入到更大的設(shè)備300和/或系統(tǒng)中。在某些實(shí)施例中，襯底240、340可以被加入到微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中。MEMS是集成系統(tǒng)，其包含機(jī)械元件、傳感器、致動(dòng)器(actuators)和電子設(shè)備。所有這些組件可以通過已知的微型制造工藝在普通芯片上制造，包括在硅-基襯底或者等效的襯底上制造(例如，Voldman et al.，Ann.Rev.Biomed.Eng.1401-425，1999)。MEMS的傳感器組件可以被用來測量機(jī)械、熱、生物學(xué)、化學(xué)、光學(xué)和/或者磁現(xiàn)象。電子設(shè)備可以處理來自傳感器的信息，控制致動(dòng)器組件，例如泵、閥門、加熱器、冷卻器、濾波器(filter)等等，從而控制MEMS的功能。
MEMS的電子元件可以使用集成電路(IC)工藝制造(例如，CMOS工藝，雙極化工藝(Bipolar processes)或者BICMOS工藝)。使用對(duì)于計(jì)算機(jī)芯片制造已知的光刻和蝕刻方法，它們可以被形成圖案(patterned)。使用可配伍的“顯微機(jī)械加工(micromachining)”工藝，可以制造微機(jī)械元件，該工藝選擇性地蝕刻掉硅片的一些部分或者添加新的結(jié)構(gòu)層以形成機(jī)械元件和/或機(jī)電元件。
MEMS制造中的基本工藝包括，把在襯底上沉積材料薄膜，通過光刻成像或者其它已知的平版印刷技術(shù)在膜的頂部施加圖案化掩模(patterned mask)，然后選擇性地蝕刻膜。薄膜的厚度可以在幾納米到100毫米的范圍之間。所使用的沉積工藝可以包括化學(xué)過程、例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、電沉積(electrodeposition)、外延生長和熱氧化，以及物理過程，如物理氣相沉積(PVD)和鑄造。用于制造納米機(jī)電系統(tǒng)的方法可以用在本發(fā)明的某些實(shí)施例中。(請(qǐng)見，例如，Craighead，Science 2901532-36，2000.)在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，金屬涂覆蓋多孔硅襯底240、340可以被連接到各種填滿流體的間隔部分(fluid filled compartments)，例如微流體溝槽(microfluidic channels)、納米溝槽(nanochannels)和/或微溝槽(microchannels)。設(shè)備300的這些和其它組件可以被形成為一個(gè)單獨(dú)單元，例如，以在半導(dǎo)體芯片和/或微毛細(xì)管芯片或者微流體芯片中已知的芯片的形式?？商鎿Q地，金屬涂覆多孔硅襯底240、340可以被從硅片移開，然后附著到設(shè)備300的其它組件?？捎糜谶@種芯片的已知的任何材料都可以用在所公開的設(shè)備300中，這些材料包括硅、二氧化硅、氮化硅、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、塑料、玻璃、石英等。
芯片的成批制造技術(shù)在計(jì)算機(jī)芯片制造和/或微毛細(xì)管芯片(microcapillary)制造領(lǐng)域是公知的。這種芯片可以通過本領(lǐng)域中已知的任何方法制造，例如通過光刻和蝕刻、激光燒蝕(laser ablation)、注塑成型(injection molding)、鑄造、分子束外延、浸沾筆納米平板印刷術(shù)(dip-pen nanolithography)、化學(xué)氣相沉積(CVD)制造技術(shù)、電子束或者聚焦離子束技術(shù)(focused ion beam technology)或者壓印技術(shù)(imprinting techniques)。非限定性的例子包括具有可流動(dòng)的、光學(xué)透明材料例如塑料或者玻璃的傳統(tǒng)成型工藝；二氧化硅的光刻和干蝕刻技術(shù)；用聚甲基丙烯酸甲酯抵制在二氧化硅襯底上形成鋁掩模的電子束平版印刷術(shù)，然后使用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)。用于納米電子機(jī)電系統(tǒng)的制造方法可以被用在本發(fā)明的某些實(shí)施例中。(請(qǐng)見，例如，Craighead，Science 2901532-36，2000.)各種形式的微型制造芯片可從商業(yè)渠道獲得，例如從Caliper Tehchnologies Inc.(美國加利福尼亞州的山景城)和ACLARA BioSciences Inc.(美國加利福尼亞州的山景城)獲得。