CN101809445A - 用于检测目标成分的传感器设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于检测包括标签粒子的目标成分的微电子传感器设备，包括：具有目标成分可以在其处聚集的结合表面的载体；用于发射入射在该结合表面处的光束的光源；用于确定反射的光束中光量的光检测器。在本发明的一个方面，所述结合表面由多个孔提供，所述多个孔限定具有小于衍射极限的最小面内孔径(W1)的结构，该衍射极限由用于包含所述目标成分的介质限定。优选地，使用所述传感器设备，其中目标成分是不发光的。

Description

用于检测目标成分的传感器设备

技术领域

本发明涉及一种用于检测目标成分的微电子传感器设备。

背景技术

在非均匀分析中，目标生物分子的浓度可以通过测量结合在传感器表面的目标生物分子或珠子(其代表目标生物分子)的表面浓度来确定。例如，我们可以考虑一个竞争性分析，其中结合表面(衬底)覆盖有目标分子。所述珠子可以用(对于目标分子)特定的抗体覆盖并且散布在包含目标分子的流体中。样本中的自由目标分子与在用于结合到涂覆有抗体的珠子的传感器表面上固定的目标分子竞争。在低浓度的情况下，抗体与目标分子在传感器表面结合的机会比抗体与目标分子在溶液中结合的机会高。通过测量结合在衬底处的珠子的表面浓度，我们可以确定目标分子的浓度。然而，所述浓度的准确测量需要高度地特定于表面的检测方案，该方案对于溶液中的珠子充分地不敏感。而且，检测的信号应当与样本基质(matrix)无关，该基质可以是全血、全唾液、尿或任何其他生物流体。对于光学检测方案，高的表面特异性可以通过减少测量体积来实现。实现这一点的一种方法是通过共焦成像，其中测量体积被典型地减少到几个波长(例如，1微米)。US2005/0048599 A1公开了一种用于研究微生物的方法，所述微生物用粒子来标记，使得力(例如，磁力)可以施加到其上。在该方法的一个实施例中，光束被引导通过透明材料到达表面，在该表面中该光束被全内反射。离开透明材料的该光束的光作为倏逝波通过表面处的微生物和/或其他成分散射，并且随后被光电检测器检测或用于照亮微生物以便目视观察。

发明内容

期望提供一种用于检测目标成分的微电子传感器设备，其中用于包含目标成分的介质不限于折射率小于载体的材料，并且附着到目标成分的粒子的折射率可以被选择为高于以及低于载体的折射率，而没有显著地影响灵敏度，例如从而提供用于生物感测目的的所述传感器设备。因此，在本发明的一个方面，提供一种用于检测目标成分的微电子传感器设备，包括：具有目标成分可以在其处聚集的结合表面的载体；用于发射在结合表面处入射的辐射束的源；用于以反射模式确定所述发射的辐射的量的检测器。在本发明的一个方面，结合表面由多个孔提供，所述孔限定具有小于衍射极限的最小面内孔径W1的结构，该衍射极限由用于包含目标成分的介质限定。

在本发明的另一方面，提供一种检测介质中目标成分的存在的方法，包括：由多个孔提供目标成分可以在其处聚集的结合表面，所述孔限定具有小于衍射极限的最小面内孔径W1的结构，该衍射极限由用于包含目标成分的介质限定；发射入射在结合表面上的辐射束，该结合表面由多个孔形成，所述孔限定具有小于衍射极限的最小面内孔径W1的结构，该衍射极限由用于包含目标成分的介质限定；以及以反射模式检测所述辐射的量。通过参考下面所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是清楚的并且将被阐明。

