CN103930780A

CN103930780A - 分子传感装置

Info

Publication number: CN103930780A
Application number: CN201180074007.2A
Authority: CN
Inventors: Z.李; A.金
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: JP6022585B2; EP2769214A1; TW201319566A; US20140198314A1; JP2014530369A; EP2769214A4; WO2013058739A1; CN103930780B; EP2769214B1

Abstract

一种分子传感装置，包括：基板；井部，i)形成在位于所述基板的表面上的材料中，或ii)形成在所述基板的表面中；位于所述井部中的信号放大结构；和浸渍流体，被沉积到所述井部中，并环绕所述信号放大结构。

Description

分子传感装置

背景技术

本公开总体上涉及分子传感装置。

化验和其它传感系统已经被使用在化学、生物化学、医疗和环境领域，来检测一种或多种化学物质的存在和/或浓度。某些传感技术利用颜色或对比度来进行物质检测和测量，例如，基于反射率、透射率、荧光或磷光的技术。其它传感技术，比如拉曼光谱术或表面增强拉曼光谱术(SERS)，研究系统中的振动、旋转、和其它低频模式。具体地，拉曼光谱术被使用来研究光子与分子交互作用时在分子能量状态之间的跃迁，其导致散射光子的能量被转移。分子的拉曼散射可被看作两个过程。处于一定能量状态的分子首先被入射光子激发到另一(虚拟或真实)能量状态中，其在光学频率范围中是常见的。受激分子然后在其所处环境的影响下作为偶极子源进行辐射，与激发光子相比，其频率可能相对较低(即，斯托克斯散射)，或可能相对较高(即，反斯托克斯散射)。不同分子或物质的拉曼光谱具有特性峰值，其可被使用来识别核素(species)。

附图说明

通过参考以下详细描述和附图，本公开的示例的特征和优点将变得清楚明了，在附图中类似的附图标记对应于相似的但或许不是相同的部件。为简洁之故，具有在前面描述过的功能的附图标记或者特征就它们出现于其中的其它附图而言可以也可以不被描述。

图1A和1B是两个示例的分子传感装置的透视图；

图2A-2F是示意性流程图，绘出了用于形成一个示例的分子传感装置的一示例方法；

图3A-3C是具有不同井部构造和不同浸渍流体构造的分子传感装置(注意覆盖物和信号放大结构未被示出)的示例的俯视图；

图4是另一示例的分子传感装置的透视图；并且

图5是包括一个示例的分子传感装置的一个示例的表面增强拉曼光谱术系统的示意图。

具体实施方式

本文所公开的分子传感装置的示例允许信号放大结构在不暴露于周围环境的情况下被运送和/或存储。本文所公开的分子传感装置包括至少环绕信号放大结构的浸渍流体和密封装置内的浸渍流体的可移除的覆盖物。如本文中所使用的，“浸渍流体”可以是液体或惰性气体。被封入的浸渍流体防止信号放大结构过早地吸收来自周围环境的非所需核素。在一些情况下，被封入的浸渍流体还防止信号放大结构过早地以非所需的方式进行作用。作为一个示例，浸渍流体可以在进行传感分析之前防止指状SERS纳米结构与一个或多个相邻指状SERS纳米结构协同地或沿其方向不可逆地移动。浸渍流体还在装置被搁置的期间提供信号放大结构的稳定性。

现在参考图1A和1B，其中绘出了两个示例的分子传感装置10和10’。分子传感装置10、10’中的每个包括基板12。图1A中示出的分子传感装置10包括形成于基板12的表面S₁₂中的井部14，图1B中示出的而分子传感装置10’包括形成于材料16的表面S₁₆中的井部14’，所述材料16定位在基板12的表面S₁₂上。两个示例的井部14、14’将在下面被进一步论述。

在图1A中示出的示例或图1B中示出的示例中的基板12可以是透明的或反射性的，取决于分子传感装置10、10’在被使用于传感系统(例如，图5中示出的系统100)中时的位置。例如，如果传感器被定位在井部14或14’形成于其中的表面S₁₂或S₁₆的对面，则基板12可以选自反射性和/或非反射性材料。本示例中的适当基板的示例包括锗、硅或透明基板，比如玻璃、石英、氮化物、氧化铝、蓝宝石、氧化铟锡、透明聚合物(例如，聚碳酸酯、聚酰亚胺、丙烯酸等)、其组合、和/或其层。在一个示例中，透明基板包括处于基板12的后表面BS₁₂上的反射镜。然而，如果传感器定位在后表面BS₁₂(即，与井部14或14’形成于其中的表面S₁₂或S₁₆相对的表面)的对面，则基板12选自透明材料，使得任何生成的信号(例如，散射光)可以被传输穿过基板12至传感器。适当透明基板的示例包括玻璃、石英、氮化物、氧化铝、蓝宝石、氧化铟锡、透明聚合物(例如，聚碳酸酯、聚酰亚胺、丙烯酸等)、或其组合或层。当井部14形成于基板12中时，应该明白的是：基板12还可以选自能够在其中形成井部14(例如，经由蚀刻、压印或另一适当技术)的材料。

