感測模塊及感測方法與流程

2023-10-23 19:45:07 3

本發明主張2015年7月27日申請的美國臨時專利申請案第62/197,532號的優先權，所述專利申請的全部揭示內容均併入本案供參考。

技術領域

本發明涉及一種感測模塊及感測方法，尤其涉及一種使用光學共振結構及適於感測單分子的感測模塊及感測方法。

背景技術：

在包含DNA定序和DNA微陣列的廣泛應用中，螢光是可用於確定分析物的存在及濃度最靈敏的檢測和成像的工具之一。檢測弱信號的能力對於所需測定的分析物在低濃度下的檢測來說是必要的。為了應對此一挑戰，研究人員已經開發了許多方法以提高螢光發射和除去不需要的發射，從而改善檢測靈敏度和信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。

各種使用螢光檢測技術的光電感測器(optical electric sensor，OES)已被研究用於加強螢光信號和降噪的目的。為了濾除噪音的目的，位於感測器和分析物之間的過濾器需要建構成具有足夠的厚度，以提供適當的過濾器功能。然而，當感測器和分析物之間的距離因過濾器而增加時，經由感測器測得的螢光量也會減少，因而OES的檢測靈敏度也會跟著降低。相對地，如果減小過濾器的厚度以提高靈敏度，則OES的信噪比也將減小。

技術實現要素：

本發明涉及一種具有光學共振層的光電感測模塊。

本發明也提供一種具有高靈敏度、高信噪比，以及預防光漂白(photo-bleaching.)的感測模塊的感測方法。

在本發明中，提供一種感測模塊，包括樣本裝載層、感測層以及光學共振層。光學共振層位於樣本裝載層及感測層之間。樣本裝載層包括至少一樣本裝載槽。樣本裝載槽暴露出部分的光學共振層，且樣本裝載槽是用以裝載樣本。光學共振層的表面具有多個光學共振結構，且光學共振結構位於樣本裝載槽的底部旁邊或樣本裝載槽的底部。感測層被配置用以接收光並將光轉換為電信號。

在本發明中，提供一種感測方法，包括提供如前述的感測模塊、將樣本載入感測模塊的樣本裝載區域以及以激發光照射光學共振結構，其中激發光為脈衝雷射。

在本發明中，提供一種感測方法，包括提供如前述的感測模塊、將樣本載入感測模塊的樣本裝載區域以及以多個激發光照射光學共振結構。除了使用特定波長的入射光(該特定波長的入射光能夠誘導在樣本中的目標成份的螢光)，所述感測方法使用入射光來照射光學共振結構，且在光學共振結構上的共振光會激發樣本。

在本發明的一實施例中，樣本裝載槽包括至少一樣本裝載井。

在本發明的一實施例中，樣本裝載槽包括至少一樣本裝載通道，且樣本在樣本裝載通道中形成一流體。

在本發明的一實施例中，感測模塊還包括至少一阻擋層，其設置於樣本裝載通道的上方。

在本發明的一實施例中，感測層包括至少一感測單元，且感測單元設置於樣本裝載槽的下方。

在本發明的一實施例中，感測單元為多接面光二極體的半導體裝置(semiconductor device of multi-junction photodiode)。

在本發明的一實施例中，光學共振結構為一維周期性光柵結構(1-dimensional periodic grating structures)或二維周期性光柵結構(2-dimensional periodic grating structures)。

在本發明的一實施例中，感測模塊還包括至少一光源，光源發射激發光並照射樣本裝載槽及光學共振結構。

在本發明的一實施例中，激發光的波長範圍為480nm至540nm。

在本發明的一實施例中，光源為雷射且激發光以共振角度(resonance angle)觸發光學共振結構。

在本發明的一實施例中，感測模塊滿足下列式子：

λ/nwg≤Λ≤λ，

其中λ為激發光在光學共振層中的波長，nwg為光學共振層的折射率，以及Λ為光學共振結構的周期。

在本發明的一實施例中，激發光激發在光學共振結構的波導模態共振(waveguide-mode resonance)。

在本發明的一實施例中，感測模塊滿足下列式子：

d≤0.7h，

其中d為各個光學共振結構的深度(或高度)，以及h為光學共振層的總厚度。

在本發明的一實施例中，感測模塊還包括基板，其設置於感測層及光學共振層之間。感測模塊滿足下列式子：

nwg＞nsubstrate≥ntop，

nwg為光學共振層的折射率，且nsubstrate為基板或相鄰層的折射率，且ntop為樣本裝載層的折射率。

在本發明的一實施例中，具有光學共振結構的表面面向樣本裝載層。

在本發明的一實施例中，鄰近光學共振結構的樣本的發射波長比激發光的波長短。

在本發明的一實施例中，激發光的波長範圍為800nm至1100nm。

藉由將光學共振層設置於樣本裝載層及感測層之間，以形成本發明的感測模塊。感測模塊具有高靈敏度，以及高信噪比的特性。此外，使用前述感測模塊的感測方法可以分析樣本，並預防樣本的光漂白(photo-bleach)，因而提供了高靈敏度和高信噪比的感測功能。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合附圖作詳細說明如下。

