利用角、光譜、模態和偏振分集的用於高精度感測的緊湊形式導模共振傳感器的製作方法

2023-08-04 17:32:41 2

專利名稱：利用角、光譜、模態和偏振分集的用於高精度感測的緊湊形式導模共振傳感器的製作方法
技術領域：
本公開提供了以周期性結構工作在共振漏模的光學傳感器，其中，角分集、譜分集、模態(modal)分集和偏振分集被有利地以緊湊系統形式應用於高精度感測。這樣所獲得的、被擬合到數值模型的交叉參照數據集提供增加的精確度和準確度，以在各種各樣的應用中增強感測操作的質量。相關知識的描述用於生物和化學檢測的多種光學傳感器在商業上已經被開發出來，並見諸於研究文獻中。實例器件包括表面等離子體共振傳感器，基於MEMS的懸臂傳感器，共振鏡，布拉格光柵傳感器，波導傳感器，波導幹涉型傳感器，橢圓偏振(ellipsometry)及光柵耦合傳感器。儘管在概念、功能以及性能上有極大差別，表面等離子體共振(SPR)傳感器在這些器件中最接近於本公開的內容主題的導模共振(GMR)傳感器。GMR傳感器和Sra傳感器二者都提供無標籤生物化學檢測能力。術語表面等離子體(SP)指可發生在導體和電介質之間的界面(例如，黃金/玻璃界面)的由電磁場感應出的電荷密度振蕩。一個SP模式可通過平行偏振的TM偏振光(TM 偏振指電場矢量在入射平面中的光)共振激發產生，而不是通過TE偏振光(TE偏振指TE 矢量正交於入射平面的光)產生。相位匹配通過以下方式產生採用金屬化衍射光柵；或如在稜鏡耦合中，通過使用由高折射率材料獲得的全內反射；或由一個導波獲得的漸逝場。當 SPR表面波被激發時，吸收最小值出現在特定的波段中。儘管對於這些傳感器來說，角靈敏度和光譜靈敏度非常高，但解析度受到傳感器響應的信噪比和寬共振譜線寬度(約50nm) 的限制。此外，當傳感器工作動態範圍增加時，傳感器靈敏度通常降低。由於物理上僅單個偏振(TM)可以被用於檢測，因此，折射率和厚度的變化不能在一次測量中同時確定。這在化學傳感器應用中非常重要，其中，結合動力學(binding kinetics)包含傳感器表面的厚度變化，而本底(background)折射率可根據分析物濃度而變化。在這裡提供的本公開能夠改善現有技術的一些局限。Magnusson等人發現了導模共振濾波器，其對共振結構參數的變化是可調的。因此，通過層厚度的變化或周圍介質或器件層中折射率的變化引起的譜變化或角變化能夠用於感測這些變化。Wawro等人發現了新的GMR傳感器實施方式以及當與光纖集成時應用這些GMR傳感器的新的可能。在不同應用場景中還有GMR傳感器的附加方面。內容概述本公開提供了無標籤共振傳感器，其以反射方式工作(也就是，帶阻濾波器)或以透射方式工作(也就是，帶通濾波器)，其中被整形的角譜照射GMR傳感器元件。這些光譜用直接照射線性檢測器陣列、或CCD矩陣或其他檢測器的所接收到的信號同時覆蓋了所關心的入射角範圍。當發生生物分子附著時，或在感測區域內發生所關心的其他變化時，這些相對窄的反射或透射角譜改變了它們在檢測器矩陣上的位置，從而產生對所關心的分子事件的定量測量。此外，當共振來自於不同的TE和TM偏振響應時，通過獲取雙TE/TM共振數據，切換輸入光偏振態可以被用於改善感測操作的質量，或者用於測量附加參數。另外，如果需要，可以調諧輸入光的光譜通過一組離散的波長，從而將被測量的光譜在檢測器上的位置進行空間上的移動，提供額外增加測量精度的可能性。最後，由於多個波導漏模(leaky waveguide mode)的存在，具有多個共振峰值的傳感器操作能夠進一步增加測量精度。這些操作形態(operational modality)(角，光譜，模態以及偏振)可以根據需要以各種組合來使用。傳感器可以布置到需要最小的試劑量的緊湊的高密度平臺中。因此， 正如本公開中所說明的，本方法在用於高精度測量應用的實際傳感器系統中具有多種有利的用途。本公開提供了一種GMR傳感器組件，包括波導結構，其被配置為在一個或更多漏模處或附近工作；接收裝置，其用於從光源將輸入光接收到所述波導結構上，以產生一個或更多洩露TE共振模式和TM共振模式；檢測裝置，其用於檢測TE共振和TM共振中的每一個的相位、波形和/或幅度中的一個或更多的變化，以允許區分所述波導結構或其直接環境的第一物理狀態和第二物理狀態。在本公開所提供的GMR傳感器組件中，GMR傳感器組件還可被配置為工作在帶阻模式。GMR傳感器組件還可被配置為工作在帶通模式。GMR傳感器組件可被配置為工作在輸入光包括發散光的情形中。GMR傳感器組件可被配置為工作在輸入光包括會聚光的情形中。GMR傳感器組件還可包括波束整形元件，所述波束整形元件用於形成具有已知的幅度和相位特性的輸入光的輸入波陣面。產生輸入光的輸入波陣面的照射源可從下述各項組成的組中選擇發光二極體、 雷射二極體、垂直腔面發射雷射器和已過濾的寬帶光源。波導結構可被配置為用實質上非偏振的輸入光進行工作。