基板12可以具有任何所需的尺寸。在图1A中示出的示例中，基板12可以小到足以在其中制造单个井部14，或者可以大到足以在其中制造多个井部14。在图1A中示出的基板12的厚度可以超过1μm厚，使得形成于其中的井部14具有大约为1μm的深度。在图1B中示出的示例中，基板12可以小到足以在位于其上的材料16中制造单个井部14’，或者可以大到足以在位于其上的材料16中制造多个井部14’。在图1B中示出的基板12可以具有任何所需的厚度，其对位于其上的材料16提供支承。

在图1B中示出的示例中，材料16被沉积(并且在一些情况下被固化)在基板12上，达至少用于待形成于其中的井部14’的所需厚度。例如，材料16的厚度可以超过1μm厚，使得形成于其中的井部14’具有大约为1μm的深度。在一个示例中，材料16可以是能够在其中形成井部14’(例如，经由蚀刻、压印或另一适当技术)的任何透明材料。当基板12是透明的时，透明材料16可能是所需的。适当透明材料的示例包括玻璃、石英、氮化物、氧化铝、氧化硅、蓝宝石、透明聚合物或其组合。如果基板12是不透明的，则材料16可以是也可以不是透明材料。其它适当材料16的示例包括硅、锗、钛、这些材料的氧化物(例如，氧化硅)、或氮化物。当经由压印技术在材料16中形成井部14’(参考图2A-2F进一步描述)时，材料16可以是可用紫外线或热固化的抗蚀剂。某些适当的抗蚀剂可从以下公司购得：Nanonex公司，蒙茅斯章克申城(Monmouth Junction)，新泽西州(例如，NXR-2000系列和NXR-1000系列)；和NanoLithoSolution公司，圣马科斯城(San Marcos)，加利福尼亚州(例如，AR-UV-01)。

如以上提及的，分子传感装置10和10’分别包括在基板12的表面S₁₂中或在材料16的表面S₁₆或形成的井部14或14’。在图1A中示出的示例中，井部14是空腔，其从基板12的表面S₁₂延伸到基板12中达所需的深度，该深度小于基板12的厚度。在图1B中示出的示例中，井部14'是空腔，其从材料16的表面S₁₆延伸到材料16中达所需的深度，该深度小于或等于材料16的厚度。如此，在一个示例中，井部14延伸穿过材料16的整个厚度，使得基板表面S₁₂被暴露，而在另一示例中，井部14’延伸穿过小于材料16的整个厚度，使得基板表面S₁₂不被暴露。

井部14、14’可以被形成为具有任何所需的形状(例如，作为井部14、14’从俯视图显现)，并且可以具有任何所需的尺寸(例如，长度、宽度、直径等)，其中的每个至少部分地取决于待形成于井部14、14’中的信号放大结构18的类型和数量、待形成的井部14、14’的数量、基板12的大小、以及在一些情况下材料16的大小。示例俯视形状包括正方形、矩形(见图3A)、圆形(见图3B)、三角形(见图3C)、卵形、椭圆形等。图1A和1B中示出的示例具有正方形形状，其延伸贯穿井部14、14’的深度。替代地，井部14、14’的壁可以渐缩，使得井部14、14’的尺寸朝表面S₁₂或S₁₆增大(见图2F)。用于形成井部14、14’的技术将在下面更详细地论述。

虽然在图1A和1B的每个中示出了一个井部14、14’，但是应该明白的是：可以在单个基板12中或在单个材料16中形成任何数量的井部14、14’。关于可以形成的井部14、14’的数量不存在限制，只是由所使用的基板12的大小决定。当形成多个井部14、14’时，每个井部14、14’可以与每个相邻井部14、14’间隔得足够远，使得井部14、14’彼此流体地隔离，并且使得可以在单个井部14、14’内进行传感技术，如果这是所需的话。作为一个示例，处于阵列中的井部14、14’可以分开至少大约1μm，其在一些情况下大约是激光光斑大小的极限。

图1A和1B中示出的分子传感装置10、10’还绘出了位于井部14、14’中的前面提及的信号放大结构18。被使用的信号放大结构18的类型和数量可以至少部分地取决于待由分子传感装置10、10’进行的传感的类型。例如，如果分子传感装置10、10’将被用于表面增强拉曼光谱术(SERS)，则信号放大结构18可以是纳米结构，其具有范围为大约0.1nm～大约100nm的至少一个尺寸，并且具有小于在其中形成纳米结构的井部14、14’的深度的高度。作为一个示例，井部14、14’具有大约1μm的深度，并且信号放大结构18具有大约500nm的高度。

