具有灰度光譜的光學編碼粒子的製作方法

2023-07-13 00:42:46 1

專利名稱：具有灰度光譜的光學編碼粒子的製作方法
技術領域：
本發明的領域是編碼。本發明其它可作示範的領域有生命科學、安全、產品標記、食品加工、農業及化學識別。
背景技術：
社會對標記的需要非常廣泛。標記是進行跟蹤和識別的基礎。編碼可用作能被人或機器識別的標記形式，如條形碼的情況一樣。但在微尺度上，標記/編碼本身變得困難重重。
對微尺度材料進行編碼的方法因而吸引了人們越來越多的注意力，以便在藥品發明、遺傳篩選、生物醫學研究以及生物學和化學感應的領域用在進行高通量篩選等用途。對增多的分析物進行測量、同時儘可能減少所必須的樣品數量的研究方法集中在晶片上空間區別排列或編碼珠。為了生物學和/或化學感應的目的，已通過使用位置編碼以記錄特定分析物的響應而開發了大排列。使用排列相對常規的單獨分析物傳感器的主要優點是可以同時處理和分析大量的分析物。但是，位置可遭受低擴散率，並且限制在被感應的分析物的濃度範圍上。另一種方法是使用單獨編碼珠。
早期嘗試對粒子進行編碼使用螢光的或紅外線活性分子作為二元標記物。近期以來，由於其獨特的螢光特性，硒化鎘量子點已被證明是對粒子進行編碼的可行的侯選者。較有機分子而言，量子點具有對光致褪色的增加的穩定性、更尖銳的螢光峰、改善的溶解性以及激發頻率範圍大等優點。通過6種顏色(限於可見光譜區螢光的峰寬)和10種強度水平，理論上可對106個粒子進行編碼。由於光譜的重疊以及樣品的不均一性，實際操作中難以達到這一數目。另外，儘管量子點的光穩定性有所提高，但螢光熄滅仍然是可能的，這使將相對強度的測量作為可靠的編碼方法帶有不確定性。
另一種編碼方法是使用超微金屬棒。這種超微金屬棒的製作是將金屬以受控厚度的交替帶電鍍在多孔膜上。各種金屬不同的反射特性可被用作條形碼，達到識別的目的。反射譜沒有螢光團固有的光致褪色的缺點。而且，螢光分析物不會干擾粒子信號。但棒的沉積是相對複雜的工藝，而且，可能難以用作其中例如需要大量編碼的編碼方法，因為必須將每一個棒子放在光學讀碼器(比如顯微鏡)的焦點中以讀出編碼。仍需要在微尺度上編碼的方法。

發明內容
本發明涉及一種粒子，其具有通過粒子不同區域之間折射率的改變嵌入在粒子物理結構內的灰度編碼。


圖1是本發明的多層編碼粒子的示意圖；和圖2說明了製造編碼粒子的優選實施方式。
具體實施例方式
本發明涉及一種粒子，其具有通過粒子不同區域之間折射率的改變嵌入在粒子物理結構內的灰度編碼。優選通過改變形成在粒子中的孔隙率改變折射率。來自粒子的反射在可見和/或不可見波長上產生光學特徵。在優選實施方式下，峰的數量、其位置和強度可被用來產生大量的獨特的顯示灰度編碼的光學特徵。在優選實施方式形成方法中，通過蝕刻工藝可產生多孔編碼結構，在該蝕刻工藝中蝕刻條件在孔形成過程中根據電腦生成的設計用於產生灰度編碼的波形而變化。可進行切割以形成具有小尺寸範圍的單獨編碼粒子，比如，從幾百納米到幾百微米。
本項發明的方法和粒子可應用於許多行業，包括但不限於藥品發明、生物學篩選、化學篩選、生物學標記、化學標記、體內標記、安全識別及產品標記。本項發明的粒子及方法的各種屬性使得能夠在各行業得到廣泛應用。粒子的小尺寸使其能被方便地引入各種主體，例如產品、試驗箱、被化驗品、粉末(如用於鑑定的爆炸物)、糊狀物、液體、玻璃、紙張以及可接納小粒子的任何其它主體或系統。通過本發明的生物相容性粒子使得能夠體內檢測，其然後可例如利用可穿透組織的近紅外線和紅外線波長通過組織查詢。