附圖說明

包含附圖以便進一步理解本發明，且附圖併入本說明書中並構成本說明書的一部分。附圖說明本發明的實施例，並與描述一起用於解釋本發明的原理。

圖1是第一實施例的感測模塊的剖面示意圖；

圖2A是第二實施例的感測模塊的上視示意圖；

圖2B是根據圖2A中線段I1的感測模塊的剖面示意圖；

圖3是第四實施例的感測模塊的剖面示意圖。

附圖標記：

100、100A、100B：感測模塊；

110、110A：感測層；

112、112A：感測單元；

120、120A、120B：光學共振層；

122、122A、122B、124A：光學共振結構；

130、130A：樣本裝載層；

132、132B：樣本裝載井；

134A：樣本裝載通道；

140A：阻擋層；

142A：光學阻擋表面；

50、50a、50b：樣本；

A、B、C：區域；

d1、d2、d3、d4：方向；

L1、L3、L4、L6：激發光；

L2、L5：螢光；

α：角度。

具體實施方式

現將詳細地參考本發明的示範性實施例，示範性實施例的實例說明於附圖中。只要有可能，相同元件符號在附圖和描述中用來表示相同或相似部分。

第一實施例

在本發明的第一實施例中，感測模塊適於分析樣本，並產生具有良好信噪比(SNR)的信號。

圖1是第一實施例的感測模塊的剖面示意圖。在本發明的第一實施例中，感測模塊100包括樣本裝載層130、感測層110以及光學共振層120。光學共振層120位於樣本裝載層130及感測層110之間。樣本裝載層130具有至少一樣本裝載槽，在本實施例中，樣本裝載槽包含樣本裝載井132。樣本裝載井132暴露出部分的光學共振層120而適於載入樣本50。光學共振層120的表面具有多個光學共振結構122，且光學共振結構122位於樣本裝載井132的底部旁邊或樣本裝載井132的底部下方。感測層110適於接收光並將光轉換為電信號。

在本實施例中，具有特定波長入射的激發光L1適於使光學共振結構122產生共振。當具有特定波長的光以共振角度α照射光學共振結構122時，光學共振結構122被配置以與光產生共振，且光學共振層120被配置以在方向d1上引導部分與光學共振層120耦合的光。在激發光L1以入射角度α照射光學共振結構122後，激發光L1被耦合到光學共振層120中。換言之，具有光學共振結構122的光學共振層120在樣本50及感測層110之間提供過濾入射光的功能，使得沿方向d2發射的激發光L1無法發射至感測層110，且產生光學共振層120的光學共振結構122的共振模態[或導引模態(guided mode)、洩漏模態(leaky mode)、波導模態(waveguide mode)]，因此，在區域A中的激發光L1的強度會藉由共振而增強。

在本實施例中，光學共振結構122為一維周期性光柵結構，且光學共振結構122是沿著方向d1而設置，但本發明不限於此。在本發明的其他實施例中，感測模塊的光學共振結構為二維周期性光柵結構。

第一實施例的感測模塊100還包含提供激發光的光源，即本實施例的激發光L1。激發光L1適於使在樣本50中的至少一目標成分發出螢光。目標成分的螢光是由於吸收激發光L1的波長輻射所引起的，激發光L1隨後幾乎立刻以不同的波長再發射(re-radiation)，其能夠經由光學共振層120來發射。

更具體來說，激發光的波長(即激發光L1)落入480nm至540nm的範圍內，且感測模塊100滿足式子：λ/nwg≤Λ≤λ，其中λ為激發光L1在光學共振層120中的波長，nwg為光學共振層120的折射率，以及Λ為從多個光學共振結構122中的其中一個的中心至相鄰的光學共振結構122的中心的距離。換言之，Λ為光學共振結構122的周期。舉例來說，當激發光L1的波長為532nm且光學共振層120的折射率nwg為2時，光學共振層120中的周期Λ落入266nm至532nm的範圍內。

另一方面，本實施例的光學共振結構122面向樣本裝載層130，且本實施例的感測模塊100的光學共振結構122滿足式子：d≤0.7h，其中d為各個光學共振結構122的深度(或高度)，以及h為光學共振層120至光學共振層120底部的總厚度。因此，對於150nm的光學共振層來說，共振結構的深度小於105nm。