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，設(shè)備300的一部分或者全部可以被選擇為對(duì)于處于激發(fā)和發(fā)射頻率的電磁輻射是可透射的，而此激發(fā)和發(fā)射頻率用于拉曼光譜，例如可以是玻璃、硅、石英或者任何其它光學(xué)上可透過的材料。對(duì)于可能被暴露于例如蛋白質(zhì)、肽、核酸、核苷酸和類似物質(zhì)的各種生物分子的流體-填充間隔部分，暴露于這些分子的表面可以通過涂覆被改變，例如把表面從疏水性表面變?yōu)橛H水性表面和/或降低表面對(duì)分子吸收。普通芯片材料，例如玻璃、硅、石英和/或PDMS的表面改變是本領(lǐng)域中公知的(例如，美國專利No.6,263,286)。這種改變可以包括，但是不限于，使用商業(yè)上可獲得的毛細(xì)涂層(美國賓夕發(fā)尼亞州Bellafonte的Supelco公司)涂覆，帶有各種官能團(tuán)的硅烷，例如聚環(huán)氧乙烷或者丙烯酰胺，或者本領(lǐng)域中已知的其它涂層。
拉曼光譜術(shù)拉曼探測器在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，分析物可以用任何已知的拉曼光譜術(shù)方法被探測和/或鑒定。在這些實(shí)施例中，拉曼活性襯底240、340可以被可操作地耦合到一個(gè)或者多個(gè)拉曼探測單元360。使用拉曼光譜術(shù)來探測分析物的各種方法在本領(lǐng)域中是公知的。(請(qǐng)見，例如，美國專利No.6,002,471；No.6,040,191；No.6,149,868；No.6,174,677；No.6,313,914)。本發(fā)明公開了表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)(SERS)、表面增強(qiáng)共振拉曼光譜術(shù)(SERRS)、超拉曼光譜術(shù)和相干反斯托克斯拉曼光譜術(shù)(CARS)的各種變化。在SERS和SERRS中，對(duì)于粗糙金屬表面吸收的分子而言，例如對(duì)于銀、金、鉑、銅或者鋁的表面，拉曼探測靈敏度提高106倍或者更高。
拉曼探測單元360的非限定性例子被公開在美國專利No.6,002,471中。激發(fā)束390由倍頻Nd:YAG激光器370在532nm波長產(chǎn)生或者在倍頻鈦:藍(lán)寶石激光器370(frequency doubled Tisapphire laser 370)在365nm波長產(chǎn)生?？梢允褂妹}沖激光束390或者連續(xù)激光束390。激發(fā)束390經(jīng)過共焦光學(xué)系統(tǒng)和顯微鏡物鏡，然后被聚焦在含有一個(gè)或者多個(gè)分析物的拉曼活性襯底240、340上。來自分析物的拉曼發(fā)射光被顯微鏡物鏡和共焦光學(xué)系統(tǒng)收集，然后被耦合到單色儀以產(chǎn)生光譜分解。共焦光學(xué)系統(tǒng)包括，二向色濾光鏡、隔紫外濾光片、共焦針孔(confocalpinholes)、透鏡和用于減少背景信號(hào)的反射鏡的結(jié)合。標(biāo)準(zhǔn)的全視野光學(xué)系統(tǒng)(full field optics)也可以被用作共焦光學(xué)系統(tǒng)。拉曼發(fā)射信號(hào)被拉曼探測器380所探測，拉曼探測器380包括與信號(hào)計(jì)數(shù)和信號(hào)數(shù)字化的計(jì)算機(jī)160、395連接的雪崩光電二極管。
拉曼探測單元360的另一個(gè)例子被公開在美國專利No.5,306,403中，其包括Spex Model 1403雙-光柵分光光度計(jì)(Spex Model 1403雙光柵分光光度計(jì))，其具有在單-光子記數(shù)模式下操作的砷化鎵光電倍增管(RCA Model C31034或者Burle Industries Model C3103402)。激發(fā)源包括來自SpectraPhysics的Model 166的514.5nm線性氬-離子激光器370、和647.1nm線性氪離子激光器370(Innova 70，Coherent)。