附图说明

图1示出根据本发明的一个方面的微电子传感器设备的总体设置；

图2示出图1中描绘的结合表面的说明性示意图；

图3示出具有变化的电场大小的线栅偏振器内的模拟场分布；

图4示出根据本发明的一个方面的第一实施例；

图5示出可替代的设置，其中测量归因于倏逝体积中珠子的存在的增加的散射；

图6示出用于检测归因于所述线之间间隔中珠子的存在的减少的反射的改进方案；

图7示出裂缝的宽度对反射的衍射级的和的影响，填充线栅的介质的折射率(index)作为参数；

图8示出所述线之间间隔中的折射率(index)对基本反射的影响；以及

图9示出具有折射率1.58的厚层对基本(0R)反射的影响和对反射和透射(总计)的和的影响。

具体实施方式

根据本发明的微电子传感器设备可以用于定性地或定量地检测目标成分，其中目标成分可以例如是生物物质，如生物分子、合成物、细胞组分(fraction)或细胞。术语“标签和/或粒子”将表示具有一些可被检测的属性(例如，光密度、磁化率、电荷)的粒子(原子、分子、合成物、纳米粒子、微粒等等)，从而间接地揭示相关的目标成分的存在。“目标成分”和“标签粒子”可以是相同的。根据本发明的一个方面的微电子传感器设备包括下列组件：

a)具有目标成分可以在其处聚集的结合表面的载体。术语“结合表面”在这里主要被选择作为载体表面的特定部分的唯一引用，并且尽管目标成分在许多应用中实际上将结合到所述表面，但是情况不一定必需这样。所需要的是，目标成分可以到达结合表面以在那里聚集(典型地以由与目标成分、它们与结合表面的相互作用、它们的移动性等等相关联的参数确定的浓度聚集)。载体对于给定光谱范围的光、特别是由将在下面限定的光源发射的光应当具有高透明度。载体可以例如由玻璃或一些透明塑料来生产。载体可以是可渗透的；针对限定在载体上提供的具有小于衍射极限的最小面内孔径(W1)的结构的孔，它提供承载功能。

b)用于发射辐射束(下面被称为“入射光束”)的源，该辐射束进入前述载体使得其至少在载体的结合表面处的研究区域中被反射。该光源可以例如是激光器或发光二极管(LED)，其可选地设有用于定形和引导入射光束的一些光学器件。“研究区域”可以是结合表面的子区域或者包括全部的结合表面；它将典型地具有由入射光束照亮基本圆斑的形状。

c)用于以反射模式确定所述发射的辐射的量的检测器，其中术语“反射的光束”将是对由检测器捕获的光的引用，并且暗示该光束的光源自入射光束的前述反射。然而，“反射的光束”不必包括所有的反射光，因为该光中的一些可以例如用于其他目的或者简单地被丢失(lost)。此外，在术语反射模式用于本申请的场合中，取决于上下文，这可以包含从光源发射的和由限定结构的孔反射的任何类型的辐射，包括散射和镜面反射的衍射类型的反射。该检测器可以包括给定光谱的光可被其检测的任何合适的传感器或多个传感器，例如光电二极管、光敏电阻器、光电池或光电倍增管。在术语光或辐射用于本说明书中的场合，其意思是包含所有类型的电磁辐射，特别是，取决于上下文，包含可见的和不可见的电磁辐射。

d)传感器的结合表面设有多个孔，孔限定具有小于衍射极限的第一最小面内孔径(W1)的结构，该衍射极限(Wmin)由用于包含目标成分的介质限定：由下式限定：

Wmin＝波长/(2*n介质)                                (1)

其中λ为真空中的波长，而n_medium为线栅前面的介质的折射率。

在优选实施例中，限定结构的孔限定平行于不透明材料(实例是诸如金(Au)、银(Ag)、铬(Cr)、铝(Al)之类的金属)的板的第一和第二面内矢量。第一(最小)面内孔径平行于第一面内矢量，而第二(最大)面内孔径平行于第二面内矢量。

因此，可以区分两种类型的孔：

1具有低于衍射极限的第一面内孔径W1和高于衍射极限的第二面内孔径W2的第一类型的孔，存在由第一面内矢量和垂直于第一和第二面内矢量的第三矢量组成的透射平面。R-偏振的入射光(其为具有正交于该透射平面的电场的光)基本上被限定结构的孔反射并且在该孔内产生倏逝场(evanescent field)。入射在限定由第一类型的孔组成的结构的孔上的T-偏振的光(其为具有平行于所述一个或多个孔的透射平面的电场的光)基本上被限定结构的孔透射并且在该孔内产生传播场(propagating field)。