GMR傳感器組件還可包括用於在第一已知時間應用第一已知偏振態和在第二已知時間應用第二已知偏振態的裝置。GMR傳感器組件還可包括用於選擇性地將不同波長的輸入光輸入到波導結構的裝置。檢測裝置可被布置成使得待被檢測的TE共振和TM共振是從波導結構反射到檢測裝置上的共振。檢測裝置可被布置成使得待被檢測的TE共振和TM共振是通過穿過波導結構的平面透射到檢測裝置上的共振。檢測裝置可以是光探測器元件的矩陣。GMR傳感器組件可被配置為以多於一個的共振漏模進行工作。GMR傳感器組件還可包括用於衍射輸入光的全息衍射元件。輸入光可以能夠以任意角度入射，並且檢測裝置可以以任意角度接收TE共振和 TM共振。本公開還提供了一種GMR傳感器組件，包括波導結構，其被配置為在輸入光的一個或更多漏模處或附近工作，以及檢測器，其用於TE共振和TM共振，其包括具有至少NXM個傳感器元件的傳感器陣列。在本公開還提供的GMR傳感器組件中，波導結構可被配置為接收輸入光的發散光
束ο檢測器可被布置在穿過波導結構的平面的與輸入光相對的一側，以便接收通過波導結構的平面透射的共振信號。輸入光可具有已知的幅度和相位特性。波導結構可被配置為接收輸入光的會聚光束。檢測器可被布置在穿過波導結構的平面的與輸入光相同的一側，以便接收從波導結構反射的共振信號。每個傳感器元件可被輸入光源照射，所述輸入光源取自發光二極體、雷射二極體和垂直腔面發射雷射器的組。NXM個傳感器元件可被配置為由通過光整形埠輸入的單光源照射。


為了幫助本領域技術人員對本公開的使用與實現的理解，出於清楚和方便的考慮，參考在此附上的多個附圖。圖1表示在生物傳感器表面上的生物分子結合事件的實例。圖2提供了一個實例性的細菌檢測的示意圖。圖3給出了共振光子-晶體波導結構的衍射的解釋，其中清楚定義了零階狀態以及漏模共振激發。圖4提供了電介質共振元件的實驗與理論之間的比較。圖5顯示了關於圖4中的元件共振時漏模的電場分布。圖6顯示了計算出的與圖5中的處在最大值的漏模相關聯的電磁駐波圖的瞬時「快照」。圖7表示利用TE和TM偏振分集的導模共振折射率傳感器，並描述了產生所計算出的響應的結構。圖8顯示了對於圖7中實例的大動態範圍感測的相應的TE偏振共振波長偏移。圖9表示在空氣中的厚度感測。圖10提供了空氣中對於TE偏振(左上)器件表面的測量的GMR傳感器光譜響應， 器件表面用矽烷化學連接器(左下)改性。同樣示出了一個掃描電子顯微照片(SEM)(右上)以及一個器件模型(右下)。圖11描述了亞微米光柵接觸曬印(contact printing)技術以及被接觸曬印在光學膠粘劑介質中的周期為520-nm的光柵的電子顯微圖像。圖12表示對於生物材料的不同的附加厚度(dbio)，所計算出的GMR傳感器的TE 偏振角響應，而圖13表示相應的TM-偏振響應。圖14為提出的帶有雙偏振檢測的共振傳感器系統的示意圖。來自光源，如LED或 LD或VCSEL的發散光束同時以不同角度入射到傳感器上。圖15給出一個示例性GMR傳感器實施方式，帶有發散輸入光束以及採用偏振分集檢測的相關檢測器。圖16是任意大小的NXM微孔陣列的示意圖，其集成了如圖15詳細示出的GMR傳
感器/檢測器單元。圖17解釋了在透射模式下的偏振感測，其中，TE峰值(或最小值)與TM峰值(或最小值)藉助於微孔壁處的反射被導引到檢測器陣列。圖18是將GMR傳感器偏振分集實驗性地用於對生物素結合到塗有矽烷的傳感器表面進行量化的圖解。分子附著事件作為時間的函數被監控。顯示了對於TE和TM偏振的結果。圖19示出了一個示例性元件結構，其達到帶通濾波器的特性，並且因此實現以透射方式工作的GMR傳感器。此元件能夠在絕緣體上矽(SOI)材料系統中實現。圖20提供了對於增加的生物材料的不同厚度計算出的透射型SOI共振傳感器光譜。所述傳感器在空氣中工作，具有如圖19所示的入射波，反射波(R)，以及透射波(T)。在這一示例中，入射波是TM偏振的。傳感器的設計顯示在圖19中。圖21描述了與以直接透射方式進行感測操作相關的傳感器/檢測器結構。圖22給出了對於生物材料增加的不同厚度計算出的與例如圖21所示的GMR傳感器設計相關的TE角響應。圖23顯示的是，對於變化的輸入波長所計算出的圖21中的GMR傳感器結構的TE 角響應，以示出波長分集。在這一計算中，dbio = lOOnm。發散輸入光束自動覆蓋了所關心的角度範圍。圖M給出了對於不同生物層厚度所計算出的圖19中示意性顯示的GMR帶通型傳感器的TM角響應。發散入射光束自動覆蓋了所關心的角度範圍。在本例中，參數與圖19 中相同，並且輸入波長設置為λ = 1.5436 μ m0圖25顯示的是在緊湊的布局中的、以直接的、偏振增強的檢測進行感測操作的相關的傳感器/檢測器架構。在檢測器陣列上的TE和TM共振零值(或峰值)的位置通過虛線箭頭示意性地指示出來。圖沈表示以直接透射穿過微流體的生物或化學感測系統中的流動通道進行感測操作的相關的傳感器/檢測器架構。圖27顯示了一個HTS平臺，其具有單源平面波輸入和用透鏡陣列整形的波陣面，以實現角度可尋址的GMR傳感器陣列，而無需移動部件。圖觀屬於一種HTS平臺，其有單源輸入和用透鏡陣列整形的波陣面，以實現在微流體環境中的角度可尋址GMR傳感器陣列。圖四表示通過印刻法和模塑法在塑料或玻璃介質中製造的GMR傳感器。圖30屬於在絕緣體上矽材料系統中製造的GMR傳感器陣列。圖31提供了對於增加的生物材料的不同厚度(dbio)計算得到的GMR多模傳感器的TE-反射係數角響應。圖32提供了計算得到的相應於圖31的多模傳感器的角透射率光譜。圖33顯示了計算得到的對應於圖31中器件參數的透射率光譜，其中，以法線入射，θ =0，呈現出多模共振特性。