纳米结构的示例包括天线、立柱或纳米线、电极、柔性柱状或指状结构、锥形结构、多面式结构等。SERS信号放大结构18可以是金属或涂覆有金属的等离子体振子纳米结构，其在暴露于激光照射时放大来自分子(即，分析物、所关注的核素、预定核素)的拉曼散射。金属或金属涂层是信号增强材料，或是能够增强在特定传感过程期间生成的信号的材料。在一个示例中，信号增强材料是拉曼信号增强材料，其在分子(或所关注的其它核素)定位成邻近信号放大结构18时，以及在分子和材料受到光/电磁辐射时，使拉曼散射光子的数量增加。拉曼信号增强材料包括但不限于银、金和铜。

在图1A和1B中，拉曼信号增强材料标记为20，并且是存在于信号放大结构18的基部22的尖端处的材料。当信号放大结构18被部分或完全涂覆有拉曼信号增强材料20时，信号放大结构18的基部22可以由任何其它适当的材料形成，比如基板12的材料、材料16或类似物。

信号放大结构18还可以被构造成用于一些技术，比如增强的荧光(例如，金属增强荧光或表面增强荧光(SEF))或增强的化学发光。作为一个示例，对于金属增强荧光应用来说，信号放大结构18的基部22可以被银纳米颗粒涂覆。作为另一示例，对于增强荧光应用来说，信号放大结构18可以被构造成耦合局部的和传播的表面等离子体振子。

用于形成信号放大结构18的技术将在下面更详细地论述。

如前面提及的，在井部14、14’中可以存在任何数量的信号放大结构18，其至少部分地取决于井部14、14’的尺寸、信号放大结构18的大小、以及待进行的传感类型。作为示例，单个信号放大结构18可以存在于单个井部14、14’中，或者单个井部14、14’可以包括多结构组件，比如二聚物(即，2个结构18)、三聚物(即，3个结构18)、四聚物(即，4个结构18)、五聚物(即，5个结构18)等。

图1A和1B中示出的分子传感装置10、10’还包括浸渍流体24，其被引入井部14、14’中，使得它环绕并且在一些情况下覆盖井部14、14’中的信号放大结构18。浸渍流体24可以是任何适当的液体或气体，其不会对信号放大结构18造成有害影响(例如，劣化、改变其形态等)。浸渍流体24(以及覆盖物26)被认为用以防止信号放大结构18吸收来自周围环境的非所需核素。换言之，在进行所需的传感技术之前，流体24保护信号放大结构18免受周围环境的影响。当多个指状结构被用作信号放大结构18并被包括在相同井部14、14’中时，还认为的是浸渍流体防止指状信号放大结构18过早地且不可逆地朝彼此倒塌(例如，由于外力，比如微毛细作用力)。所选的浸渍流体24将至少部分地取决于用于信号放大结构18的材料。在一个示例中，浸渍流体24是水、水基溶液、非水液体、或非水溶液。非水液体的示例包括醇类(例如，乙醇)、碳氢化合物、含氮化合物、溶解在乙醇中的含硫化合物、或其组合。在另一示例中，浸渍流体24是惰性气体(例如，氖气、氩气、氮基惰性气体等)。浸渍流体24还可以包括配基(ligand)或另一锚定核素(例如，DNA、蛋白质等)，其将附着至或以其它方式关联于信号放大结构18的表面，以对于某些传感应用增强所关注化学制品的特定结合。在这些情况下，浸渍流体24可以起到防护和表面官能化的双重目的。

如图1A和1B中示出的，分子传感装置10、10’还包括可移除的覆盖物26，其可以附接至其余表面S₁₂(如图1A中示出的)或其余表面S₁₆(如图1B中示出的)。可以使用可以从表面S₁₂或S₁₆被移除而不有害地影响井部14、14’中的信号放大结构18的任意适当的材料。可移除的覆盖物材料的示例包括可从表面S₁₂或S₁₆剥离的薄聚合物膜/膜片、或者可从表面S₁₂或S₁₆脱开或松解的玻璃、金属或聚合物层。可移除的覆盖物26可以具有任何适当的厚度。

当覆盖物26处于封闭位置(即，粘附或以其它方式固定至基板12、或材料16、或沉积在基板12或材料16上的材料20以将浸渍流体24密封在井部14、14’中)时，分子传感装置10、10’可以被运送和/或存储直到希望在传感应用中使用装置10、10’时。当希望进行传感应用时，可以例如通过剥掉覆盖物26、破开覆盖物26、松解覆盖物26或通过某些其它适当的方法移除覆盖物26，来移除可移除的覆盖物26。

