專利名稱：納米孔洞陣列生物傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種納米孔洞(nanohole)陣列生物傳感器，以及ー種包括該傳感器的生物感測裝置。
背景技術：
ff. L. Barnes, A. Dereux, T. ff. Ebbesen, Nature 24 (2003) 804-830 公開了一種通過亞波長(sub-wavelength)孔徑的特殊的光傳輸(EOT),其中通常入射在包含亞波長納米孔洞的周期性陣列的金屬膜上的可見光展示出比先前預期的更高的、作為幅度量級的峰值傳輸強度。納米孔洞陣列是使用聚焦離子束加工(milling)而在沉積在玻璃襯底上的光學厚黃金膜上制作的。納米孔洞的短有序陣列(short ordered array)以與周期性光柵(grating)相似的方式起作用，允許入射福射以激發(fā)特征頻率的表面等離子體(plasmon)模式,該特征頻率取決于金屬的介電函數、孔洞陣列的周期性、以及在金屬膜表面的介質的介電函數。光通過孔洞傳輸的過程取決于金屬膜的厚度。對于其中厚度太大以至于不能允許膜的兩側之間的等離子體/等離子體耦合的光學厚膜，所述過程涉及向下隧道傳送而通過孔徑墻的衰逝(evanescent)波，導致在發(fā)射側的小振幅光，例如，如 A. Kishnihan, T. Thio, TJ. Kima, H. J. Lezec, T. ff. Ebbesen,P. A. Wolff,J. Pendry,L. Martin Moreno,F. J. Garcia-Vidal,Opt. Commun 200(2001) 1-7 所公開的。在此點上，等離子體在相對側重新耦合到金屬性的膜，并且它們相關聯(lián)的場干擾，導致光的傳播。對于其中存在相當多的等離子體/等離子體重疊的光學薄金屬膜，光發(fā)射顯著增強。P. R. H Strark, A. E. Hal leek, D. N. Larson, Methods 37 (2005) 37-47 公開了納米孔洞等離子體在生物感測的領域中的應用。這涉及用于通過在黃金膜上制作的納米孔洞結構發(fā)送的光強度中的變化來檢測折射率改變的感測方法。納米孔洞結構是通過使用聚焦離子束來產生以500nm為周期的孔洞陣列而在光學厚膜上制作的。分別地，A.Dahlin, M. Zach, T. Rindzevicius, M. Kail, D. S. Sutherland, F. HookJ. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 5043-5048公開了用于生物感測的EOT的適用性。在他們的實驗中，在黃金的光學薄膜中隨機地制作納米孔洞，并且證明了生物素(biotin) /中性鏈親和素(neutravidin)免疫測定概念。在兩種情況下，生物傳感器是基于穿過在標準顯微鏡玻璃切片上制作的納米孔洞的周期性陣列的光傳輸。J. C. Yang, J. Ji, J. M. Hogle, D. N. Larson Biosensors 和 Bioelectronics,24(2009),2334-2338公開了在單個襯底上的60 μ mX 50 μ m區(qū)域內構建不同周期性的多達25個獨立納米孔洞陣列，用于多元等離子體感測。A. Dhawan, J. F. Muth Materials Science and Engineering B,149(3), (2008)，237-241公開了在単獨的單模和多模光纖的尖端構建的、并且展示了它們對于光纖光感測的可行性的納米孔洞陣列。表面等離子體(SP’ S)是在金屬表面出現(xiàn)的折射率敏感的電荷密度振蕩。