在所示波長範圍內，這一多模生物傳感器以漏模ΤΕ0，ΤΕ1 和ΤΕ2工作。本示例性情況中，最高靈敏度由ΤΕ2模提供。圖34表示採用分光器和光纖傳輸的單源系統。圖35表示用於檢測結合到抗體的化學或生物分析物的無標籤導模共振傳感器系統的單通道示意圖。圖36表示一個反射架構，其採用一個光纖陣列用於光傳輸。圖37表示一個反射傳感器系統，其採用一個掃描線源。示例性實施方式的詳述發明人已經提出，通過改變共振波導光柵的折射率和/或厚度，其共振頻率可以被改變，或被調諧。本發明人已經發現，這一思想能夠應用於生物傳感器，因為通過用光譜儀跟蹤相應的共振波長的偏移，附著生物層的累積能夠被實時地監測，而無需使用化學標籤。因此，被分析物與其指定受體之間的結合速率能被確定數量；事實上，整個結合周期的特性，包括結合、離解，以及再生能夠被記錄下來。類似地，在周圍介質或者在任一波導光柵層中的折射率的小變化，能夠被測量。因此能夠實現新的一類高靈敏度的生物和化學傳感器。這一傳感器技術被廣泛地應用到醫療診斷、藥物開發、工業過程控制、基因組學、環境監測，以及國土安全。比較詳細地陳述一個實施例的應用，高性能、無標籤光子晶體GMR傳感器對於藥物開發應用中改善的過程控制是非常有吸引力的。這一方法非常有用，是因為這一傳感器技術能夠提供檢測精確度的提高，以推進藥物開發和篩選的過程。在這一產業中，數百萬截然不同的化學化合物需要被快速準確地篩選，以確定哪些化合物結合到特定蛋白質或抑制目標反應。高通量篩選(HTQ的目的是在進一步開發成本產生之前排除沒有前景的化合物。目前的HTS技術通常使用螢光化學標籤或放射性化學標籤作為生物活性的指示劑。由於指示劑-化合物結合的複雜性，有時必須採用新的指示劑技術或反應化學仔細設計全新的化驗。對於新穎的傳感器技術有越來越多的要求，其無需標籤，以及允許以最少的化驗開發(使用容易獲取的抗體-抗原、核酸以及其它高選擇性生物材料)來對多種材料實時地進行選擇性地篩選。降低來自篩選變量(如溫度、和本底(background)流體變化)誤差的能力，以及用簡單的陣列架構實時地監測結合動力學的能力是其他所期望的特性。高精度 GMR傳感器方法，如本文在這裡所公開的這些，能夠滿足對於高通量篩選應用的這些需求。傳感器包括周期性電介質波導(也被稱為光子晶體)，其中，共振漏模(leaky mode)是被入射光波激發的。入射寬帶光在一個窄光譜波段內被有效地反射，該窄光譜波段的中心波長對於在傳感器元件表面發生的化學反應非常敏感。目標分析物與傳感器表面的生化層的相互作用產生可測量的光譜移動，其直接識別結合事件，而不用附加的處理或外來標籤。生物選擇層(如抗體)能夠被結合到傳感器表面以便在操作中給予特異性， 如圖1所示。具有對從納米級(< 0. 1埃)到幾微米大的厚度變化的靈敏度的傳感器設計已經被做了分析。因此，同樣的傳感器技術可以用於檢測小分子藥物(< Inm)和蛋白質 ( 1 μ m)的結合事件，如圖2所示。高解析度(通過窄的、輪廓分明的共振峰獲得)和高靈敏度(與表面局部漏模相關)對於準確地檢測一個事件提供了高可能性。此外，兩種主偏振態具有獨立的共振峰以準確地感測生物材料結合事件。這一特性使在發生在傳感器表面的平均厚度變化和平均密度變化之間進行區分的能力成為可能。因此，對目標化學結合事件(其包括分子構象變化)的傳感器共振響應是能夠與非結合材料停留於傳感器表面的傳感器共振響應區分開的，從而降低了錯誤的實際讀數 (false positive reading)白勺出王見。GMR傳感器技術非常通用。與一個獨立傳感器、或一個陣列中的傳感器元件相關的生物分子反應，可利用光的多種特性包括角譜，波長譜和偏振而被同時測量出來。此外，GMR 元件本身可以被設計成，在單種漏模(稱為TCtl基模)產生的單峰中，或在多種漏模(如TE。， TE1*!^模)產生的多峰中，呈現不同偏振共振。通過正確的傳感器設計，在所關心的角譜和波長譜區域內，將可激發這樣的多種模式。共振模的電磁場結構能夠被構建成，使傳感器工作在感測區域內的漸逝尾，或者，可選擇地，使之作為體模式傳感器(bulk mode sensor) 工作，在後者中，漏模完全包含了感測區域。事實上，可選擇一個特定的工作漏模以最大化光-被測物(measurand)的相互作用，以提高檢測靈敏度。例如，在特定設計中，在TC2模中的操作可以產生優於TCtl模的結果。相比於那些通過其他手段收集的關於分子事件信息而言，這裡所總結的檢測方案增大了所收集到的關於分子事件的信息的數量和可靠性。這一傳感器設想能夠根據材料、工作波長和設計結構被廣泛的應用。它是多功能的，因為只有敏化表層(sensitizing surface layer)需要被化學地改變，以檢測不同物種。工作在空氣中和液體環境中都是可能的。由於材料選擇的靈活性，環境友好的電介質可以被選擇用於傳感器元件的製造。可應用材料包括聚合體，半導體，玻璃，金屬和電介質。導模共振效應圖3顯示了一個薄膜波導光柵(光子晶體平板)和一個入射平面波的相互作用。隨著周期Λ降低，高階傳輸波越來越多地被截止，直到獲得圖3(b)中的零階狀態 (zero-order regime)。如果所述結構包含一個合適的波導，此刻漸逝或截止的一階波能夠通過耦合到漏模引起共振。實際上，零階狀態通常是優選的，因為在傳輸如圖3(a)所示的高階衍射波中沒有能量浪費。