2对于具有低于衍射极限的两个面内孔径的第二类型的孔，我们不能限定透射平面。任意偏振的(比如，线性地、圆形地、椭圆形地、随机地偏振的)入射光基本上被限定结构的孔反射并且在该孔内产生倏逝场。

所描述的微电子传感器设备允许对在结合表面处的研究区域中的目标成分进行灵敏的和精确的定量或定性检测。这是因为下述事实：优选地针对第一类型的孔被R-偏振并且可以具有针对第二类型的孔的任意偏振的光束(其入射在限定结构的孔上)生成从与载体邻近的孔的端部延伸较短的距离进入该孔的倏逝波。如果该倏逝波的光被存在于结合表面处的目标成分或标签粒子散射或吸收，则这将导致镜面反射的光束中功率(power)/能量(energy)的减少。因此，反射的光束中的功率/能量(更精确地说，归因于在结合表面处存在的标签粒子或目标成分的存在的反射光束中功率/能量的减少)是结合表面处目标成分/标签的存在和量的指示。所描述的光学检测程序的一个优点包括它的准确性，因为倏逝波仅仅探究从邻近于载体的孔的端部典型地延伸10到30nm进入该孔的小体积，从而避免了来自在该体积之后的体材料(bulk material)的干扰(比如散射、反射)。由于镜面反射的光的减少基本上仅仅由在结合表面处存在的目标成分或标签粒子所造成，所以获得了高灵敏度。而且，所述光学检测可以可选地远程执行，即在载体和光源或光检测器之间没有机械接触。

所述微电子传感器设备可以用于定性检测目标成分，从而产生例如相对于特定目标分子的二元响应(“存在”或“不存在”)。然而，优选地，所述传感器设备包括用于从检测的反射光中定量地确定研究区域中的目标成分的量的评价模块。这可以例如基于下述事实：倏逝光波中的光的量(其被目标成分吸收或散射)与研究区域中的这些目标成分的浓度成比例。研究区域中的目标成分的量又可以指示根据相关的结合过程的动力学与所述孔连通(communication)的样本流体中的这些成分的浓度。

回到图1，示出了根据本发明的一个方面的微电子传感器设备的总体设置。该设备的中心组件是可以例如由玻璃或透明塑料(如聚苯乙烯)制成的载体11。该载体11位于样本室2旁边，在样本室2中可以提供具有待检测的目标成分(例如，药(drug)、抗体、DNA等)的样本流体。另外，室2可以由直立的壁111限定(define)，在优选的实施例中直立的壁连续地重复以形成多个邻近的壁111，从而形成例如用于微生物分析的孔板(well-plate)。该样本还包括磁性粒子1(例如，超顺磁珠)，其中这些粒子10通常被功能化为具有结合部位(例如，抗体)以便特定地结合前述目标成分(为了简化起见，图中仅仅示出了磁性粒子1)。应当注意，代替磁性粒子，也可以使用其他标签粒子，例如带电粒子或荧光粒子。

载体11和样本室2之间的界面由被称为“结合表面”12的表面形成。该结合表面12可以可选地功能化为具有捕获元件或涂敷有捕获元件，例如抗体、配体，该捕获元件能够特定地结合目标成分。

这里应当提醒，功能化的表面或粒子被称为其上固定有捕获元件(例如抗体、配体)的表面或粒子，这些捕获元件能够特定地结合目标成分。

所述传感器设备可以可选地包括磁场发生器41(例如，具有线圈和磁芯的电磁体)以用于可控地在结合表面12处和在样本室2的邻近空间中产生磁场B。在该磁场B的帮助下，可以操控磁性粒子10，即磁化并且特别地移动磁性粒子10(如果使用具有梯度的磁场)。因此，例如可以将磁性粒子10吸引到结合表面12以便加速相关的目标成分到所述表面的结合。