可選擇的激發(fā)源包括337nm的氮激光器370(Laser Science Inc.)和325nm的氦-鎘激光器370(Liconox)(美國專利No.6,174,677)、發(fā)光二極管、Nd:YLF激光器370和/或各種離子激光器370和/或染料激光器370。用帶通濾光片(bandpass filter)(Corion)，激發(fā)束390可以被光譜提純，然后使用6X物鏡(Newport，Model L6X)，激發(fā)束390可以被聚焦在拉曼活性襯底240、340上。通過使用全息分束器(Kaiser OpticalSystems，Inc.的產(chǎn)品Model HB 647-26N18)產(chǎn)生用于激發(fā)束390和發(fā)射拉曼信號(hào)形成直角幾何形狀，物鏡可以被用于激發(fā)分析物和收集拉曼信號(hào)?？梢允褂萌⑾莶V波器(Kaiser Optical System，Inc.)來減少瑞利散射輻射。可替換的拉曼探測器380包括具有紅色-增強(qiáng)的強(qiáng)化電荷耦合器件(red-enhanced intensified charge-coupled device)(RE-ICCD)探測系統(tǒng)(Princeton Instruments)的ISA HR-320光譜儀。也可以使用其它類型的探測器380，例如傅里葉變換攝譜儀(基于邁克耳遜干涉儀(Michaelson interferometers))，電荷注入器件(charged injectiondevices)、光電二極管陣列、InGaAs探測器、電子倍增CCD、增強(qiáng)CCD和/或光電晶體管陣列。
在本領(lǐng)域中已知的拉曼光譜和相關(guān)技術(shù)的任何適合形式或配置，都可以被用于對(duì)分析物的探測，它們包括但不限于，普通拉曼散射、共振拉曼散射、表面增強(qiáng)拉曼散射、表面增強(qiáng)共振拉曼散射、相干反斯托克斯拉曼光譜術(shù)(CARS)、受激拉曼散射、反轉(zhuǎn)拉曼光譜術(shù)、受激增益拉曼光譜術(shù)、超-拉曼散射、分子光學(xué)激光檢測器(molecularoptical laser examiner)(MOLE)或者拉曼微探針或者拉曼顯微術(shù)或者共焦拉曼顯微光譜學(xué)、三維拉曼或者掃描拉曼(scanning Raman)、拉曼飽和光譜術(shù)、時(shí)間分辨共振拉曼、拉曼去耦合光譜術(shù)(Ramandecoupling spectroscopy)或者紫外-拉曼顯微術(shù)。
拉曼標(biāo)記(Raman Labels)本發(fā)明的某些實(shí)施例可以涉及，把標(biāo)記附著到一個(gè)或者多個(gè)分析物，以利于它們被拉曼探測單元360測量。可以被用在拉曼光譜術(shù)的標(biāo)記的非限定性的例子包括TRIT(四甲基若丹明異硫醇(tetramethylrhodamine isothiol))、NBD(7-硝基苯-2-氧雜-1，3-二唑(7-nitrobenz-2-oxa-1，3-diazole))、德克薩斯紅染料(Texas Red dye)、鄰苯二甲酸、對(duì)苯二甲酸、異苯二甲酸、甲酚固紫(cresyl fast violet)、甲酚藍(lán)紫(cresyl blue violet)、亮甲酚藍(lán)、對(duì)-氨基苯甲酸、赤蘚紅、生物素、地高辛(digoxigenin)、5-羧基-4’，5’-二氯-2’，7’-二甲氧基熒光素、5-羧基-2’，4’，5’，7’-四氯熒光素、5-羧基熒光素、5-羧基若丹明、6-羧基若丹明、6-羧基四甲胺基酞菁、偶氮甲堿(azomethines)、花菁(cyanines)、黃嘌呤(xanthines)、琥珀酰熒光素(succinylfluoresceins)、氨基吖啶、量子點(diǎn)、碳納米管和富勒烯(fullerenes)。這些和其它拉曼標(biāo)記可以通過商業(yè)途徑獲得(例如，俄勒岡州尤金市的分子探針公司(MolecularProbes)；密蘇里州圣路易斯市的Sigma Aldrich Chemical Co.)和/或通過本領(lǐng)域中的已知方法合成獲得。
如本領(lǐng)域中公知的，多環(huán)芳烴化合物可以起拉曼標(biāo)記的作用。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中可以使用的其它標(biāo)記包括氰化物、硫醇、氯、溴、甲基、磷和硫。在拉曼光譜術(shù)中使用標(biāo)記是公知的(例如，美國專利No.5,306,403和No.6,174,677)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，所使用的拉曼標(biāo)記應(yīng)該產(chǎn)生可辨認(rèn)的拉曼光譜，并且可以被特別地粘合或者結(jié)合到不同類型的分析物上。
標(biāo)記可以被直接附著到分析物上，或者通過不同連接體化合物進(jìn)行附著。在所公開的方法中使用的交聯(lián)試劑和連接體化合物是本領(lǐng)域中已知的。含有被設(shè)計(jì)為與諸如分析物的其它分子共價(jià)地反應(yīng)的反應(yīng)基的拉曼標(biāo)記可從商業(yè)渠道獲得(例如俄勒岡州尤金市的分子探針公司(Molecular Probes))。制備標(biāo)記分析物的方法是已知的(例如，美國專利No.4,962,037；No.5,405,747；No.6,136,543；No.6,210,896)。