經由増加入射光的動量(momentum)以滿足等離子體散射關系的適當耦合機制而利用光方便地激發(fā)，已經將它們成功地布置于許多商業(yè)儀器中作為調查化學和生化交互作用的方法。如在US 6，441，904和US 2006/0108219中公開的，這些儀器典型地使用棱鏡、波導或光柵來増加在連續(xù)金屬表面上入射的光的動量，所述連續(xù)金屬表面包含擔當電介質的接納分子的層。它們的在金屬和電介質的接觸面周圍的折射率的改變的靈敏度導致光的角度分布、反射譜或反射強度的改變。對其的測量提供配體-受體結合(ligand-receptor binding)的無標記測量，用于化學和生化化驗。在一次記錄多個單獨化驗時，等離子體共振檢測的這些方法并不輕易給予它們自身高吞吐量篩選(screening)應用。
發(fā)明內容
本發(fā)明提供ー種生物傳感器，包括光透射光學組件，包括并排熔接的多個光纖，所述光纖在所述組件的相對面之間延伸并在其上結束用于將光傳輸通過所述組件；涂覆在所述光學組件的ー個面的至少一部分上的金屬性膜；以及在所述金屬性膜中形成的多個納米孔洞陣列。優(yōu)選地，所述光學組件的ー個面形成有多個凹陷，并且相應金屬性膜納米孔洞陣列被形成在所述凹陷的至少ー些中。本發(fā)明還提供一種制造生物傳感器的方法，包括提供包括并排熔接的多個光纖的光透射光學組件，所述光纖在所述組件的相對面之間延伸并在其上終止用于將光傳輸通過所述組件；在所述光學組件的ー個面的至少一部分上涂覆金屬性膜；以及在所述金屬性膜中形成多個納米孔洞陣列。本發(fā)明還提供ー種生物感測裝置，包括如上指定的生物傳感器；用于照亮納米孔洞陣列的在給定波長的單色光源；以及處理部件，用于處理從光感測陣列輸出的信號，其中所述納米孔洞具有亞波長尺寸，并且所述金屬性膜具有至少ー個具有超波長尺寸的孔洞。


現(xiàn)在將借助于示例，參照附圖，來描述本發(fā)明的實施例，附圖中圖I是用于測量EOT的傳統(tǒng)安排的示意圖。圖2是根據本發(fā)明的生物傳感器的實施例的示意性側視圖。圖3是合并如圖2所示的生物傳感器的生物感測設備的示意圖。
具體實施例方式圖I示出了用于測量EOT的現(xiàn)有技術納米孔洞陣列生物感測裝置。在涂覆在玻璃切片12上的黃金膜10中形成多個亞波長納米孔洞陣列。利用単色光照亮黃金膜10，并且穿過切片(slide) 12傳輸的光通過油浸透鏡16而被聚焦在CXD檢測器(感光陣列)14上。在使用時，將小量的生物學分析物放置于每個納米孔洞陣列上，并且以已知方式對由CCD檢測器關于每個納米孔洞陣列而感測的光的強度進行分析，以便提供關于樣本的信息。這個裝置的ー個缺點在于在納米孔洞膜的接觸面處的光散射以及玻璃切片降低了光傳輸到CXD檢測器的效率。 圖2示出了根據本發(fā)明的生物傳感器的實施例。所述生物傳感器包括纖維光學面板(faceplate) 18,例如，美國紐約州 10523, Elmsford, Schott North America 公司所生產的類型。面板18包括并排(side-by-side)熔接的多個并行光學纖維，所述纖維在面板的相對平行主表面之間垂直延伸并終止在其上以便形成光學透明板，其允許從板的一個主表面到另ー個主表面的I : I光傳輸。優(yōu)選地，每個光學纖維具有大于6微米的核心直徑，并且熔接的面板優(yōu)選地面積大于lem2，最優(yōu)選地尺寸上至15cmX15cm，與傳統(tǒng)微井板(wellplate)的尺寸對應。在第一實施例中，面板18的每個主表面都被打磨平坦并且光滑，沒有除了要在它們之ー上形成的納米孔洞陣列以外的額外結構。