在本實施例的感測模塊100中，光學共振層120的折射率高於樣本裝載層130的折射率，且光學共振層120的折射率也高於在光學共振層120和感測層110之間的材料的折射率。換言之，本實施例的感測模塊100可還包含位於光學共振層120和感測層110之間的基板，且感測模塊100滿足式子：nwg＞nsubstrate≥ntop，其中nwg為光學共振層120的折射率，且nsubstrate為位於光學共振層120和感測層110之間的基板的折射率，且ntop為樣本裝載層130的折射率。因此，光學共振層120的波導共振模態可以經由激發光L1激發。

感測層110包含感測單元112，適於接收光並將光轉換為電信號，且感測單元112設置於樣本裝載井132的下方。詳細而言，感測單元112被配置用以接收目標成分的螢光L2，以產生樣本50的分析結果。更詳細來說，激發光L1觸發光學共振層120的光學共振結構122，並產生至少一個光學共振結構122的共振模態。激發光L1耦合於光學共振層120而激發鄰近樣本裝載井132底部的樣本50，而使在樣本50中的目標成分發出螢光。感測單元112接收螢光L2，並產生有關於樣本裝載井132中的樣本50的電螢光信號。在本實施例中的感測單元為多接面光二極體，其中多接面光二極體被配置用以接收多種波長的光並根據每種光的強度而產生多種信號，但本發明並不限定於各種感測單元。在本發明的其他實施例中，感測模塊的感測單元為單接面光二極體的半導體裝置(semiconductor device of single junction photodiode)。

在第一實施例的感測模塊中，由於激發光L1耦合於光學共振層120，且只有樣本50的螢光L2可以到達感測單元112，光學共振層120提供在樣本50和感測單元112之間的良好的入射光過濾功能。並且，光學共振層120的共振模態可以增加對於鄰近樣本裝載井132底部的樣本50的激發強度。因此，感測單元112可以產生具有高信噪比的電信號。

前述所提到的樣本50的目標成分，可例如為，嵌入至質體的染料(dye intercalated into plasmids)、DNA、核苷酸、蛋白質、葡萄糖或是任何其他的被嵌入物質的樣本50，所述物質是指當入射光觸及其上可以發出螢光的物質，但本發明並不限定於各種目標成分。

光學共振結構122包含在方向d1上排列的光柵，且激發光L1例如為橫向磁性(transverse magnetic，TM)或橫向電性(transverse electric，TE)偏振光(polarized light)。因此，具有特定入射角度的激發光L1可以產生光學共振層120的共振模態。共振模態不僅可以防止感測單元112被激發光L1照射，同時也增強了在樣本裝載井132底部中的樣本的輻射強度。換言之，光學共振層120，特別是結合了過濾器和光學增強結構的功能，可以減少感測模塊100的厚度，且信號的信噪比可以獲得改善。

在本發明實施例中的樣本裝載層和光學共振層並不限於樣本裝載層130和光學共振層120。在本發明的其他實施例中，每個樣本裝載井具有鄰近於光學共振層的光學共振結構的底部，且入射光能夠通過底部發射並照射光學共振層的光學共振結構，但本發明並不限定於各種樣本裝載井。

第二實施例

在本發明的第二實施例中，感測模塊分析樣本或分析物並產生具有更好信噪比的信號，且樣本在分析後可以保持幾乎相同的狀態。

圖2A是第二實施例的感測模塊的上視示意圖。圖2B是根據圖2A中線段I1的感測模塊的剖面示意圖。在本發明的第二實施例中，感測模塊100A包括樣本裝載層130A、感測層110A以及光學共振層120A。光學共振層120A位於樣本裝載層130A及感測層110A之間。樣本裝載層130A包含樣本裝載槽，本實施例的樣本裝載槽包含樣本裝載通道134A，且感測層110A包含感測單元112A，適於接收光並將光轉換為電信號。

樣本50a在樣本裝載通道134A中形成一流體。在本實施例中，樣本在方向d4上流經樣本裝載通道134A，且感測模塊100A還包含阻擋層140A，其位於樣本裝載通道134A的上方，其中，阻擋層140A具有光學阻擋表面142A適於阻擋入射的激發光L3。因此，在樣本裝載通道134A中的樣本50a就不會直接暴露於入射激發光L3的輻射下。

在本實施例中，成對的光學共振結構122A、光學共振結構124A位於樣本裝載通道134A的底部旁邊。光學共振層120A包含成對的光學共振結構122A、光學共振結構124A，且一部分的樣本裝載通道134A位於每一對光學共振結構122A、光學共振結構124A之間。光學共振結構122A在方向d3上排列，且光學共振結構124A在垂直於方向d3的另一方向上排列，且樣本裝載通道134A底部的區域B位於光學共振結構122A之間。