所述传感器设备还包括光源21，例如激光器或LED，所述光源生成入射光束101，其被透射进入载体11。入射光束101到达结合表面12并被反射为“反射光束”102。反射光束102离开载体11并被光检测器31(例如光电二极管)检测。光检测器31确定反射光束102的功率/能量(例如由在整个光谱或光谱的一部分中该光束的光强度来表达)。通过耦合到检测器31的评价和记录模块32，在观察周期上评价并可选地监测该测量结果。在载体表面12上，以条20的形式提供不透明的材料(优选地为金属，例如金(Au)、银(Ag)、铬(Cr)、铝(Al))的板，该条20限定了具有小于衍射极限的最小面内孔径(W1)的线栅，该衍射极限由波长与包含目标成分10的介质2的折射率的两倍之间的比限定。入射角θ原则上可以从0变化到90°。由于所述孔的衍射受限的性质，在研究区域13中创建了倏逝场，由于被载体表面12结合的或至少在由限定结构20的孔产生的倏逝场的区域内的粒子的存在，该倏逝场可以选择性地被干扰。

所描述的微电子传感器设备应用用于检测实际上令人感兴趣的粒子10和目标成分的光学装置。为了消除或至少最小化背景(样本流体，如唾液、血液等)的影响，检测技术应当是特定于表面的。在线栅生物传感器中使用磁性标签具有下列优点(与使用非磁性标签相比)：可以因为各种原因应用磁激励：

·提高所述表面附近的目标分子的浓度(upconcentration)(捕捉分析)以改进分析速度和检测极限。

·为了严格性而进行磁清洗(代替更复杂的和不那么可再生的流体清洗)。

在图2中，示出图1中描绘的结合表面12的说明性示意图。该图示出，所述表面设有多个限定结构20的孔。特别地，在所示的实施例中，这些结构可以由金属线或条20提供，其限定了上面所提及的具有充分高于衍射极限的第二面内孔径W2的第一类型的孔W1。典型地，这些条被形成为附着到载体11的延长的平行线2的周期性结构。这种结构典型地被称为线栅。虽然本发明可以应用在周期性结构(光栅结构)中，但是这不是必需的，事实上该结构也可以是非周期的或准周期的。最小尺寸的孔径W1或(如果适用)光栅周期Λ典型地小于衍射极限，该颜色极限由入射光束的主波长或波长段以及用于包含目标成分的介质限定。优选地，入射光束排他地由具有高于衍射极限的波长的辐射组成。限定具有例如线栅技术的第一类型的孔的结构的孔的良好属性是，孔内部的光可以通过切换输入光的偏振来十分容易地从倏逝模式切换到传播模式，这使得能够实现表面特异性和体测量(bulk measurement)。

在图2中，透射平面平行于纸平面(plane of the paper)，R-偏振的偏振(被引导到纸平面之外的电场)入射光(101)导致线栅的线之间的间隔中的倏逝场和大量的反射光(102)。从图3中的模拟场分布可以看出，只有珠子(10)处于倏逝场的范围内，从而导致归因于倏逝场增加的透射(104)或散射的镜面反射(103)的减少。通过测量归因于倏逝场内珠子的存在的反射光或散射(的减少)，可以确定具有高表面特异性的珠子的浓度。

典型的珠子大小是10-1000nm的量级。由铝制成的用于红色激励光的线栅(例如具有632.8nm波长的HeNe激光器)的典型参数是140nm的周期(对于该波长，在水中59％的衍射极限)；50％的占空比和160nm的高度。对于这些参数，用水填充的孔中(1/e)强度衰减长度仅仅为17nm。对于这些参数，最大的珠子大小(即，“恰好”适合所述线之间的间隔的珠子)被限制于略小于70nm。对于第一类型的孔，第一面内孔径W1的优选值为小于衍射极限的50％或小于119nm(对于632.8nm的波长和用水填充的孔)，更优选地，第一面内孔径W1小于衍射极限的40％或小于95nm(对于632.8nm的波长和用水填充的孔)，并且最优选地第一面内孔径W1小于衍射极限的30％或小于71nm(对于632.8nm的波长和用水填充的孔径)。第二面内孔径W2的优选值至少为衍射极限或至少为238nm(对于632.8nm的波长和用水填充的孔)，更优选地，第二面内孔径W2为衍射极限的20-200倍或4.8到48μm(对于632.8nm的波长和用水填充的孔)，甚至更优选地，第二面内孔径W2为衍射极限的200-2000倍或48到480μm(对于632.8nm的波长和用水填充的孔)，以及最优选地，第二面内孔径W2为衍射极限的至少200倍或480μm(对于632.8nm的波长和用水填充的孔)。