這種包含波導層和周期元件(光子晶體)的薄膜結構在正確的條件下呈現導模共振(GMR)效應。當入射波通過周期元件與如圖3(c)顯示的波導漏模相位匹配時，在其沿著波導傳輸且與直接反射的波相長地幹涉時，它被以反射係數R在鏡面反射方向上再輻射，如圖3(c)所示。反之，對等地，在圖3(c)中的前向、直接透射波(透射率T)方向中的再輻射漏模的相位，與直接無導向T波是π弧度異相，因此消除了透射光。實驗的帶阻濾波器示例圖4表示電介質導模共振器件的測量的和計算出的光譜反射率。這種器件作為一個帶阻濾波器，其中，所關心的光譜被以窄帶反射，且具有相對小的邊帶。儘管理論計算預測，一個平面入射波的峰值效率為100%，但實際中，由於不同因素使得峰值效率減小， 所述因素如材料和散射損耗，入射光束髮散，以及橫向器件尺寸；這裡的實驗的峰值效率在90%。這種共振元件通過在一個熔融石英襯底(直徑1英寸)上沉積一個HfO2層(約 210nm)和一個SiO2層(約135nm)製造。SiO2光柵通過一系列處理獲得，包括在勞埃德鏡幹涉(Lloyd mirror interference)設置中以Ar+UV雷射(λ = 364nm)對光刻膠掩模光柵(周期Λ = 446nm)進行全息記錄，在光刻膠光柵上生長、沉積約IOnm Cr掩模層，剝離光刻膠光柵，以及隨後用CF4對S^2層進行反應式離子蝕刻。SEM中明顯的表面粗糙度對峰值效率的降低做出了貢獻。漏樽場結構除了傳播的電磁波的反射/透射特性外，共振周期點陣(lattice)的近場特性，包括局域化和場強增強，都是傳感器應用中所關心的。與圖4所示的製造的示例結構相關的計算出的近場圖在圖5中表示。用嚴格耦合波分析(RCWA)獲取數值結果，以提供與近場有關的相對場強和空間範圍(spatial extent)的量化信息。如圖5所示，零階&波( 表示零階的電場)以接近於單位1的反射波幅傳播，通過與單位幅度輸入波的幹涉，產生所示的駐波圖。因此，在共振時，大部分能量被反射回來。同時，S1和、表示的一階漸逝衍射波在本例中組成對向傳播的漏模。在這一特定的傳感器中，最大場值位於均質層，且漸逝尾逐漸透入到襯底和面層，如圖5中清楚表示的。圖6表示在某一時刻由對向傳播的S—和S+1波形成的駐波圖。由於Sil空間諧波相應於局域波，在共振時，它們能夠非常強。根據光柵調製的水平(IevelMA ε = 1 2- 2)，場幅度在層中可以為入射波幅度的約10-1000倍，這表示區域強度I S2的大的增加。S1W最大幅度約與調製強度成反比例。一般地，小頻偏調製(small modulation)意味著窄譜線寬度Δ λ和大的共振器Q因子Q = λ/Δλ。示例性傳感器響應和靈敏度關於設計用於液體環境中的單層傳感器的計算出的光譜響應在圖7中給出。這一傳感器可以用Si3N4製造且通過等離子蝕刻圖案化，從而產生衍射層。一維共振導波光柵結構對於TE(電矢量與平面正交)和TM偏振的入射波有不同的反射係數峰值。計算表明，假設光譜儀解析度為0. Olnm，則本設計能夠分辨3χ10_5折射率單位(RIU)的平均折射率變化。 對於與光柵結構( = Ik = 1. 3至1. 8)相接觸的介質的寬折射率變化，接近線性的波長偏移能夠得以保持(圖8)，使這成為具有大的動態範圍的通用傳感器。生物傳感器的靈敏度被定義為對於特定量的被檢測的材料測量到的響應(如峰值波長偏移)。這表示對被檢測分析物的最大可獲得的靈敏度。傳感器解析度包括實際的組件的限制，如光譜設備的解析度，功率表準確度，生物選擇試劑反應，和峰值形狀或譜線寬度。譜線寬度是反射峰值響應的半高全寬(FWHM)。它影響光譜傳感器的準確度，因為窄的譜線通常可以改善對波長偏移的解析度；共振波導光柵傳感器通常具有約Inm量級的窄譜線寬度，這可通過設計來控制。 儘管共振傳感器能夠監測微小的折射率變化，但是它們也可以用於檢測傳感器表面的厚度變化，對於實際的材料和波長，如圖9中的計算結果表示。示例件傳感器結果如圖10所示，GMR傳感技術用於生物感測應用已經被用於分析空氣中蛋白質結合的研究，其中，利用一個以法線入射照射的2-層共振元件。在本例中，乾淨的光柵表面首先通過用甲醇中的氨丙基三甲氧基矽烷(Sigma)的3%溶液處理，而被用氨基進行化學改性 (圖10左上)。此器件然後用牛血清蛋白(BSA，100mg/ml，Sigma)溶液衝洗，並且，所沉積的38nm厚的BSA層產生6. 4nm的反射的共振峰光譜偏移(圖10左下)。注意到最小的信號衰減是由傳感器表面上的生物材料層產生的，且在BSA附著前後反射率保持在約90%。通過接觸曬印製造共振傳感元件除了至此描述的方法外，對於以期望的亞微米光柵圖案印刻光學聚合物來說，經濟的接觸曬印方法是具有吸引力的。矽樹脂光柵壓印(silicone grating stamp)能夠用於將光柵印刻到可UV固化的光學膠粘劑的薄層(圖11 (a))。通過噴塗一薄層Si3N4或其他合適的介質，波導層被沉積到光柵頂面上。可選擇地，光柵被塗上高指數旋塗(high index spin-on)TiO2聚合物薄膜，以產生高質量共振傳感元件。接觸曬印的光柵的示例如圖11(b) 所示。雙樽TE/TM偏振GMR傳感器對附著到傳感器的生物層上的TE和TM共振偏移進行同時檢測能夠極大改善感測操作的質量。