計(jì)算機(jī)在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，設(shè)備100、300可以包括計(jì)算機(jī)160、395。實(shí)施例所使用的計(jì)算機(jī)類型不限于160、395類型。示例性的計(jì)算機(jī)160、395可以包括用于交流信息的總線和用于處理信息的處理器。在一個(gè)實(shí)施例中，處理器選自奔騰系列處理器，包括但是不限于，奔騰II系列、奔騰III系列和奔騰4系列處理器，這些處理器可從英特爾公司(美國加利福尼亞州圣克拉拉市)獲得。在本發(fā)明可替換的實(shí)施例中，處理器可以包括塞揚(yáng)、Itanium、X-scale或者奔騰Xeon處理器(美國加利福尼亞州圣克拉拉市的英特爾公司)。在本發(fā)明的各種其它實(shí)施例中，處理器可以基于Intel架構(gòu)，例如IntelIA-32架構(gòu)或者英特爾IA-64架構(gòu)。可選擇地，也可使用其它處理器。
計(jì)算機(jī)160、395可以進(jìn)一步包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)或者其它動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備、只讀存儲(chǔ)器(ROM)或者其它靜態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，例如磁盤或者光盤和其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。計(jì)算機(jī)160、395還可以包括本領(lǐng)域中公知的其它外圍設(shè)備，例如顯示設(shè)備(例如，陰極射線管或者液晶顯示器)、字母數(shù)字輸入設(shè)備(例如，鍵盤)、光標(biāo)控制設(shè)備(例如，鼠標(biāo)、軌跡球或光標(biāo)方向鍵)和通訊設(shè)備(例如，調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口卡或者接口設(shè)備，用于鏈接到以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)或者其它類的網(wǎng)絡(luò))。
在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，拉曼探測單元360可操作地耦合到計(jì)算機(jī)160、395。來自探測單元360的數(shù)據(jù)可以被處理器處理，然后數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在主要存儲(chǔ)器中。用于標(biāo)準(zhǔn)的分析物的發(fā)射分布(emission profiles)的數(shù)據(jù)也可以被存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器或者在ROM中。處理器可以比較來自拉曼活性襯底240、340中的分析物的發(fā)射光譜，以辨別樣品中分析物的類型。處理器可以分析來自探測單元360的數(shù)據(jù)，以確定各種分析物的特性和/或濃度。應(yīng)該理解的是，不同配置的計(jì)算機(jī)160、395可以被用于某些實(shí)施中。因此，此系統(tǒng)的配置可以在本發(fā)明的不同實(shí)施例中發(fā)生變化。
在此所描述的過程可以在編程處理器的控制下執(zhí)行，在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，通過任何可編程邏輯或者硬編碼邏輯，諸如現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Arrays)(FPGAs)，TTL邏輯和應(yīng)用程序?qū)Ｓ眉呻娐?ASICs)，過程可以被完全地或者部分地執(zhí)行。另外，所公開的方法可以通過編程的通用計(jì)算機(jī)160、395組件和/或定制硬件組件的任意結(jié)合來執(zhí)行。
在數(shù)據(jù)收集操作之后，數(shù)據(jù)典型地將被報(bào)告給數(shù)據(jù)分析操作器。為了幫助分析操作，通過探測單元360獲得的數(shù)據(jù)典型地用數(shù)字計(jì)算機(jī)160、395進(jìn)行分析，如上面所描述的。典型地，計(jì)算機(jī)160、395將被適當(dāng)?shù)鼐幊蹋糜诮邮芎痛鎯?chǔ)來自探測單元360的數(shù)據(jù)，以及用于分析和報(bào)告所收集的數(shù)據(jù)。