例如，考虑具有200nm直径的珠子的情况。对于该直径，580nm的周期和2/3的占空比是合理的选择；387nm的线之间开口。为了避免传播透射光的衍射级，光栅周期应当低于水(折射率为1.33)中的衍射极限：对于580nm的周期，这暗示入射光的波长为至少1540nm。对于1600nm的波长和600nm的厚度，这导致109nm的(1/e)强度衰减长度和250的背景抑制(对于线栅顶部的体(bulk))。

在图3中，利用指示载体表面12上提供的线20之间中和其顶部上的珠子的球体10示出线栅偏振器内的模拟强度分布。

优选地，珠子与包含小超顺磁性颗粒(例如氧化铁)的聚合物基体一起使用。珠子的折射率应当不同于填充线的流体(其典型地为水)的折射率。

可以通过计算用较高折射率的材料填充线之间的间隔对强度衰减的影响来获得线之间的珠子对线栅样本的透射和反射的影响的粗略估计。(1/e)强度衰减长度从对于用SiO₂(折射率为1.45)填充的线栅的125nm增加到对于用Si3N4(折射率为2)填充的线栅的1550nm。如果我们假设直径为200nm的珠子可以由厚度为100nm的均匀层代表，则我们发现通过线栅的透射的增加，假设没有归因于珠子及其环境之间折射率(分别是12％和235％)不匹配的附加反射。

线栅20具有周期(Λ)并且限定了孔W1和厚度T。为了实现良好的反射，材料的各部分之间的开口优选地低于衍射受限的开口的80％。孔的衍射受限的波长可以典型地被限定为等于最小孔径W1两倍的在该孔内部的介质中的波长。典型地，效率在针对零度入射角(相对于入射平面的法线)的0.98到针对90度的入射角的几乎1之间变化。作为可替代方案，线栅20可以由2D次衍射(sub-diffraction)受限的孔的阵列替代，该阵列也被称为针孔结构。在这种情况下，限定结构的孔由本文上述的第二类型的孔组成。因此，这些阵列具有高反射性(和孔内的倏逝场)以用于任意偏振。

图4示出根据本发明的一个方面的第一实施例，其中执行对归因于倏逝体积中珠子(10，11)的存在的入射光束变化的反射的直接测量。因此，测量了归因于倏逝体积中珠子(10)的存在的变化的反射。在珠子/粒子没有引起散射的情况下，线栅(20)的线之间中的倏逝体积内的珠子(10)的存在导致对于折射率高于流体3的折射率的珠子的减少的反射，并且导致对于折射率高于流体3的折射率的珠子的增加的反射。珠子的高折射率(与流体相比)导致倏逝场的局部不太急剧的衰减，从而导致增加的透射(104)和减少的反射(103)。反射光(102，103)通过透镜(310)在检测器/CCD(22)上成像。典型地，比较器(未示出)将被设置在检测器中以将检测的光束与参考束进行比较，从而测量反射光的减少以指示目标成分的存在。

图5示出可替代的设置，其中测量归因于倏逝体积中珠子的存在的增加的散射。在该实施例中，检测器22被设置为检测散射光束105。散射光束105通过透镜21在检测器表面22上成像，并且因此与镜面反射光束(102)分离以指示目标成分(10)的存在。特别地，倏逝场中珠子(10)的存在导致散射(105，106)。特别地，通过定向检测开口(22)远离镜面反射的光束(102)，通过在大于成像透镜(21)的数值孔径(NA)的角度下照射线栅，反射光与散射光(105)在空间上分离。