图1A和1B中示出的分子传感装置10、10’可以经由多种方法形成。具体地，可以经由任何适当的技术来形成井部14、14’，其至少部分地取决于所使用的基板12或材料16的类型，以及是否希望顺次地或同时地形成井部14、14’和信号放大结构18。

在一个示例方法中，顺次地形成信号放大结构18和井部14、14’。在该示例方法中，可以使用两步掩蔽和蚀刻工艺。当希望在基板12中形成井部14时，所述方法的该示例包括首先在基板12中形成信号放大结构18然后在基板12中形成井部14。例如，可以在基板12上放置提供用于信号放大结构18的所需图案的掩模，然后可以进行蚀刻至所需深度，其小于基板的厚度并且小于或等于井部14的所需深度。虽然所使用的蚀刻剂将取决于被使用的基板材料，但是该步骤将通常涉及各向同性(湿或干)蚀刻工艺。在形成信号放大结构18之后，将移除掩模。可以在基板12上放置另一掩模，其提供用于井部14的所需图案，同时保护在先形成的信号放大结构18。该蚀刻步骤可以进行至所需深度，其小于基板12的厚度并且小于或等于在先形成的信号放大结构18的高度。

虽然所使用的蚀刻剂再次将取决于被使用的基板材料，但是该步骤可以涉及各向同性或各向异性(湿或干)蚀刻工艺。该相同的顺次步骤也可以在材料16中进行，使得井部14’被形成在材料16中，并在其中形成有信号放大结构18。应该明白的是：基板12或材料16也可以具有两个层，其中顶层材料和厚度适合于形成信号放大结构18(使用以上描述的第一掩蔽/蚀刻步骤)，并且底层材料和厚度适合于在其中形成井部14、14’(使用以上描述的第二掩蔽/蚀刻步骤)。

在另一示例方法中，信号放大结构18和井部14、14’同时形成。该方法的一个示例在图2A-2F中示出，并且示出了分子传感装置10’的形成。应该明白的是：该方法也可以被使用来形成分子传感装置10(或图4中示出的10’’)。

图2A示出了模具28的剖视图，所述模具28可以被使用来形成信号放大结构18和井部14’。模具28可以由以下材料形成：单晶硅、聚合材料(丙烯酸、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺等)、金属(铝、铜、不锈钢、镍、合金等)、石英、陶瓷、蓝宝石、氮化硅、或玻璃。

模具28包括用于信号放大结构18和井部14’的图案P。虽然图2A中示出的模具被用于形成单个井部14’和其中的信号放大结构18，但是应该明白的是：单个模具28可以被使用来生成多个井部14、14’，它们的每个在其中具有一个或多个信号放大结构18。

图案P是所需信号放大结构18和井部14’的负复型，从而限定出用于待形成的井部14’和信号放大结构18的至少基部22的形状。图案P可以是前面提及的纳米结构(例如，天线、立柱或纳米线、电极、柔性柱状或指状结构、锥形结构、或多面式结构)中的任一个的负复型。当需要多于一个的信号放大结构18时，用于信号放大结构18的图案P可以都是相同的(例如，均为立柱)，可以都是不同的(例如，一个立柱、一个电极、一个指状结构等)，或者用于某些信号放大结构18的图案P可以不同于一个或多个其它的信号放大结构18(例如，一个立柱、两个电极、两个锥体等)。此外，当需要多于一个的信号放大结构18时，用于信号放大结构18的图案P可以具有相同或不同的尺寸。再进一步，当使用相同模具28形成多个井部14、14’时，用于井部14、14’的图案P可以对于井部14、14’中的至少一个来说是相同或不同的，并且用于信号放大结构18的图案P可以对于井部14、14’中的至少一个来说是相同或不同的。作为示例，图案P可以用于在相同井部14、14’中形成高纳米线和矮纳米线，或者用于在一个或多个井部14、14’中形成宽直径指状结构，并在一个或多个其它井部14、14’中形成窄直径指状结构。

图案P可以一体地形成在模具28中。在一个示例中，图案P可以经由深反应离子蚀刻和钝化形成在模具28中。周期更具体地，可以使用波希工艺(Bosch process)，并且该工艺涉及蚀刻(例如，使用SF₆和O₂等离子)和钝化(例如，使用C₄F₈等离子)的一系列交替周期。可以通过控制工艺的条件(例如，真空压力、RF功率、总处理时间、个体蚀刻周期时间、个体钝化周期时间、和气体流量)，来控制所得图案的形态。在一个示例中，可以以15毫托的压力操作蚀刻器，蚀刻器的线圈和滚筒功率分别为800W和10W，每个蚀刻周期(用SF₆和O₂)为6秒，每个钝化周期(用C₄F₈)为5秒，并且SF₆、O₂和C₄F₈的流量分别为100sccm、13sccm和100sccm。更一般地说，流量可以是高达大约100sccm的任何流量。