根據上文對本發明的示例性方面和應用，優選實施方式中的粒子可通過其變化的多孔結構的反射率譜所固有的灰度編碼而被識別。本發明的另一方面，物質如生物學或化學物質附著在多孔結構中，而粒子則成為鑑定由孔所攜帶的物質的標籤。本發明的另一方面，編碼粒子的反射率譜的變化可反映粒子孔內的物質的存在、缺乏或數量。
圖1顯示了優選實施方式下編碼粒子10的橫截面。編碼粒子10包含多孔薄膜12。具有變化的孔隙率的該多孔薄膜12如圖1所示在晶片14上形成。但是，本發明的實施方式從基底上剝離的粒子結構，它們最初在該基底上或從該基底上形成。對薄膜12進行編碼以在反射率譜中產生形成包括灰度編碼的光學特徵的幹涉圖形。根據在粒子10形成過程中計算機產生的波形控制蝕刻條件，可對本發明中的粒子10進行特別編碼。
多孔薄膜12可由任何多孔半導體或絕緣體形成。在本發明的優選實施方式粒子中，多孔矽被用來形成多孔薄膜12。在氫氟酸溶液中對結晶矽進行受控的陽極蝕刻可同時對多孔薄膜12的孔隙率和厚度進行控制。蝕刻的定時控制多孔層的厚度，而蝕刻電流的密度控制孔隙率。多孔薄膜12的厚度和孔隙率根據電腦產生的波形控制。
多孔矽是薄膜12的優選材料。多孔矽具有一系列已被證明的優點。例如，多孔矽被證明是生物相容的。另外，氧化的多孔矽的表面化學與氧化矽同樣有效。因此，表面化學可由於生化衍生作用和配合基固定化而很好地理解。
在優選實施方式中，形成薄膜12以在多孔結構內包括受體材料。受體的目的是與所關心的特定分析物結合。示範性受體(也被稱為結合體)披露在例如標題為「Porous Semiconductor Based Optical Interferometric Sensor」的美國專利No.6,248,539中。利用將受體分子束縛到多孔薄膜12的任意方式，受體分子可與多孔矽薄膜12吸附或另外聯合。這包括但不限於受體分子與半導體的共價結合、受體分子與層的離子締合、將受體分子吸附到層的表面，或其它類似技術。聯合也可包括通過將受體分子共價連接到另一部分，該另一部分一次共價連接到多孔薄膜12上，或通過雜化或其它生物學聯合機理將目標分子連接到另一部分，該另一部分連接到多孔薄膜12。其它具體的例子有受體配合基，其被附著在多孔矽層上從而形成生物傳感器。結合到本發明粒子10上的分析物通過粒子10提供的編碼變得可被識別和跟蹤。
我們依據方程1-4，利用波形和光譜設計已證明了光譜位置和灰度(光譜高度)的再現性。
An＝(Anmax-Anmin)/2(1)kn＝頻率＝1/周期 (2)yn＝An[sin(knt-Φ)+1]+Anmin(3)ycomp＝[y1+...+yn]/n (4)方程(1)限定正弦成分n的振幅，這將產生光譜峰高度，或者比特(bit)的灰度。方程(2)限定每一個正弦成分的頻率，這將產生峰的光譜位置，或者比特(第一比特，第二比特，等等)的識別。方程(3)限定正弦成分n。方程(4)限定用於驅動電化學蝕刻的合成(composite)波形。譜峰位置是頻率k和時域的正弦成分y(t)的函數。譜峰位置與在k-空間的位置是類似的(synomomous)，關係是c＝波長×k(頻率)。譜線高度中的灰度可基於每一個正弦成分的振幅決定。在進行產生孔隙率圖形的蝕刻之前可用傅立葉分析作為建模工具來估算所產生的光子學(photonic)晶體的光譜。根據方程(4)，增加兩個獨立的正弦成分可以形成合成波形。在多孔矽光子學晶體中，如果在一個或者多個正弦成分的振幅發生改變後譜線組要保持相同的絕對光譜位置，合成波形的平均振幅必須保持相同。例如，試想兩個波形，wf_1和wf_2，對應兩個格式編碼Acomp(bit 1)＝(A1+...+An)/n；Acomp(bits2...n)＝{[A1-(x/(n-1))]+...+[An+x]}/n。如果第二個編碼具有在正弦成分的振幅上增加的量x，則必須滿足下列條件Acomp(wf-1)＝Acomp(wf_2)，其中Acomp是由增加wf_1和wf_2形成的合成波形的振幅。所形成的k-空間光譜將顯示，當正弦成分的振幅根據上述方程發生改變時，光譜的位置保持不變。當入射的白色光線照到編碼薄膜時，只有包含與存在於薄膜中的變化的孔隙率的空間頻率相匹配的頻率的光線被反射回來。這是自然的光學變換，與傅立葉變換十分相似。