在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，客戶設(shè)計(jì)軟件包可以被用來分析從探測單元360收集的數(shù)據(jù)。在本發(fā)明可替換的實(shí)施例中，可以用計(jì)算機(jī)160、395和公共可得到的軟件包執(zhí)行數(shù)據(jù)分析。
實(shí)施例實(shí)施例1拉曼活性襯底的構(gòu)造多孔納米晶體硅的形成用于形成納米晶體多孔硅襯底110、210的示例性的方法和設(shè)備100示于圖1中。用于制造納米晶體多孔硅的方法是本領(lǐng)域中公知的(例如，美國專利No.6,017,773)。納米晶體多孔硅層可以電化學(xué)地形成，如Petrova-Koch等人所公開的(Appl.Phys.Let.61943，1992)。根據(jù)特定應(yīng)用，在蝕刻來調(diào)整多孔硅襯底110、210的特性之前，硅可以是輕或重p-摻雜或者n-摻雜。單個(gè)晶體硅金屬錠可以通過被稱為切克勞斯基法(Czochralski)制造(例如，http//www.msil.ab.psiweb.com/english/msilhist4-e.html)。單個(gè)晶體硅片110可以用在稀釋的HF/乙醇150溶液中陽極浸蝕進(jìn)行處理以形成納米晶體多孔硅襯底110、210?？商鎿Q地，可以使用在HF、硝酸和水的溶液150中進(jìn)行化學(xué)蝕刻，而不用陽極浸蝕法。
在蝕刻之前，晶片可以被涂覆上聚甲基丙烯酸甲酯耐蝕化合物或者其它已知的耐蝕化合物。用于納米晶體多孔硅襯底110、210的圖案可以通過標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝形成。在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，納米晶體多孔硅襯底110、210可以是圓形的、溝道型的(trench shaped)、溝槽型的或者任何其它選擇的形狀。在某些實(shí)施例中，多個(gè)多孔襯底110、210可以在單一硅片110上形成，以便有多個(gè)樣品溝槽和/或腔用于拉曼分析。每個(gè)取樣溝槽和/或腔可操作地耦合到一個(gè)或者多個(gè)拉曼探測器380。
在耐蝕層涂覆和平版印刷之后，晶片110可以暴露于溶液150中，如在圖1中公開的，此溶液150為含有重量百分比約15％到50％之間的HF的乙醇和/或蒸餾水溶液，此溶液150在由Teflon構(gòu)成的電化學(xué)容器120中。在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，整個(gè)耐蝕涂覆的晶片110可以被浸在HF溶液150中。在可替換的實(shí)施例中，晶片110可以被保持在電化學(xué)容器120中的適當(dāng)?shù)奈恢蒙希?，用合成橡膠墊圈，而晶片110表面只有一部分暴露于HF溶液150中(美國專利No.6,322,895)。在任何一種情況下，晶片110可以被電連接到恒流源130的正極，以形成電化學(xué)容器120的陽極110。鉑電極可以提供容器120的陰極140。根據(jù)所選擇的多孔程度，晶片110可以在避光處，用5到250毫安培/平方厘米的陽極氧化電流密度，蝕刻5秒到30分鐘。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，可以選擇的多孔度在約10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、60％、70％、80％或者90％。如在本領(lǐng)域中公知的，形成多孔硅110、210所需要的陽極氧化電流密度可以部分地依賴于所使用的硅襯底110的類型，諸如襯底110是否被輕或重p-摻雜或n-摻雜。
在本發(fā)明的其它可替換實(shí)施例中，使用已知芯片制造技術(shù)，納米晶體多孔硅襯底110、210可以被加入到MEMS設(shè)備中，包括各種探測器、感應(yīng)器、電極、其它電氣元件、機(jī)械致動(dòng)器等。在某些實(shí)施例中，這種制造工序可以在形成多孔硅襯底110、210之前和/或之后和/或涂覆上拉曼敏感金屬之前和/或之后進(jìn)行。
金屬涂覆多孔硅襯底110、210可以通過使用已知工藝(Lopez和Fauchet，2000)的陰極電遷移被涂覆上金屬。盡管其它諸如金或鉑的金屬也可以被使用，但是為達(dá)到本實(shí)施例的目標(biāo)，用銀作金屬涂層。清潔多孔硅表面110、210，然后根據(jù)Lopez和Fauchet(Appl.Phys.Lett.753989，1999)的電遷移技術(shù)進(jìn)行銀摻雜。所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，用于在多孔硅襯底110、210上形成薄的金屬涂層的任何已知技術(shù)都可以被用在本發(fā)明的不同實(shí)施例中。