在第二實施例中，面板18的ー個主表面提供有圓形凹陷或井的矩陣，其容納納米孔洞陣列，并且在使用中，容納要測試的分析物。優(yōu)選地，一系列的井是使用粉末爆破制作的，諸如，由荷蘭的艾恩德霍芬市(Eindhoven)的Anteryon BV所提供的)制作的。面板18可以在矩形矩陣中包括多達1536個單獨的井，每個井容納多達Iml的液體。例如,每個井可以是上至2mm深并且面積為O. 5cm2。面板18的ー個主表面至少部分地涂覆有黃金膜20。膜20的厚度小于lOOnm，優(yōu)選地厚度小于80nm，并且最優(yōu)選地厚度為從IOnm到14nm。如以上所討論的，厚于IOOnm的層在光學上很厚，并且不能展示EOT。面板18在主表面上被提供有井時，將黃金膜沉積在該表面上，至少在井內。在黃金膜20中形成多個矩形陣列的納米孔洞。在面板18具有井處，納米孔洞的陣列被形成在井內的黃金膜上，至少在包含擔當單獨傳感器的各自陣列的多數井處(如將要描述的，有些井可能包含更大的孔洞)。納米孔洞陣列可以通過電子束或軟膠體平版印刷(soft colloidal lithography)技術來制造,所述技術諸如被描述在如下文獻中‘‘しolloida lithography and current fabrication techniques producing in-planenanotopography for biological applications，，，MA Wood, J R Soc Interface (2007) 4,1-17，2006 年 8 月 23 日。納米孔洞優(yōu)選是圓形的并且具有亞波長直徑，典型地在SOnm到200nm的范圍內，但是在任何情況下優(yōu)選地小于500nm。對于“亞波長”，我們意思是納米孔洞的直徑小于正在使用的用于照亮陣列的光的波長。每個陣列都具有周期P，其是納米孔洞直徑的整數倍P = d(l+n)其中，豆是納米孔洞的直徑，并且n優(yōu)選地是O和4之間的整數值。納米孔洞的周期優(yōu)選地不大于2. 5微米。假定滿足以上要求，不需要所有陣列具有相同的納米孔洞直徑或陣列周期，并且雖然它們應該是規(guī)則的，但是它們不必是矩形陣列。此外，納米孔洞不必是圓形的，在這種情況下，以上的d指代它們的最大尺寸。除了亞波長納米孔洞以外，在至少ー些井(在存在井處)中的黃金膜中形成許多超波長孔洞，并且這些將具有至少比納米孔洞大10倍(典型地大于I. 6微米)的直徑或最大尺寸。由于面板18允許光直接通過這些超波長孔洞，它們當作消失，這可以用于確定在鄰近納米孔洞上入射的光的強度，使得感測電路能夠確定對于正在通過鄰近納米孔洞傳輸的光的基線，并且從而改善后續(xù)處理中的信噪比。與承載黃金膜的表面相對的面板18的主表面經由纖維光錐(optic taper) 24被耦接到CXD檢測器22，所述光錐24與CXD檢測器結合。CXD檢測器的面積可以為從20 X 20mm到100 X 100mm,并且包括多達8192 X 8192個像素；所述錐24可以從檢測器22到面板18變寬或者變窄，以便補償面板18和檢測器之間的面積差。所述錐擔當波導，以從傳感器直接向CXD像素傳輸光。英國的埃塞克斯郡CMl 2QU的切姆斯福德市的E2V Technologies上市公司供應具有附帶纖維光錐的CCD傳感器。熔接的纖維面板18可以通過光學膠體來與CCD/錐組合件對接，然后將所述兩個組件彈簧耦接在一起。纖維光學面板18具有高數值孔徑以用于直接收集傳輸光，數值孔徑對于CCD錐和纖維光學面板都接近I。整合(binning)和合并各個像素以便形成超像素創(chuàng)建了足夠大小的光檢測器，以從形成實際傳感器的傳感器陣列的單個集合收集光。優(yōu)選地，將來自圖3中單色儀26的單一波長光直接聚焦于面板18上的黃金膜20上。C⑶檢測器22記錄每個納米孔洞陣列的傳輸光譜。在這種情況下，由用于處理輸出自CCD檢測器的信號的處理電路28來確定峰值傳輸波長。峰值傳輸波長根據以下等式，與納米孔洞陣列的周期、黃金膜的介電函數以及接觸膜的分析物的介電函數有夫