已做過試驗證明此發明。通過在HF(48％，aq)/乙醇為3∶1溶液中陽極蝕刻具有＜1mOhm-cm電阻率的p++型、B摻雜的、(100)定向矽製備灰度樣品。運用由計算機產生的與上述解釋一致的用於灰度編碼的陽極電流波形，並運用鉑網狀電極作為對電極。結果與預計一致。
反射譜中的峰強度由在薄膜12之間的的界面處的折射率的控制，該折射率由相鄰層之間的孔隙率的變化決定。這種變化可能是逐步的，也可能是急劇的。峰的位置可通過調整層的厚度控制。通過變換每一反射率峰的相對強度，可以進行額外編碼，這種編碼可以通過調整電化蝕刻參數設計到本發明的粒子10中，以控制薄膜12的孔隙率。本發明的粒子10編碼LN個編碼，其中N是光譜線數量，L為每一光譜線中的可能的灰度級的數量。
圖2中說明了形成編碼多孔粒子10的優選方法。選擇合適的半導體或絕緣體，比如矽片，進行加工(第14步)。比如，矽片可以切割並掩蔽以具有暴露的用於蝕刻的部分。示範的合適矽材料為單晶矽片。此後限定空間編碼(第16步)。空間編碼限定在將被蝕刻的材料上的編碼範圍。進行空間溶解(resolved)蝕刻使得編碼被編在矽片的顆粒尺寸的部分中。在題目為「Photolithographic fabrication of luminescent images on porous siliconstructures」的美國專利No.5,318,676號(1994年6月7日公告)中披露了一種示範的空間溶解蝕刻方法。在一個替代工藝中，空間限定的步驟(第16步)被省略。比如，單獨的矽片或矽片上的區域可以蝕刻，以包括具有單獨編碼的粒子。這樣，可以蝕刻其他矽片以包括具有不同編碼的粒子。隨後開始陽極蝕刻，比如在氫氟酸和乙醇的水溶液中(第18步)。此後，用根據所限定的編碼策略變化的蝕刻條件進行蝕刻(第20步)。發明的一個或多個灰度編碼被蝕刻到矽片上。橫向(圖1中的縱向)編碼但是仍然相聯繫的粒子可以從矽片上去除(第22步)，比如通過高水平的電解拋光電流。空間限定蝕刻部分間的區域可以被切割以使不同編碼矽片部分分離。單個粒子此後可以在例如通過機械攪動或者超聲波破裂進行的切割中分離(第24步)。粒子分離(第24步)優選製造出微米級的粒子，比如大小從幾百納米到幾百微米的粒子。在粒子分離(第24步)或者在第20步或者第22步之後可以進行粒子指定的步驟(第26步)。粒子指定可以包括，比如，為了特定的生物、生物醫學、電子或者環境應用的多孔多層結構121-12N的化學改性。舉例說明，粒子可以通過用於期望分析物的受體或者靶向部分(比如糖或者多肽)進行改性。另外，結合(binding)可通過比如分析物的螢光標識或者分析物自身螢光來表示(signal)。在使用粒子10時，根據與指定目標分析物結合時的光學特徵，可以鑑別出該粒子。這個指定步驟在發明的實施方式中也可以省略。
在發明的其他實施方式中，編碼粒子可以放置在合適的主體中，即任何液體、粉末、細塵或者其他將承載本發明的微米級的編碼粒子的材料。放置在主體中的粒子，例如可以被用於鑑別人造粉末的來源，比如爆炸物。另一種潛在的主體是動物。本發明的生物相容的粒子可以活體植入到動物主體中。本發明的優選實施方式的多孔矽粒子10的反射率譜包括可視、近紅外和紅外線光譜。這顯示出了通過活體組織等障礙感知到本發明的粒子的灰度編碼的可能性。