實(shí)施例2分析物的拉曼探測如上述形成的拉曼活性金屬-涂覆襯底240、340可以被加入到用于分析物的拉曼探測、鑒定和/或量化的設(shè)備300中，如圖3中所示。例如，襯底240、340可以被加入到流通室330(flow through cell 330)中，連接到入口槽320和出口槽350。入口槽320可以被連接到一個(gè)或者多個(gè)其它設(shè)備310，例如樣品注入器320和/或反應(yīng)腔310。分析物可以進(jìn)入流通室330，然后通過拉曼活性襯底340，在此處其可以被拉曼探測單元360探測。探測單元360可以包括拉曼探測器380和光源370，例如激光器370。激光器370可以發(fā)射激發(fā)束390，活化分析物和引起拉曼信號(hào)的發(fā)射。拉曼信號(hào)被探測器380所探測。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，探測器380可操作地耦合到計(jì)算機(jī)395，計(jì)算機(jī)395可以處理、分析、存儲(chǔ)和/或傳輸存在于樣品中的分析物上的數(shù)據(jù)。
在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，激發(fā)束390由鈦:藍(lán)寶石激光器370(來自Spectra-Physics的Tsunami)，在近紅外波長(750～950nm)產(chǎn)生；或者由鎵鋁砷二極管激光器370(來自Process Instruments的PI-ECL系列)在785nm或者830nm產(chǎn)生?？梢圆捎妹}沖激光束390或者連續(xù)束390。激發(fā)束390被分光鏡反射(來自Kaiser Optical的全息陷波濾波器或者來自Chroma Optical或者Omega Optical的干擾濾光片)與匯集光束成共線幾何形式。反射光束390經(jīng)過顯微鏡物鏡(Nikon LU系列)，被聚焦在拉曼活性襯底240、340上，目標(biāo)分析物被放置在此。來自分析物的拉曼散射光被同一個(gè)顯微鏡物鏡匯集，經(jīng)過分光鏡到達(dá)拉曼探測器380。拉曼探測器380包括聚焦透鏡、攝譜儀和陣列探測器。聚焦透鏡將拉曼散射光匯聚，通過攝譜儀的入射狹縫。攝譜儀(RoperScientific)包括根據(jù)波長色散光的光柵。色散光在陣列探測器上(RoperScientific的后-照明深-損耗CCD照相機(jī))成像。陣列探測器被連接到控制線圈，其被連接到計(jì)算機(jī)160、395，用于數(shù)據(jù)傳輸和探測器380功能的控制。
在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，探測單元360能夠高靈敏度地探測、鑒定和/或量化很多種類的分析物，甚至是單分子探測和/或鑒定。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，分析物可以包括單個(gè)核苷酸，其可以被拉曼標(biāo)記或者可以不被拉曼標(biāo)記。在其它實(shí)施例中，一個(gè)或者多個(gè)寡核苷酸探針可以被可辨別的拉曼標(biāo)記來標(biāo)記或者可以不被可辨別的拉曼標(biāo)記來標(biāo)記，并且被允許與樣品中的目標(biāo)核酸雜交。通過與互補(bǔ)寡核苷酸探針(complementary oligonucleotide probe)雜交和使用圖3中的設(shè)備300的拉曼探測，可以顯示目標(biāo)核酸的存在?？商鎿Q地，所關(guān)心的氨基酸、肽和/或蛋白質(zhì)可以使用公開的方法和設(shè)備300進(jìn)行探測和/或鑒定。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，方法和設(shè)備300不限于其可以探測、鑒定和/或量化的分析物的種類，而是，任何分析物，無論其被標(biāo)記或未被標(biāo)記，只要能被拉曼探測所探測，就可以在本主題所要求保護(hù)的范圍內(nèi)被分析。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，一個(gè)或者多個(gè)“捕獲”分子可以被共價(jià)地或者非共價(jià)地加到拉曼活性襯底240、340上，以增強(qiáng)分析物的拉曼探測的靈敏性和/或獨(dú)特性。例如，使用已知工藝，為所選擇的目標(biāo)核酸的特別選擇的寡核苷酸探針可以被附著到襯底240、340的金屬表面。(例如，寡核苷酸可以被共價(jià)地改性以含有巰基部分，其可以附著到金涂覆襯底240、340。)