這允許準確確定全部生物層性能；也就是折射率和厚度。圖12和13顯示的是表示對於兩種偏振的角度的共振偏移的計算結果。事實上，可用適當的元件設計實現適中的角TE/TM共振分離，這使得在使用由發光二極體(LED，可能被濾波以實現光譜收縮)， 或垂直腔面發射雷射器(VCSEL)，或λ = 850nm的雷射二極體(LD)所提供的自動覆蓋所關心的角的範圍的發散照射時，能夠對線性檢測器陣列上的兩個信號進行同時檢測，如圖14 所示。在本例中，測定光束(interrogating light beam)進入通過覆蓋介質，如熔融石英或塑料薄片(折射率η。)。所關心的光分布表現為檢測器上的反射峰。本例說明了高折射率聚合體材料作為均質層和周期層的使用。這可以例如通過以下方式製造使用矽樹脂模具來將光柵形成在旋塗到支撐晶片上的、商用的富Ti02的、可用熱的方法固化或UV固化的聚合物介質中。可選擇地，高折射率波導層能夠被沉積到支撐晶片上，並且將周期層模製到其頂部。圖15說明了本發明的一種實施方式在生物分子感測環境中的應用。儘管非偏振光將在檢測器陣列或矩陣上提供TE和TM共振峰，但信噪比(S/N)能夠通過以下方式改善 如圖15所示，在偏振態之間切換，並在時間上與偏振切換同步地掃描檢測器，以獲得獨立的TE和TM信號。此外，為了進一步提高信噪比，光源可以安裝有光束整形元件，從而以最佳方式塑造傳感器上的光分布。事實上，在一些應用中，可能希望使用會聚的而不是發散的波陣面。這樣的波束整形可以例如通過合適的全息或衍射光元件來完成。這允許任意幅度和相位分布的波陣面能夠被產生。圖16表示將圖15中的器件用於多孔系統。在製藥行業，微孔板被用於對藥物化合物進行有效地篩選，而本系統應用可在其中發現有利的使用方式。圖17表示一個附加的架構，其中，檢測器矩陣現在被安裝到孔頂部，並且與TE和TM 共振相關的透射零值(或峰值)被測量。當生物層添加到傳感器時，檢測器上零值位置發生偏移，從而允許對結合事件的量化。在這一示例中，入射波以一個角度入射，並且信號恢復藉助於離開微孔壁的反射。初步試驗已經證實了該技術的偏振分集特性，其為每個偏振(TE和TM)提供獨立的共振峰偏移，從而提供了一種方法以獲得如上文所述的高檢測準確性。圖18顯示了關於 GMR生物傳感器應用的示例結果。帶通GMR傳感器透射共振傳感器元件，或帶通共振傳感器元件能夠用多種介質製造，包括絕緣體上矽(SOI)、藍寶石上矽(SOS)，和直接可印刻的可熱固化或可UV固化的聚合物。周期層的形成能夠用傳統方法實現，包括用預製母版的電子束寫(e-beam writing)和蝕刻、全息幹涉法和納米壓印光刻技術。為了闡明這一實施方式，圖19顯示了以示例性SOI結構設計的透射傳感器。圖20表示傳感器對厚度為dbi。的生物分子層增加到傳感器表面的響應。透射峰值以靈敏的方式改變其光譜位置。該圖應該例如與圖12-14中的工作在反射狀態的傳感器進行對照。當生物材料附著到傳感器表面時，共振波長偏移的速率基本上是材料每增加 1納米，光譜偏移約1.6nm。注意在本例中獲得這一性能的獨特的外形(profile)設計。猜GMR會充為了容易製造並降低成本，我們現在披露上面提出的平坦系統形式的本發明實施方式的實現。傳感器以透射方式工作。因此，光進入傳感器，其與介質接觸，介質與傳感器的相互作用是所關心的。光穿過介質傳輸到達檢測器，在檢測器上對透射強度最小值(帶阻濾波器)或強度最大值(帶通濾波器)進行測量。這些光分布位置的空間偏移允許對生物分子結合反應的主要特性的量化。圖21針對用發散光束進行測定(interrogate)的單個傳感器說明這一概念，其中發散光束來自雷射二極體(LD)，發光二極體(LED)，或垂直腔面發射雷射器(VCSEL)。偏振化、波束整形或譜線窄化功能可以根據需要被集成到光源。檢測器位於感測體的相反側，如圖所示。圖22顯示的是，對於工作在帶阻模式的GMR傳感器，所計算出的檢測器矩陣上的強度分布(信號)，因此產生在反射中的峰值以及伴隨的在透射中的最小值。在本例中，輸入波長為850nm。兩個最小值出現在相對於傳感器法線對稱的角位置，這是因為以法線入射的共振波長不同於非法線入射的共振波長。這兩個同時存在的最小值能夠用於增強感測操作的準確度，這是因為獲取了兩個角偏移。在圖22的本例中，對於增加的生物層厚度dbi。= 0，最小值出現在θ 6°，而對於dbi。= IOOnm角共振在θ 5°。圖23表示波長分集； 也就是，通過調諧輸入波長到離散的一組波長，能夠收集附加的數據點，以改善數據分析以及擬合到數值模型的準確性。由于波長變化，因此傳感器的共振角和光分布也在變化。此外，波長控制最小值在檢測器上的位置，這在為傳感器陣列中每個GMR傳感器像素指定專用的檢測器面積用量中提供了靈活性。如結合圖20所解釋的，我們已經設計了很多工作在透射峰，也就是作為帶通濾波器的共振濾波器。在本例中對於如圖21的設計，將會在檢測器陣列上出現強度最大值(而不是最小值)。這樣的透射元件能夠非常有效地以高折射率介質如矽進行設計。圖對表示用帶通濾波器進行的角分集的生物感測。通過設置波長使得器件對於不受幹擾的表面維持透射峰值，就獲得了超高靈敏度的布置。當生物層累積引起的去諧(detuning)在法線入射時將傳感器從帶通狀態轉變為帶阻狀態時，透射角譜發生最快的變化，如圖M所示。因此， 亞納米生物膜的增加將會通過在檢測器上在輸出側的簡單的強度變化而可被直接測量。由