图6示出用于检测归因于所述线之间的间隔中珠子/粒子(10)的存在的减少的反射的改进的方案。珠子/粒子(10)的存在导致反射的局部减少。这在图6中示出，其中反射的局部减少导致反射光的强度分布(160)。使用傅立叶光学方法，可以在所述线之间的间隔中没有珠子的情况下滤出反射信号的贡献。这在图6中通过使用一对透镜(70，72)来示出，且第一透镜(70)的焦平面中有遮光板(mask)(71)。在所述线和平面波输入之间的间隔中没有珠子的情况下，信号的贡献是在平行于系统的光轴的方向上传播的平面波，并且因此是空间频谱中的DC(直流)分量。该DC分量102通过第一透镜(70)在光轴上成像，并且所得到的折射光束132被遮光板(71)阻挡。在相对于光轴的角度下传播的更高的空间频率分量(由光束(105-a，b)示出)被透射且被折射为光束135a和135b，其将聚焦在远离光轴的第一透镜后面的位置处。第二透镜(72)用于重新获得在相对于光轴的角度下传播的平面波(145-a，b)。图4的实施例的设置的缺点在于，它需要对反射信号(其单独地为大信号)的小的减少进行测量。通过将图6中描绘的实施例的透镜系统70，72定位在图4中描述的实施例中的透镜(21)的前面，可以在没有珠子的情况下滤掉基线反射信号。结果，可以使用检测器的全部动态范围来测量反射信号的减少。注意到，具有高NA的光学系统对于聚集尽可能多个的光来说是优选的。

图7示出裂缝的宽度对650的波长的反射衍射级的和的影响，填充线栅的高折射性介质(330)、介质空气(300)和水(310)的折射率作为参数。特别地，该图示出反射对填充裂缝的折射率具有很强的依赖性。优选地，裂缝的宽度充分低于构成线栅的材料的衍射极限(312)、水的衍射极限(311)或填充裂缝20并在裂缝顶部的折射介质(330)的衍射极限331。对于这里所考虑的情况，这暗示裂缝的宽度＜246nm。裂缝的宽度的良好选择为150nm的宽度，其充分低于(水(310)中的衍射极限(311)的61％)所包含的材料的衍射极限，并且改变所述裂缝内的材料的折射率导致反射的合理变化；反射从针对填充裂缝的折射率为1.58的介质(330)的77％变化为针对裂缝内和顶部上的空气(300)的84％(参见图8)

图8示出所述线之间的间隔(在线栅的顶部有水)中的折射率对镜面反射的影响。这里，假设线栅孔宽度为150nm，且裂缝高度为300nm。为了估计珠子的存在对衬底的影响，衬底上的珠子被模型化为裂缝内部的均匀层，其高度等于珠子的高度。即使这过于简化，其中由于粒子而非均匀层的存在，忽略散射效应，结果给出了所述线之间的珠子对线栅的反射和透射的影响的合理指示，在这个情况下，其对于镜面反射可以在0.82(折射率为1)和0.77(折射率为1.58)之间变化。该图示出，一般地是具有实部N和虚部K的复数的目标成分或珠子的折射率应当不同于其中包含目标成分的流体或介质的折射率，以提供可检测的对比。典型的范围可以是实部0.1的差异(例如：水具有折射率的实部N＝1.33，而珠子具有与该折射率相差0.1的折射率)。此外，对比效应可以由虚部K的差来提供，典型地，具有的差为1。

图9示出折射率为1.58的厚层对镜面(0R)反射(线900)的影响以及对反射和透射(总计)(线910)的和的影响。可以看出，折射率为1.58的层(代表直径等于所述层的厚度的聚苯乙烯珠子)的厚度的增加导致基本(0th级)反射的减少。该减少对于小于50nm的厚度特别明显，这是预期的，因为倏逝场的渗透深度为39nm。反射的和透射的级的和的曲线充分适度地与基本反射的曲线重叠，这指示：反射的减少导致损失(由线栅的金属线吸收)的增加，而不是透射的增加。

所描述的与用于激励的磁性标签结合的光学读出的优点如下：

-廉价的柱(cartridge)：该载体柱11可以由现对简单的、聚合物材料的注模件组成，该注模件还可以包含流体通道。

-多分析物检验的大的复用可能性：一次性柱中的结合表面12可以在大面积上被光学扫描。可替代地，大面积成像是可能的，允许大的检测阵列。这种阵列(位于光学透明的表面上)可以通过例如不同结合分子在所述光学表面上的喷墨印刷来制成。该方法也使得能够通过使用多个光束和多个检测器以及多个激励磁体(机械地移动或电磁地激励)来实现在孔板中的高吞吐量检验。