图案P的形成信号放大结构18的部分可以包括信号放大结构形状的规则或不规则阵列。前面描述过的蚀刻和钝化工艺常常导致不规则阵列。应该明白的是：为了生成规则阵列，可以使用比如聚焦离子束、电子束光刻或光学光刻等制造方法。相信的是：图案P的形成信号放大结构18的部分可以被设计成预定方式，以允许所得信号放大结构18对拉曼光谱上的目标范围敏感(例如，能够在特定波长中产生更强的信号)。

如图2B中示出的，模具28被按压到抗蚀剂材料16中，所述抗蚀剂材料16已经在先前被沉积在基板12上。替代地，可在模具28上沉积抗蚀剂材料16，然后可将基板12粘附至材料16。抗蚀剂材料16可以是紫外线(UV)可固化抗蚀剂材料或热可固化抗蚀剂材料。抗蚀剂材料16可以经由任何适当的技术比如旋涂、滴涂、浸涂或类似技术沉积在基板12或模具28上。抗蚀剂材料16的厚度可以与待形成于其中的井部14’的所需深度一样厚或比所述所需深度厚。

在模具28被按压到抗蚀剂材料16中(或要不然与抗蚀剂材料16接触)的同时，可以将该结构暴露于紫外光或热，以便部分地或完全地固化抗蚀剂材料16。完全固化在图2C中示出。应该明白的是：用于UV或热暴露的时间、所使用紫外灯的功率、热的温度、和其它相似固化参数将至少部分地取决于所使用的抗蚀剂材料16。在图中示出的示例中，一旦固化完成后，可以移除模具28(在图2D中示出)，并且所得结构包括固化的抗蚀剂16，其被图案化为形成井部14’和信号放大结构18的基部22。如以上提及的，在模具28被按压到抗蚀剂材料16中(或要不然与抗蚀剂材料16接触)的同时，可以进行部分固化。部分固化是固化一些而不是全部抗蚀剂材料16。在部分固化之后，可以移除模具28。一旦模具28被移除后，可以继续固化，直到抗蚀剂材料16被完全固化。

在图2A-2F中示出的方法的示例中，在固化完成并且模具28被移除之后，将信号增强材料20沉积在信号放大结构18的基部22的至少表面上。可以通过任何适当的沉积或其它涂覆技术来建立信号增强材料20。在一些示例中，可以使用毡状沉积技术，使得材料20被建立在已固化抗蚀剂16的所有暴露部分上。在另一些示例中，可以使用选择性沉积技术，使得材料20只被建立在例如基部22的尖端上。作为示例，可以经由电子束(e-beam)蒸镀或溅射来沉积材料20。在再一些示例中，信号增强材料20可为预先形成的纳米颗粒(例如，由银、金、铜等形成)，其被涂覆到已固化抗蚀剂16上。这些纳米颗粒可以具有范围在大约1nm～大约10nm的平均直径。相信的是：材料20的纳米颗粒(代替材料20的连续涂层)在基部22的顶点处的存在进一步增强例如SERS操作期间的电场。材料20自身也可以具有在沉积工艺期间自然地形成的表面粗糙度。该表面粗糙度可用作附加的光学天线，来增加越过每个信号放大结构18的SERS激活部位。

在完整的信号放大结构18形成之后，将所选浸渍流体24沉积或以其它方式引入井部14’中，如图2F中示出的。可以例如使用任何分配器来沉积/分配浸渍流体24，所述任何分配器能够沉积/分配一定量的浸渍流体24，其将环绕信号放大结构18，并且在一些情况下，将填充井部14’(或14)。可以例如经由尖管或吸量管来手动地分配浸渍流体24。也可以或者替代地例如经由喷射分配器(例如，热喷射分配器、压电喷射分配器、压电毛细管喷射分配器)或声学分配器(例如，Labcyte回声声学分配器)来自动地分配浸渍流体24。

当使用气体时，可以将该结构放置到充注有所需气体的盒体或容器中。可以在处于气体充注盒体中的同时密封井部14、14’。

可以通过将可移除的覆盖物26可移除地附接至该结构的最靠外表面或该结构的将液体24密封在井部14’(或14’)内的任何其它表面，来将浸渍流体24密封在井部14’(或14)内。可移除的覆盖物26在图2F中示出。在该特定示例中，可移除的覆盖物26被粘附至存在于已固化材料16的最靠外部分上的信号增强材料20。用于将覆盖物26附接至基板12、材料16或材料20的方法至少部分地取决于所使用的材料和所需的移除方法。例如，如果薄聚合物膜/膜片被用作可移除的覆盖物26并且希望能够剥离膜/膜片，则可以使用粘合剂来将覆盖物26可移除地固定至分子传感装置10、10’。又如，如果更厚的聚合物或玻璃层被用作可移除的覆盖物26，则可以将覆盖物26附接至结构，使得它可以在今后使用夹具从分子传感装置10、10’得到松解。在一个示例中，可以通过压印匹配的孔和突部来形成夹具。