可替換地，為目標(biāo)蛋白質(zhì)、肽或者其它化合物所特別選擇的抗體，可以被附著到襯底240、340上。在允許與互補(bǔ)核酸序列雜交的條件下，通過把附著到襯底240、340上的寡核苷酸暴露于樣品，然后通過清洗之后探測被附著的分析物，可以探測目標(biāo)分析物的存在。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，在暴露于拉曼活性襯底240、340以利于附著的分析物的探測之前，樣品中的一個(gè)或者多個(gè)分析物可以使用可辨別的拉曼標(biāo)記來標(biāo)記。類似的方法可以基于抗體-抗原對(duì)、配體-受體對(duì)或者能彼此顯示出選擇性和/或特異性的結(jié)合的任何其它已知分析物對(duì)來應(yīng)用。通過使用各種試劑去除粘合的分析物和/或捕獲分子，例如用酸、水、有機(jī)溶劑或者去垢劑、化學(xué)處理和或使用諸如核酸外切酶和/或蛋白酶的細(xì)胞溶解酶處理，襯底240、340可以被循環(huán)和再利用。
* * *在不濫用本公開的實(shí)驗(yàn)的情況下，在此所公開和要求保護(hù)的所有方法和設(shè)備都能被制造和使用。對(duì)所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯然，在不背離本發(fā)明要求保護(hù)主題的概念、精神和范圍的前提下，可以對(duì)這里所公開的方法和設(shè)備進(jìn)行變更。更具體地，顯然，化學(xué)和生理上都相關(guān)的某些試劑可以替代這里所描述的試劑，并可獲得同樣或者相似的效果。對(duì)于所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯然，所有這些類似替代和變化都被認(rèn)為是在本發(fā)明所要求保護(hù)的主題的精神、范圍和概念之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括a)提供金屬涂覆多孔襯底；b)把所述襯底暴露于包含一個(gè)或者多個(gè)分析物的樣品；c)用激光激發(fā)和光譜術(shù)來探測和/或鑒定一個(gè)或者多個(gè)分析物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底是多孔半導(dǎo)體襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述襯底選自由納米晶體硅、單晶硅、多晶硅、非晶硅和激光退火硅組成的組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中金屬納米粒子被加入到所述金屬涂覆多孔襯底中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬涂層包括銀、金、鉑、銅和/或鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述光譜術(shù)是拉曼光譜術(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述拉曼光譜術(shù)是表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)、表面增強(qiáng)共振拉曼光譜術(shù)、超-拉曼和/或相干反斯托克斯拉曼光譜術(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述分析物選自由氨基酸、肽、多肽、蛋白質(zhì)、糖蛋白、脂蛋白、核苷、核苷酸、寡核苷酸、核酸、糖、碳水化合物、寡糖、多糖、脂肪酸、脂類、激素、代謝物、細(xì)胞因子、趨化因子、受體、神經(jīng)遞質(zhì)、抗原、變應(yīng)原、抗體、底物、代謝物、輔助因子、抑制物、藥品、藥物、營養(yǎng)物、朊病毒、毒素、毒物、爆炸物、殺蟲劑、化學(xué)戰(zhàn)劑、生物學(xué)危害試劑、細(xì)菌、病毒、放射性同位素、維生素、雜環(huán)芳香化合物、致癌物質(zhì)、誘變劑、麻醉劑、苯異丙胺、巴比妥酸鹽、致幻劑、廢物和/或污染物組成的組。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述分析物是核苷、核苷酸、寡核苷酸、核酸、氨基酸、肽、多肽或者蛋白質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一個(gè)或者多個(gè)分析物用一個(gè)或者多個(gè)拉曼標(biāo)記來標(biāo)記。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中每個(gè)分析物被可辨別的拉曼標(biāo)記來標(biāo)記。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中一個(gè)或者多個(gè)捕獲分子被附著到金屬涂覆多孔硅襯底上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述捕獲分子選自由寡核苷酸、核酸、抗體、抗體片段、抗原、抗原決定部位、凝集素、蛋白質(zhì)、多肽、肽、受體蛋白、配體、激素、維生素、代謝物、底物、抑制物、輔助因子、藥物、適體、細(xì)胞因子和神經(jīng)遞質(zhì)組成的組。