-激励和感测是互不相关的：磁性粒子的磁性激励(通过大磁场和磁场梯度)不影响感测过程。因此，所述光学方法允许在激励期间连续监测信号。这提供对分析过程的许多认识，并且它允许基于信号斜率(slope)的简单的动力学检测方法。

-由于指数减少的倏逝场，所述系统是真正表面敏感的。

-简单的界面：柱与读取器之间不必具有电气连接。探查该柱仅仅需要光学窗。因此，可以执行无接触读出。

-低噪声读出是可能的。

在实验室环境中，典型地使用包括许多样本室(“孔(well)”)的阵列的孔板，其中可以并行地进行不同的检验。这些(一次性)孔(well)的生产非常简单且廉价，因为单个注模步骤便足够。

尽管在附图和前面的描述中详细示出并描述了本发明，但是这些图示和描述将被认为是说明性的或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

在一个实例中，使用其他邻近的介质，特别是折射率小于载体介质12的介质。应当注意，使用全内反射也可以生成倏逝场。根据玻璃棱镜的折射率nglass、载体中的入射角θA以及所使用的光的波长λ，可以将倏逝场的大小描述为：

$\exp =(-k\sqrt{{n_{\mathrm{glass}}}^2{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_A\right)-{n_{\mathrm{fluid}}}^2}\·z)$

其中z为到界面的距离，k为波数(2π/λ)。以相对于检测表面的法线80度的光束角进入水中的渗透深度((1/e)强度)的范围从针对硅石(折射率为1.45)的100nm下降到针对高折射率玻璃(折射率为2)的35nm。这里，假设样本基质的折射率nfluid＝1.33(与水相似)，且假设所使用的光的波长为650nm(DVD激光器)。然而，在全内反射的情况下，归因于载体和样本基质之间的界面处珠子的存在的镜面反射的期望的减少设置珠子的折射率的最小值：

n_bead≥n_glass·sin(α)                            (1)

该式子暗示，存在珠子的折射率的最小值。特别地，对于大多数实践应用，倏逝场进入载体顶部上的样本基质(1003)中的渗透优选地被限于结合到衬底的粒子。渗透深度t_decay(倏逝场的1/e强度)取决于棱镜的折射率(nglass)和样本基质的折射率(nfluid)以及入射角(α)：

t_decay＝λ/(4·π·√[(n_glass·sin(α))²-n_fluid ²])                (2)

通过结合(1)和(2)，发现对于给定的倏逝场渗透深度的一个针对珠子的折射率的准则：

$n_{\mathrm{bead}}^2-n_{\mathrm{fluid}}^2\≥{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}\·t_{\mathrm{decay}}}\right)}^2---\left(3\right)$

此外，在全内反射的情况下，进入介质中的渗透深度通过选择载体材料和用于包含目标成分的介质来限制。

例如30nm的适当的衰减长度要求棱镜的折射率至少为1.87。优选地，用于全内反射的棱镜由低成本的材料(例如聚苯乙烯和聚碳酸酯，其典型的折射率分别为1.55和1.58)制成。这些材料将水中的渗透深度分别限制在65nm和60nm的最小值。

此外，全内反射要求掠入射。而且，衰减长度取决于入射角。对于聚碳酸酯棱镜，60度的入射角导致504nm的渗透深度。本发明通过使用由多个限定具有小于衍射极限的最小面内孔径W1的结构的孔生成倏逝场而减轻了所述全内反射布置的限制。