一旦浸渍流体24经由覆盖物26被密封后，分子传感装置10、10’已准备好进行运送和/或存储。

现在参考图3A-3C，装置10、10’的不同俯视图被示出，其中覆盖物26和信号放大结构18被移除，以为清楚起见。这些图示出了可以用于井部14、14’的不同形状(当从顶部观察装置10、10’时)，并且还示出了用于被包括在井部14、14’中的浸渍流体24的多种选择。

图3A示出了具有矩形井部14、14’的示例装置10、10’，其中矩形形状从表面S₁₂或S₁₆延伸穿透井部14、14’的深度。矩形井部14、14’的每个中的不同图示代表已经被沉积到矩形井部14、14’的每个中的不同浸渍流体24A、24B、24C、24D、24E、24F。不同浸渍流体24A、24B、24C、24D、24E、24F可以被使用在例如希望使存在于一个井部14、14’中的信号放大结构18与存在于其它井部14、14’的每个中的信号放大结构18不同地官能化(functionalize)时。例如，如果以不同类型的DNA来使相应井部14、14’中的信号放大结构18官能化，则浸渍流体24A、24B、24C、24D、24E、24F可以是不同的离子溶液，其具有不同的离子浓度和/或不同的pH值，其适合于特定井部14、14’中的特定类型的DNA。在使用该特定装置10、10’的传感应用期间，可能希望使每个井部14、14’暴露于相同分析物，使某些井部14、14’暴露于特定分析物同时将至少一个其它井部14、14’暴露于不同分析物，或使井部14、14’的每个暴露于不同分析物。

图3B示出了具有圆形井部14、14’的示例装置10、10’，其中圆形形状从表面S₁₂或S₁₆延伸穿透井部14、14’的深度。在该图中，圆形井部14、14’的每个中的相同图示代表已经被沉积到圆形井部14、14’的每个中的相同浸渍流体24。相同浸渍流体24可以被使用在例如希望以相同方式使存在于井部14、14’的每个中的信号放大结构18官能化时，或希望使未官能化的信号放大结构18暴露于相同分析物(其可在浸渍流体24存在于井部14、14’中的同时被添加)时。在使用该特定装置10、10’的传感应用期间，可能希望使每个井部14、14’暴露于相同分析物，使某些井部14、14’暴露于特定分析物同时将至少一个其它井部14、14’暴露于不同分析物，或使井部14、14’的每个暴露于不同分析物。

图3C示出了具有三角形井部14、14’的示例装置10、10’，其中三角形形状从表面S₁₂或S₁₆延伸穿透井部14、14’的深度。三角形井部14、14’的不同列中的不同图示代表已经被沉积到排列在特定列中的相应三角形井部14、14’中的不同浸渍流体24A、24B、24C。不同浸渍流体24A、24B、24C可以被使用在例如希望使存在于一个列的井部14、14’中的信号放大结构18与存在于其它列的井部14、14’中的信号放大结构18不同地官能化时。例如，可能希望以DNA使第一列的井部14、14’中的所有信号放大结构18官能化，以蛋白质使第二列的井部14、14’中的所有信号放大结构18官能化，并以配基使第三列的井部14、14’中的所有信号放大结构18官能化。在本示例中，浸渍流体24A是含有DNA的液体，浸渍流体24B是含有蛋白质的液体，且浸渍流体24C是含有配基的液体。在使用该特定装置10、10’的传感应用期间，可能希望使每个井部14、14’暴露于相同分析物，使一个列中的所有井部14、14’暴露于相同分析物而每个列暴露于不同分析物，或使一个行内的所有井部14、14’暴露于相同分析物而每个行暴露于不同分析物。

现在参考图4，其中绘出了另一示例的分子传感装置10’’。该装置10’’包括阻隔壁30，其进一步隔离一个井部14与另一井部14。阻隔壁30可以具有任何所需的高度，并且可以被定位或形成为完全环绕相应的井部14、14’。完全环绕井部14、14’的阻隔壁30将允许浸渍流体24从井部14、14’溢流，而不进入相邻井部14、14’。完全环绕井部14、14’的阻隔壁30还将允许不同的含分析物流体被引入不同井部14、14’，而不必将不同的含分析物溶液精确地分配到特定井部14、14’中。这是由于以下事实：阻隔壁30形成环绕井部14、14’但是大于井部14、14’自身的受限区域。