當激發光L3例如以入射共振角度觸發光學共振結構122A時，會產生光學共振結構122A的共振模態，且部分耦合於光學共振層120A中的激發光L3沿著方向d3被引導。在樣本裝載通道134A底部的區域B中的樣本50a會被導引激發光L4激發，且樣本50a中的目標成分在導引激發光L4的激發下發出螢光。感測單元112A能夠接收來自樣本50a的螢光，並產生有關於區域B中的樣本50a的電螢光信號。在本實施例中，光學共振結構122A、光學共振結構124A中的其中之一會被TM偏振光照射，而另一個則是被TE偏振光照射，且激發光L3包含TM偏振光及TE偏振光。

在本實施例中，由於光學共振結構122A、光學共振結構124A的共振模態皆能夠經由激發光L3所產生，因此耦合於光學引導共振層中的激發光L3的量會增加，且在區域B中的樣本50a可被來自光學共振結構122A、光學共振結構124A的導引激發光L4輻射，而在區域B中的導引激發光L4的強度是足夠的。並且，阻擋層140A可使樣本50a不被激發光L3直接照射，因此所有樣本50a的狀態不會被激發光L3影響。換言之，感測模塊100A不僅可以防止感測單元112A被激發光L3觸發，同時還可以防止樣本50a直接被激發光L3觸發，而能夠預防光學效應(例如樣本50a的光漂白)，且信號的品質(例如信噪比)同時也能夠獲得改善。

在其他實施例中，藉由使用激發光L3能夠在不照射樣本裝載通道134A的情況下，直接照射光學共振結構122A、光學共振結構124A，而在樣本裝載通道134A的上方可以不具有阻擋層，但本發明並不限定於各種樣本裝載通道。

第三實施例

在本發明的第三實施例中，使用感測模塊100或感測模塊100A的感測方法可以預防樣本的光學效應(例如光漂白)。參照圖1，本實施方式的感測方法例如可應用於感測模塊100上。除了使用連續波作為激發光L1，所述感測方法使用脈衝雷射照射樣本50及光學共振結構122。

使用脈衝雷射作為激發光L1可以減少樣本50暴露於激發光L1的持續時間，而可以減少對於樣本50狀況的影響。由於激發光L1適於產生光學共振結構122的共振模態，激發光L1的共振可以補償在區域A中入射光的強度，並且在區域A中的激發光L1的強度不會因輻射的持續時間減少而減少。換言之，在本實施方式中的感測方法可藉由在光學共振層上觸發的脈衝雷射來分析樣本50。在沒有激發光L1的連續輻射下，可以減少樣本50中的光學效應。

第四實施例

圖3是第四實施例的感測模塊的剖面示意圖。在本發明的第四實施例中，使用上述感測模塊的感測方法可以預防樣本的光學效應(例如光漂白)。參照圖3，本實施方式的感測方法例如可應用於感測模塊100B上，且感測方法也可應用於上述感測模塊100、感測模塊100A上。除了使用特定波長的激發光L1能夠誘導樣本50b中的目標成分發出螢光，所述感測方法使用較長波長的激發光L6觸發樣本50b及光學共振結構122B。

更具體來說，激發光L6的波長是樣本50b中的目標成分的激發波長的兩倍，且光學共振層120B的光學共振結構122B的共振模態被配置為被激發光L6共振。並且，樣本50b中的目標成分的發光波長比激發光L6的波長短。

具有高強度在樣本裝載井132B底部的區域C中的激發光L6的輻射強度，以及藉由在光學共振結構122B中的激發光L6的共振更進一步增強強度，可以在樣本50b中的目標成分上達到雙光吸收條件(two-photo absorption condition)。因此，區域C外的樣本50b是由較長波長的激發光L6照射，並且可以防止光學效應(例如光漂白)。

綜上所述，本實施例的感測模塊包含具有光學共振結構的光學共振層，且光學共振結構的共振模態適於由激發光激發，因此圍繞光學共振結構的光強度增加，以照射在樣本裝載層的樣本裝載槽底部的樣本。由於激發光的光強度可藉由光學共振結構的共振模態來增加，且激發光可以在感測層之前進行過濾，樣本的螢光也可以在激發光照射後而增加，而使感測模塊的靈敏度及信噪比也能夠獲得改善。本實施例的感測方法可應用於上述的感測模塊，且感測方法的激發光可以防止樣本的光漂白。因此，所述感測方法可以提供高靈敏度、信噪比以及良好的樣本保護。

最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。