1檢測器矩陣所接收到的前向透射光分布的形狀是生物層厚度的靈敏的函數，如圖M清楚地所示。而另一個偏振分集實施方式如圖25中示意性所示，其中四個同時存在的最小值 (或峰值)被監測，用於高精度生物感測。圖26提供了可用於在微流體系統中進行感測的實施方式。由於面臨生物和藥物對象數量的增長，日益需要發明新的方法來用大規模並行方式描繪化學活性。同時，需要通過為化驗分配最小量的試劑來降低HTS費用。因此，在業界有向奈升(nanoliter)級液體分配發展的趨勢。這裡提出的GMR傳感器技術能夠用於滿足這些需求。上文提出並解釋的平坦透射形式能夠使多通道傳感器系統的開發成為可能。現有的和正在開發的像素低至5-10 μ m級的CXD和CMOS檢測器矩陣技術使得對強度分布及其變化的精密測量成為可能。納米壓刻技術和精密薄膜方法使所需要的GMR傳感器陣列的製造成為可能。模塑法可以應用於這些陣列中較大部件的規格製作(formatting)與拼裝 (imposition)。圖27顯示了根據本公開內容中所描述的本發明的實施方式能夠進行並行生物感測的系統。安裝到微孔板的GMR傳感器由角譜來尋址，角譜是通過用適當設計的衍射或折射微型透鏡陣列將入射平面波轉化為球面或柱面波而產生的，如圖所示。安裝在上方的檢測器陣列接收信號以實現精確的生物感測。圖觀顯示了類似的操作，其中傳感器受微流體組件中的流動通道內的定向流的激勵；圖觀省略了與實際微流體設備相關的複雜的通道結構和細節。實際的成本有效的GMR陣列能夠用玻璃或塑料介質製造。舉一個例子，在塑料襯底上的具有給定焦距和直徑的衍射或折射透鏡陣列能夠從幾個廠商以便宜的價格買到。在襯底的與透鏡陣列相對的空白側，應用高折射率旋塗的TiO2聚合物薄膜。接著，如圖11所述，用一個特殊設計的、具有適當的周期的矽樹脂印(silicone stamp)印刻出光柵圖案，從而產生GMR傳感器。接著，可通過模塑法來安裝分離不同溶液以及避免交叉汙染的溢液隔牆(spill wall)。可選擇地，高折射率薄膜首先沉積在襯底上，隨後，光柵圖案被應用到頂部。產生的GMR陣列顯示在圖四中。圖30顯示了一個概念性的GMR陣列，其用SOI製造， 以利用現有的基於矽的微加工方法。多模GMR傳感器另一種改進檢測可靠性的方法是增加操作的共振漏模的數量並且因此應用更豐富光譜用於進行感測和精密曲線擬合。這樣，可以產生和監測因多個波導模式的存在而出現的多個共振峰。這些多個模式提供不同光譜特徵，這些光譜特徵可被用在精密感測中。圖 31顯示了雙層GMR傳感器的TE偏振響應，其參數用圖中文字說明，且假設沒有側壁附著。 採用固定的輸入波長，反射譜表現出源於不同漏模的幾個共振峰值。如圖31所示，當添加了生物層時，光譜以角譜中可測量的變化進行響應。這一光譜將會例如用圖16所示的架構在反射中被監測。圖32給出例如在圖27的系統中被監測的相應的透射譜。圖33表示對於這一傳感器在法線入射下的波長譜，表示出在所示的光譜波段內的三個漏模。由於在這一傳感器中電磁場的特定分布，在 2模的操作給出最高靈敏度，也就是，每增加單位厚度， 產生最大角偏移和光譜偏移，如圖31-33所示。現在參考圖34、35和36，首先參考其中的圖34，描述了在GMR傳感器平臺中採用光纖耦合的光傳輸的傳感器/檢測器架構。圖34顯示的是採用了分光器和光纖傳輸的單源系統。單個光源被(用分光器)分為「M」個通道並通過光纖入射到傳感器陣列。從每個光纖出來的光通過集成的或外部透鏡/DOE整形，然後，在自由空間中入射到傳感器元件上。可選擇地，離開光纖的發散光可直接入射到傳感器元件上，而不使用波束整形元件。作為系統設計的一部分，可以基於光纖的數值孔徑或其他特性來選擇光纖。偏振元件或偏振保持光纖能夠被用在系統中，以控制入射到傳感器元件上的一個偏振態(多個偏振態)。入射波長可以是可調的，因此允許在單個系統中的角和光譜調諧。系統能夠被構建為透射系統，其中，用位於與傳感器陣列的入射光的相對側上的檢測器矩陣檢測通過該陣列透射的光，如描述的。系統同樣能夠被構建為反射系統，其中光以一個角度入射到陣列，且用布置在與陣列的入射光同一側上的檢測器矩陣檢測從陣列反射的光束。圖35描述用於檢測結合到抗體的化學或生物分析物的無標籤導模共振傳感器系統的單通道示意圖。抗體用「Y」表示，並且分析物用「Y」的杯形部分中的球表示。抗體應該基於被檢測的一種分析物或多種分析物來選擇。在一些實施方式中，使用牛、駱駝或羊駝血清抗體，而本發明不限於這些抗體。在操作時，從光纖耦合雷射二極體出來的發散光束以一個連續角度範圍入射到傳感器。當結合事件在傳感器表面發生(通過分析物與抗體結合)時，作為入射角的函數，共振峰的變化能夠被跟蹤。對於入射光的TE和TM偏振態，共振發生在不同的角度，這使高準確性、交叉參照檢測成為可能。圖36表示一個多通道陣列。它具有反射架構，其採用光纖陣列用於光傳輸。光纖陣列也可以跨過傳感器陣列被掃描(對於無論是反射還是透射)。例如，為了篩選一個MXN傳感器陣列，可以跨過N排傳感器元件的底部掃描一個 M-光纖陣列。掃描能夠通過以下方式進行(a)跨過傳感器板移動光纖陣列+檢測器矩陣， 或(b)跨過光纖陣列+檢測器矩陣移動傳感器板。