第一個實施方式示例為遠距離探測。這是用於從遠處鑑別分析物的化學探測技術。本發明的粒子10包括感知特定分析物的受體。粒子的灰度編碼以及與分析物結合的指示可以在反射率譜中被檢測到，例如使用低功率雷射。該受體例如可以對於感知生物分子或者將編碼粒子附著在細胞、孢子或者花粉粒子上是特定的。
本發明另一優選示範應用為通過本發明的編碼粒子10進行生物分子篩選。對於少量層，數以百萬灰度編碼是可能的。已測試了使用螢光標記的蛋白質的簡單的基於抗體的生物檢測。對於範例的化學感應實施方式使用了如前所述的周期性Rugate格式的編碼。通過在蝕刻前掩蔽晶片，可能生成界限清晰的粒子板。
成層的灰度多孔矽編碼結構較目前的編碼方法具有許多優勢。多孔矽編碼結構可以被構建來顯示跨越光譜的可見光、近紅外和紅外區域的特徵。不同於基於成層金屬納米棒、螢光或振動特徵的編碼方法，該發明的編碼粒子可以使用光衍射技術進行探測，因此無需使用成像光學來讀出編碼。編碼粒子可使用常規的螢光標記技術進行檢測，感光(sensitive)化學和生物化學檢測技術也可導入編碼粒子的光學結構，消除對螢光探針和聚焦光學器件的需要。此外，由於優選實施方式的氧化多孔矽編碼粒子對於環境呈現類似氧化矽的表面，它們不容易猝熄來自有機發色團的螢光，並且可以使用為玻璃珠生物鑑定而開發的化學對其進行處理和改性。矽基編碼粒子易於與現有晶片技術結合。
在醫學診斷應用時使用本發明的編碼矽粒子比有機染料或量子點更有優勢。活體研究已顯示出多孔矽的生物相容性和多層結構的反射數據的長期穩定性。此外，可能在近紅外、組織穿透性的波長對粒子進行光學編址，而沒有與低螢光量子產率有關的耗損，使得這些材料可受體內診斷的檢驗。最後，由於多孔編碼是多孔結構的整體有序部分，所以對於編碼的部分不能缺失、混淆或光退色，而這些情況是可能發生於量子點或螢光分子上的。
儘管已顯示和描述了本發明的具體實施方式
，但其他修改、代替和替換對本領域技術人員是顯而易見的。在不偏離由所附權利要求確定的本發明的精神和範圍的情況下可作出這些修改、代替和替換。
本發明的各種特徵在所附權利要求中列明。
權利要求
1.光學編碼粒子(10，10a)，包括材料層；和在材料層中的孔隙率，其構置成產生在反射率光譜中的幹涉圖樣，該幹涉圖樣形成包括可探測的灰度編碼的光學特徵。
2.權利要求1中的粒子，其中粒子的直徑為數百微米或更小。
3.權利要求1中的粒子，其中所述孔隙率根據蝕刻波形形成，並且蝕刻波形的正弦成分和所述幹涉圖樣的傅立葉變換k-空間的峰的光譜位置和高度相對應。
4.權利要求3的粒子，其中所述在反射率光譜中幹涉圖樣延伸超越可見光譜。
5.權利要求3的粒子，其中光譜峰的高度與正弦成分的振幅相對應。
6.權利要求1中的粒子，其中該材料包括半導體。
7.權利要求6中的粒子，其中所述半導體包括矽。
8.權利要求1中的粒子，其中所述第一多孔層和所述n層其他多孔層由絕緣體形成。
9.權利要求1中的粒子，進一步含有用於結合預定的分析物的受體。
10.光學編碼粒子(10，10a)，包括薄膜，其中孔隙率以生成在反射率光譜中可檢測的光學特徵的方式變化，其在轉換成傅立葉k-空間時呈現出灰度編碼。
11.權利要求10中的粒子，進一步含有受體。
12.權利要求11中的粒子，其中所述受體是用於生物分析物的受體。
13.權利要求11中的粒子，其中所述受體是用於化學分析物的受體。
14.權利要求11中的粒子，其中所述受體是用於氣態分析物的受體。