尽管上面参考特定实施例描述了本发明，但是各种修改和扩展是可能的，例如：

-除了分子分析之外，还可以利用根据本发明的传感器设备检测更大的分子部分(moieties)，例如细胞、病毒或细胞或病毒的组分、组织提取液等等。

-所述检测可以在传感器元件相对于传感器表面进行扫描或不进行扫描的情况下进行。

-测量数据可以作为终点测量而导出，以及通过运动地或间歇地记录信号来导出。

-用作标签的粒子可以通过感测方法直接检测。粒子也可以在检测之前被进一步处理。进一步处理的实例是，加入材料或修改标签的(生物)化学或物理属性以利于检测。

-所述设备和方法可以与若干生物化学分析类型一起使用，这些生物化学分析类型例如结合/去结合分析、夹心法分析、竞争性分析、置换分析、酶分析等等。它特别适合于DNA检测，因为大规模复用容易地是可能的，并且可以通过喷墨印刷在光学衬底上来认出不同的寡核苷酸(oligos)。

-所述设备和方法适合用于传感器复用(即，不同传感器和传感器表面的并行使用)、标签复用(即，不同类型标签的并行使用)以及腔室复用(即，不同反应室的并行使用)。

-所述设备和方法可以用作针对小样本体积的快速的、具鲁棒性的和易于使用的现场即时(point of care)生物传感器。反应室可以是与紧凑的读取器一起使用的一次性用品，包含所述一个或多个场生成装置和一个或多个检测装置。而且，本发明的设备、方法和系统可以在自动化高吞吐量检验中使用。在这种情况下，反应室是例如适合自动化仪器的孔板或试管。

本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，通过研究附图、公开文本和所附权利要求书能够理解并实现对所公开的实施例的其他变形。最后，应当指出，在本申请中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，“一”不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明在于每个新颖的特性特征和每个特性特征的组合。另外，权利要求书中的附图标记不应当被解释为限制其范围。

Claims (15)

1.一种用于检测目标成分的微电子传感器设备，包括

-具有目标成分可以在其处聚集的结合表面的载体；

-用于发射在结合表面处入射的具有波长的辐射束的源；

-用于以反射模式确定所述发射的辐射的量的检测器；其中

-所述结合表面设有多个孔，所述孔限定具有小于衍射极限的最小面内孔径(W1)的结构，所述衍射极限由辐射波长和用于包含所述目标成分的介质限定。

2.根据权利要求1的微电子传感器设备，其中限定结构的所述孔限定最大面内孔径W2；其中所述最大面内孔径大于衍射极限。

3.根据权利要求1的微电子传感器设备，其中所述限定结构的孔包括在所述载体上提供的不透明介质。

4.根据权利要求1的微电子传感器设备，其中所述目标成分是不发光的。

5.根据权利要求1的微电子传感器设备，进一步包括用于产生可以影响所述标签粒子的磁场(B)和/或电场的场发生器。

6.根据权利要求1的微电子传感器设备，其中所述目标成分限定不同于所述介质折射率的折射率。

7.根据权利要求1的微电子传感器设备，进一步包括与结合表面邻近的样本室，其中可以提供与所述孔连通的具有目标成分的样本。

8.根据权利要求1的微电子传感器设备，进一步包括用于确定来自以反射模式测量的光束的研究区域中目标成分的量的评价模块。

9.根据权利要求1的微电子传感器设备，进一步包括用于以反射模式在观察周期上监测所确定量光的记录模块。

10.根据权利要求1的微电子传感器设备，其中用于以反射模式确定所述发射的辐射的量的检测器包括比较器，以将所检测的光束与参考束进行比较，从而测量反射光的减少以指示目标成分的存在。

11.根据权利要求1的微电子传感器设备，其中所述检测器被设置为检测与衍射的光束分离的散射光束以指示目标成分的存在。

12.根据权利要求12的微电子传感器设备，其中所述检测器包括遮光板，以过滤检测的光束的空间频谱中的DC分量。

13.一种孔板，包括多个根据权利要求12的载体。

14.一种检测介质中目标成分的存在的方法，包括：

-通过限定结构的多个孔提供目标成分可以在其处聚集的结合表面，所述结构具有小于衍射极限的最小面内孔径(W1)，该衍射极限由用于包含目标成分的介质限定；

-发射入射在结合表面上的辐射束，该结合表面由多个限定结构的孔形成，所述结构具有小于衍射极限的最小面内孔径(W1)，该衍射极限由用于包含目标成分的介质限定；以及

-以反射模式检测所述辐射的量。

15.根据权利要求14的方法，其中所述目标成分被设置为与生物分子结合。

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