權利要求
1.ー種生物傳感器，包括光透射光學組件，包括并排熔接的多個光纖，所述光纖在所述組件的相對面之間延伸并在其上結束用于將光傳輸通過所述組件；涂覆在所述光學組件的ー個面的至少一部分上的金屬性膜；以及在所述金屬性膜中形成的多個納米孔洞陣列。
2.如權利要求I所述的生物傳感器，其中，所述光學纖維在所述光學組件的相對面之間彼此實質上平行地延伸。
3.如權利要求I所述的生物傳感器，其中，所述光學纖維在所述光學組件的相對面之間匯聚。
4.如權利要求1、2或3所述的生物傳感器，其中，所述組件是板，所述相對面為該板的相対的實質上平行的表面。
5.如任一前述權利要求所述的生物傳感器，其中，所述納米孔洞的最大尺寸d小于500nm，優(yōu)選地為從80nm到200nm。
6.如任一前述權利要求所述的生物傳感器，其中，每個陣列具有d(l+n)的周期，其中d是納米孔洞的最大尺寸，并且n具有從O到4的值。
7.如任一前述權利要求所述的生物傳感器，其中，金屬性層的厚度小于lOOnm，優(yōu)選地小于80nm,并且最優(yōu)選地為從IOnm到14nm。
8.如任一前述權利要求所述的生物傳感器，其中，金屬性層具有至少ー個孔洞，該孔洞的最大尺寸至少是納米孔洞的最大尺寸的十倍。
9.如任一前述權利要求所述的生物傳感器，其中，所述光學組件的ー個面形成有多個凹陷，并且相應金屬性膜納米孔洞陣列被形成在所述凹陷的至少ー些中。
10.如權利要求9所述的生物傳感器，其中，每個凹陷具有高達2_的深度。
11.如權利要求9或10所述的生物傳感器，其中，每個凹陷具有高達0.5cm2的面積。
12.如任一前述權利要求所述的生物傳感器,其中,所述金屬性膜包括黃金。
13.如任一前述權利要求所述的生物傳感器，其中，所述光學組件的另一面被光學地耦接到光感測陣列。
14.如權利要求13所述的生物傳感器，其中，所述另一面被直接耦接到光感測陣列。
15.如權利要求13所述的生物傳感器，其中，所述另一面經由纖維光錐而間接耦接到所述光感測陣列，以至少部分地補償所述另一面和感測陣列的區(qū)域之間的面積差異。
16.一種制造生物傳感器的方法，包括提供包括并排熔接的多個光纖的光透射光學組件，所述光纖在所述組件的相對面之間延伸并在其上結束以用于將光傳輸通過所述組件；在所述光學組件的ー個面的至少一部分上涂覆金屬性膜；以及在所述金屬性膜中形成多個納米孔洞陣列。
17.如權利要求16所述的生物傳感器，其中，所述光學組件的ー個面形成有多個凹陷，并且相應的金屬性膜納米孔洞陣列被形成在所述凹陷的至少ー些中。
18.ー種生物感測裝置，包括如權利要求13、14或15中要求保護的生物傳感器，用于照亮納米孔洞陣列的給定波長的單色光源，以及用于處理從光感測陣列輸出的信號的處理部件，其中所述納米孔洞具有亞波長尺寸，并且所述金屬性膜具有至少ー個具有超波長尺寸的孔洞。
全文摘要
一種生物傳感器包括光透射光學組件(18)，所述光透射光學組件包括多個并排熔接的光學纖維，所述纖維在所述組件的相對面之間延伸并在其上結束用于將光傳輸通過所述組件。在所述光學組件的一個面上涂覆黃金膜(20)，以及在黃金膜中形成的多個納米孔洞陣列。
文檔編號G01N21/55GK102667446SQ201080049631
公開日2012年9月12日 申請日期2010年10月5日 優(yōu)先權日2009年11月5日
發(fā)明者J.奧瑪霍尼 申請人:沃特福德技術學院