14.一種設(shè)備，其包括a)金屬涂覆納米晶體多孔硅襯底；b)激光器；和c)拉曼探測器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述多孔硅被用做犧牲層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中所述犧牲層被金屬替代。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括金屬納米粒子。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述金屬包括銀、金、鉑、銅和/或鋁。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)，其可操作地耦合到所述拉曼探測器。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括一個(gè)流通室，其可操作地耦合到所述拉曼探測器，其中流體流過在所述流通室中的所述金屬涂覆納米晶體多孔硅襯底。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述金屬涂覆多孔硅襯底被加入到微機(jī)電系統(tǒng)，即MEMS中。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中所述金屬涂覆多孔硅襯底被構(gòu)造為集成芯片的一部分。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中所述金屬涂覆多孔硅襯底被從晶片移開，然后被加入到MEMS中。
24.一種晶片，其包括金屬涂覆納米晶體多孔硅層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的晶片，其中所述金屬涂層包括銀、金、鉑、銅和/或鋁。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的晶片，其中所述多孔硅包括硅、氧化硅、二氧化硅和/或氮化硅。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的晶片，其中所述多孔硅在被涂覆上金屬之前被氧化成二氧化硅。
28.一種方法，其包括a)提供一種金屬涂覆大表面積材料；b)把所述材料暴露于含有一個(gè)或者多個(gè)分析物的樣品；c)用激光激發(fā)和光譜術(shù)來探測和/或鑒定一個(gè)或者多個(gè)分析物。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述大表面積材料是多孔硅。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述光譜術(shù)是拉曼光譜術(shù)。
全文摘要
本發(fā)明所公開的方法和設(shè)備(300)關(guān)于使用金屬涂覆納米粒子多孔硅襯底(240、340)的拉曼光譜術(shù)。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，多孔硅襯底(110、210)可以通過在稀釋氫氟酸(150)中的陽極浸蝕形成。通過陰極電遷移或者任何已知技術(shù)，諸如金或者銀的拉曼活性金屬的薄涂層可以被涂覆在多孔硅(110、210)上。金屬涂覆襯底(240、340)為SERS、SERRS、超拉曼和/或CARS拉曼光譜術(shù)提供廣延的、富含金屬的環(huán)境。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，金屬納米粒子可以被加入到金屬涂覆襯底(240、340)中以進(jìn)一步增強(qiáng)拉曼信號(hào)。使用本發(fā)明所公開的方法和設(shè)備(300)，拉曼光譜術(shù)可以被用于探測、鑒定和/或量化很多種類的分析物。
文檔編號(hào)G01N21/65GK1659425SQ03813551
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月12日
發(fā)明者S·尚, A·伯林, Y·米內(nèi)奧 申請(qǐng)人:英特爾公司