圖37描述了採用掃描線源的傳感器/檢測器架構。雖然圖37描述的是反射傳感器，但是，它也可以通過將檢測器元件放置到陣列板的與入射光的相對的那一側而被構建為透射傳感器。光源可以是單波長(或波長可選擇的)源，其用一個線調焦元件(例如柱面透鏡) 來整形。線調焦光同時照射在MXN傳感器陣列中的M-傳感器元件。反射響應在檢測器矩陣的M行上(如一行CCD檢測器元件)測量。跨過傳感器板的底部能夠掃描光線源(light line source)和檢測器元件組件，以有效地讀取MXN傳感器陣列。注意線調焦元件還可以作為波束整形元件(例如，能夠是發散、會聚或任何設計的波陣面)。下面附加的實施方式也是可以預期的一種GMR傳感器組件，其包括波導結構以及用於TE和TM共振的檢測器，所述波導結構被構建成在入射光的一個或多個漏模處或附近工作，所述檢測器包括具有至少NXM 個傳感器元件的傳感器陣列。上面定義的GMR傳感器組件，進一步包括折射透鏡以整形照射光。上面定義的GMR傳感器組件，進一步包括折射透鏡的陣列，以整形照射光。上面定義的GMR傳感器組件，進一步包括衍射透鏡，以整形照射光。
上面定義的GMR傳感器組件，進一步包括用於確定輸入光的波陣面的偏振態和波形特性的裝置。上面定義的GMR傳感器組件，進一步包括用於提供具有至少兩個不同波長的輸入光的裝置。上面定義的GMR傳感器組件，進一步包括，用於提供具有至少第一偏振特性和第二偏振特性的輸入光的裝置。上面定義的GMR傳感器組件，進一步包括，用於檢測至少兩個共振模式的裝置。上面定義的GMR傳感器組件，進一步包括，與所述波導結構相鄰的集成的微流體流動通道。上面定義的GMR傳感器組件，進一步包括，集成到透明介質中的襯底、光調節元件禾口微管瓶(microvial)。上面定義的GMR傳感器組件，其中，所述陣列被布置到集成的介質上，其選自半導體、半導體/電介質混合物、半導體/電介質/金屬混合物以及電介質的組。上面定義的GMR傳感器組件，其中，所述陣列傳感器元件與照射源物理上相分離。上面定義的GMR傳感器組件，其中，所述陣列傳感器元件與照射輸入光源集成在一起。上面定義的GMR傳感器組件，進一步包括，讀出檢測器，其具有緊湊的生物晶片或微臺面(microbench)形式。一種導模共振傳感器，其中，照射源是耦合的光纖或波導。一種導模共振傳感器，其中，波導或光纖按設計被選擇為具有特定數值孔徑、偏振保持特性或材料規格。一種導模共振傳感器，其中，照射源用線調焦元件聚焦到一條線。一種導模共振傳感器，其中，所述照射源用線調焦元件聚焦到一條線，線調焦元件包含柱面透鏡。一種導模共振傳感器，其中，跨過所述傳感器陣列掃描所述照射源和檢測器元件。一種導模共振傳感器，其中，單光源用分光器分為幾個通道。一種導模共振傳感器，其具有光纖/波導陣列，其被用於將光傳輸到傳感器元件陣列。從上述描述進一步理解，不同修改和變化可以用於本發明的優選實施方式，而不背離其真正的精神。這一描述目的僅僅是為了說明且不應該作為限制解釋。本發明的範圍應當僅僅受下列權利要求的語言所限制。
權利要求
1.一種GMR傳感器組件，包括波導結構，其被配置為在一個或更多漏模處或附近工作；接收裝置，其用於從光源將輸入光接收到所述波導結構上，以產生一個或更多共振漏模；檢測裝置，其用於檢測取自所述漏模、角譜、波長譜、偏振和幅度的組中的所述共振漏模中的至少兩個特性，以允許在所述至少兩個特性的檢測時間內存在的、所述波導結構或其直接環境的第一物理狀態和第二物理狀態之間進行區分。
2.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述GMR傳感器組件還被配置為工作在帶阻模式。
3.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述GMR傳感器組件還被配置為工作在帶通模式。
4.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述GMR傳感器組件被配置為工作在所述輸入光包括發散光的情形中。
5.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述GMR傳感器組件被配置為工作在所述輸入光包括匯聚光的情形中。
6.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，還包括波束整形元件，所述波束整形元件用於形成具有已知的幅度和相位特性的輸入光的輸入波陣面。
7.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，產生所述輸入光的輸入波陣面的照射源從下述各項組成的組中選擇發光二極體、雷射二極體、垂直腔面發射雷射器和已過濾的寬帶光源。
8.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述波導結構被配置為用實質上非偏振的輸入光進行工作。
9.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，還包括用於在第一已知時間應用第一已知偏振態和在第二已知時間應用第二已知偏振態的裝置。