在该示例装置10’’中，阻隔壁30被附接至基板12的表面S₁₂，但是应该明白的是壁30可以与基板12一体地形成。阻隔壁30可以由任何所需的材料(例如，透明聚合物、玻璃等)制成，其不会干扰待进行的传感技术。当阻隔壁30与基板12分离时，它们可以例如使用粘合剂得到附接。

该装置10’’类似于图1A中示出的装置10，因为井部14形成在基板12中。然而，装置10’’可以被做成类似于图1B中示出的装置10’，方法是在存在于基板12上的材料16中形成井部14’，然后将阻隔壁30附接至材料16。替代地，阻隔壁30可以与材料16一体地形成。

在图4中示出的示例装置10’’中，两个井部14中的信号放大结构18是不同的。井部14之一(图的左侧)包含四个指状信号放大结构18，而井部14中的另一个(图的右侧)包含三个锥形信号放大结构18。应该明白的是：可以使用单个模具28来制造这类井部14和结构18。

图4中示出的阻隔壁30分离井部14，使得两个分离的覆盖物26可以被利用来密封井部14。在本示例中，可移除的覆盖物26被分离地附接至基板12的相应区域，使得覆盖物26可以从基板12被单独地移除。在一个示例中，一个覆盖物26可以从井部14之一被移除，使得可以使用露出的井部14来进行分子传感技术，而井部14中的另一个保持被覆盖。在本示例中，井部14中的另一个可以在以后被露出，使得可以使用该井部14来进行另一分子传感技术。在另一示例中，覆盖物26的每个可以被移除，使得可以同时地使用露出的井部14的每个来进行分子传感技术。在阻隔壁30完全环绕相应井部14的另一些示例中，可以将单个覆盖物26附接至阻隔壁30，以围绕井部14密封相应区域(其由阻隔壁30限定出)。

现在参考图5，其中绘出了一个示例的分子传感系统100。图5中示出的系统100是SERS系统，其包括激光源32、一个示例的分子传感装置10’(但是系统100中也可以采用装置10和10’’)、和光电检测器34。在本示例中，信号放大结构18是SERS信号放大结构，其中的每个包括立柱或指状基部22以及沉积在基部22的尖端/顶部处的拉曼信号增强材料20。分析物分子A被引入井部14’中。

激光源32可以是这样一种光源，其具有窄光谱线宽度，并且被选择成发射处于可见光范围内或近红外范围内的单色光束L。激光源32可以选自稳态激光器或脉冲激光器。激光源32被定位成向分子传感装置10’上投射光L。透镜(未示出)和/或其它光学装备(例如，光学显微镜)可以被使用来以所需方式引导(例如，折曲)激光L。在一个示例中，激光源32被集成在芯片上。激光源32还可以被操作地连接至电源(未示出)。

在系统100的操作期间，分子传感装置10’的覆盖物26被移除，并且井部内的浸渍流体24可以在引入含分析物流体之前被移除，或者可以在含分析物流体被引入时保持在井部14’中。是否移除浸渍流体24至少部分地取决于：所使用的浸渍流体24的类型，以及浸渍流体24是否将与引入的分析物分子A发生反应，或将以其它方式干扰分析物分子A与信号放大结构18之间的所需交互作用。浸渍流体24的移除可以通过以下技术实现：将液体24倒出井部14’，将液体24吸取或抽吸出井部14’，使气体流动穿过井部14’，从井部14’蒸发液体24，或任何其它适当的技术。

包含或用作用于分析物分子A的载体的流体(即，液体(例如，水、乙醇等))或气体(例如，空气、氮、氩等)被引入井部14’中。如以上提及的，不同分析物分子A可以被引入一个或多个不同井部14’中，或者相同分析物分子A可以被引入井部14’的每个中。分析物分子A可以由于重力、微毛细管、和/或化学作用力而沉降在SERS信号放大结构18的表面上。在一个示例中，包含分析物分子A的液体被引入井部14’中，然后井部14’随后被干燥。至少部分地由于微毛细作用力，相邻SERS信号放大结构18朝彼此拉动，并且分析物分子A可以变得被俘获在SERS信号放大结构18的尖端处或附近。这在图5中示出。

激光源32然后被操作，以朝分子传感装置10’发射光L。应该明白的是：整个阵列的井部14’(和其中的结构18)可以同时被暴露，或者一个或多个个体井部14’可以在特定时间被暴露。如此，可以进行同时传感或平行传感。集中在分子传感装置10’的SERS信号放大结构18处或附近的分析物分子A与光/电磁辐射L交互作用并散射光/电磁辐射L(注意：散射光/电磁辐射被标记为R)。分析物分子A与SERS信号放大结构18的SERS信号增强材料20之间的交互作用使拉曼散射辐射R的强度增加。拉曼散射辐射R被重新引导朝向光电检测器34，其可以光学地过滤掉任何反射分量和/或瑞利分量(Rayleigh component)，然后检测入射波长附近的每个波长的拉曼散射辐射R的强度。