15.權利要求10中的粒子，進一步含有用於分析粒子的螢光標記。
16.權利要求10中的粒子，其中該薄膜包括多孔矽。
17.權利要求10中的粒子，為微米級的。
18.對薄膜進行編碼的方法，包括下列步驟蝕刻半導體或絕緣體基底從而形成含有孔的薄膜；根據圖樣改變蝕刻條件，以改變薄膜中的孔隙率，這將產生響應於照明的在反射率光譜中的光學特徵，該光學特徵包括灰度編碼。
19.權利要求18中的方法，其中所述該變的步驟包括應用通過增加根據ycomp＝[y1+…+yn]/n的至少兩個獨立正弦成分形成的蝕刻波形，其中yn是正弦成分。
20.權利要求18中的方法，其中灰度編碼在自然光學轉換的k空間中呈現出來。
21.權利要求18中的方法，進一步包括從半導體或絕緣體基底分離薄膜的步驟。
22.權利要求18中的方法，進一步包括將薄膜分離成粒子的步驟。
23.權利要求18中的方法，進一步包括將粒子放置到主體內的步驟。
24.權利要求18中的方法，進一步包括以下步驟通過照明一個或多個粒子產生在反射率光譜中的幹涉圖樣；從k空間中峰的位置和高度確定粒子編碼。
25.權利要求18中的方法，其中所述改變蝕刻條件的步驟根據正弦成分方程改變蝕刻條件。
26.權利要求18中的方法，進一步包括空間限定半導體或絕緣體基底的步驟，以在空間限定的位置或多個位置上進行蝕刻步驟。
27.權利要求26中的方法，其中所述改變的步驟進一步在不同空間限定位置中改變蝕刻條件以在薄膜中進行多重編碼。
28.權利要求27中的方法，進一步包括將薄膜從半導體或絕緣體基底上分離的步驟。
29.權利要求28中的方法，進一步包括將薄膜分離成粒子的步驟。
30.一個鑑定附著於權利要求10的編碼粒子的分析物、或鑑定含有權利要求10的編碼粒子的主體(host)的方法，該方法包括以下步驟將編碼粒子與分析物或主體聯合；通過照明該粒子產生在該反射率光譜中的幹涉圖樣；從該幹涉圖樣確定該粒子編碼；根據上述確定步驟鑑定分析物或主體。
31.權利要求30中的方法，進一步包括通過用特殊受體或靶向部分對粒子改性以指定粒子與分析物相結合的步驟。
32.權利要求31中的方法，其中該靶向部分為糖或多肽。
33.權利要求32中的方法，進一步包括通過螢光標識或分析物自身螢光來表示分析物的結合的步驟。
34.一種編碼微米級粒子的方法，該方法包括以下步驟蝕刻晶片從而形成具有改變的孔隙率的薄膜，這將產生響應於照明的可檢測的光學特徵灰度編碼；對晶片施以電解拋光電流來從晶片去除多孔薄膜；將薄膜切成微米級粒子，每個微米級粒子保留有由上述蝕刻步驟產生的光學特徵。
35.權利要求34中的方法，進一步包括以特殊受體或靶向部分對粒子改性的步驟。
36.編碼微米級粒子(10，10a)，具有通過粒子不同區域之間的折射率變化嵌入其物理結構中的灰度編碼。
37.權利要求36中的粒子，進一步含有受體。
38.權利要求37中的粒子，其中所述受體是用於生物分析物的受體。
39.權利要求37中的粒子，其中所述受體是用於化學分析物的受體。
40.權利要求37中的粒子，其中所述受體是用於氣態分析物的受體。
41.權利要求37中的粒子，進一步含有用於分析粒子的螢光標識。
全文摘要
本發明涉及具有通過在粒子不同區域之間的折射率變化而嵌入其物理結構的灰度編碼的粒子(10，10a)。該粒子包括形成在基底(14)上的具有孔隙率的多孔薄膜(12)。
文檔編號G01N21/77GK1918582SQ200480042003
公開日2007年2月21日 申請日期2004年12月21日 優先權日2003年12月22日
發明者麥可·J·賽勒, 肖恩·O·米德 申請人:加利福尼亞大學董事會