10.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，還包括用於選擇性地將不同波長的輸入光輸入到所述波導結構的裝置。
11.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述檢測裝置包括用於檢測TE共振和 TM共振的裝置，所述裝置被布置成使得被檢測的所述TE共振和所述TM共振是從所述波導結構反射到所述檢測裝置上的共振。
12.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述檢測裝置包括用於檢測TE共振和 TM共振的裝置，所述裝置被布置成使得被檢測的所述TE共振和所述TM共振是通過穿過所述波導結構的平面透射到所述檢測裝置上的共振。
13.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述檢測裝置是光探測器元件的矩陣。
14.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述GMR傳感器組件被配置為以多於一個的共振漏模進行工作。
15.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，還包括用於衍射所述輸入光的全息衍射元件。
16.如權利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述輸入光能夠以任意角度入射，並且所述檢測裝置以任意角度接收所述TE共振和所述TM共振。
17.一種GMR傳感器組件，包括波導結構，其被配置為在輸入光的一個或更多漏模處或附近工作；以及一個或多個檢測器，其用於檢測取自所述漏模、角譜、波長譜、偏振和幅度的組中的所述共振漏模中的至少兩個特性，以允許在所述至少兩個特性的檢測時間內存在的、所述波導結構或其直接環境的第一物理狀態和第二物理狀態之間進行區分。
18.如權利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，所述波導結構被配置為接收輸入光的發散光束。
19.如權利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，所述檢測器被布置在穿過所述波導結構的平面的與所述輸入光相對的一側，以便接收通過所述波導結構的所述平面透射的共振信號。
20.如權利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，所述輸入光具有已知的幅度和相位特性。
21.如權利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，所述波導結構被配置為接收輸入光的匯聚光束。
22.如權利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，所述檢測器被布置在穿過所述波導結構的平面的與所述輸入光相同的一側，以便接收從所述波導結構反射的共振信號。
23.如權利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，每個傳感器元件被輸入光源照射，所述輸入光源取自發光二極體、雷射二極體和垂直腔面發射雷射器的組。
24.如權利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，還包括NXM個傳感器元件，所述NXM 個傳感器元件被配置為由通過光整形埠輸入的單光源照射。
25.一種GMR傳感器組件，包括波導結構，其被配置為在輸入光的一個或更多漏模處或附近工作；以及 TE共振和TM共振的檢測器，其具有傳感器陣列，該傳感器陣列具有至少NXM個傳感器元件；其中，所述檢測器被布置在穿過所述波導結構的平面的與所述輸入光相同的一側，以便接收從所述波導結構反射的共振信號。
26.如權利要求25所述的GMR傳感器組件，其中，所述波導結構被配置為接收輸入光的發散光束。
27.如權利要求25所述的GMR傳感器組件，其中，所述輸入光具有已知的幅度和相位特性。
28.如權利要求25所述的GMR傳感器組件，其中，所述波導結構被配置為接收輸入光的匯聚光束。
29.如權利要求25所述的GMR傳感器組件，其中，每個傳感器元件被輸入光源照射，所述輸入光源取自發光二極體、雷射二極體和垂直腔面發射雷射器的組。
30.如權利要求25所述的GMR傳感器組件，其中，所述NXM個傳感器元件被配置為由通過光整形埠輸入的單光源照射。
全文摘要
本發明提供了一種導模共振(GMR)傳感器組件和系統。所述GMR傳感器包含一個波導結構，其被配置為在一個或更多漏模處或附近工作；一個接收器，其用於將來自光源的輸入光接收到波導結構上，以產生一個或更多洩露TE和TM共振模式；以及一個檢測器，其用於檢測每個TE共振和TM共振中的相位、波形和/或的幅值中的一個或更多的變化，以允許區分所述波導結構或其直接環境中的第一物理狀態和第二物理狀態。
文檔編號G01N21/25GK102288552SQ20111012219
公開日2011年12月21日 申請日期2007年9月7日 優先權日2006年9月8日
發明者羅伯特·馬格努松, 黛布拉·D·沃夫羅 申請人:羅伯特·馬格努松, 黛布拉·D·沃夫羅