系统100可以包括定位在分子传感装置10’与光电检测器34之间的光过滤元件38。该光过滤元件38可以被使用来光学地过滤掉任何瑞利分量，和/或任一不在所需区域的拉曼散射辐射R。系统100还可以包括定位在分子传感装置10’与光电检测器34之间的光散布元件40。光散布元件40可以使拉曼散射辐射R以不同角度散开。元件38和40可以是相同装置的一部分，或者可以是分离的装置。

处理器36可以被操作地连接至激光源32和光电检测器34两者，以控制这些部件32、34。处理器36还可以接收来自光电检测器34的读数，以生成拉曼光谱读数，其峰值和谷值然后被采用来分析所述分析物分子A。

应该明白的是：本文提供的范围包括所陈述的范围以及处于所陈述范围内的任何数值或者子范围。例如，大约0.1mm～大约100mm的范围应该被解释为不仅包括大约0.1mm～大约100mm的明确列举的限制，而且还包括比如0.2mm、0.7mm、15mm等单个数值，以及比如大约0.5mm～大约50mm、大约20mm～大约40mm等子范围。此外，当采用“大约”来描述数值时，这旨在包含所陈述数值的较小变化(高达+/- 10%)。

虽然已经详细描述了若干示例，但是本领域的技术人员应该清楚的是所公开的示例可以被修改。因此，前面的描述应被认为是非限制性的。

Claims

1.一种分子传感装置，包括：

基板；

井部，i)形成在位于所述基板的表面上的材料中，或ii)形成在所述基板的表面中；

位于所述井部中的信号放大结构；和

浸渍流体，被沉积到所述井部中，并环绕所述信号放大结构。

2.如权利要求1所述的分子传感装置，其中，所述浸渍流体包括惰性气体、液体、或液体及溶解于所述液体中的功能核素。

3.如权利要求1所述的分子传感装置，进一步包括：可移除的覆盖物，其在所述可移除的覆盖物处于封闭位置时密封所述井部中的浸渍流体。

4.如权利要求1所述的分子传感装置，其中，所述装置包括：

一个阵列的离散井部，i)形成在位于所述基板的表面上的材料中，或ii)形成在所述基板的表面中；

处于离散井部的每个中的相应信号放大结构。

5.如权利要求4所述的分子传感装置，其中：

所述浸渍流体在所述离散井部的每个中是相同的；或者

所述浸渍流体在所述离散井部的每个中是不同的；或者

一部分离散井部具有浸渍流体，并且一部分其它离散井部具有不同于所述浸渍流体的一种或多种其它浸渍流体。

6.如权利要求4所述的分子传感装置，进一步包括：阻隔壁，其流体地分离所述阵列中的离散井部的至少两个。

7.如权利要求4所述的分子传感装置，其中，所述相应信号放大结构中的至少两个被官能化，以便能接受不同核素。

8.如权利要求4所述的分子传感装置，其中，所述相应信号放大结构在所述离散井部的每个中是相同的。

9.如权利要求1所述的分子传感装置，其中，所述信号放大结构是拉曼光谱术增强结构。

10.一种用于使用如权利要求1所述的分子传感装置的方法，所述方法包括：通过将可移除的覆盖物附接至所述基板的表面上的材料或附接至基板表面，来密封所述井部中的浸渍流体。

11.一种表面增强拉曼光谱术(SERS)系统，包括：

如权利要求1所述的分子传感装置；

溶液，包含待被引入所述分子传感装置的井部中的核素；

激光源，用以朝所述分子传感装置的井部发射处于一定波长内或波长的一定波谱内的光；光电检测器，用以检测在来自所述激光源的光与所述井部中的核素交互作用之后被散射的光，并用以响应于检测散射光而输出信号；

光过滤元件，位于所述分子传感装置与所述光电检测器之间；和

光散布元件，位于所述分子传感装置与所述光电检测器之间。

12.一种用于制作分子传感装置的方法，所述方法包括：

i)在位于基板的表面上的材料中或ii)在所述基板的表面中形成井部；

在所述井部中形成信号放大结构；以及

向所述井部中引入浸渍流体，使得所述信号放大结构被所述浸渍流体环绕。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述井部的形成和所述信号放大结构的形成同时发生，并且其中形成步骤通过以下方式实现：

将模具按压到位于所述基板上的抗蚀剂材料中，所述模具具有用以形成所述井部和所述井部内的信号放大结构的图案；

在所述模具被按压到所述抗蚀剂材料中的同时，至少部分地固化所述抗蚀剂材料；

移除所述模具；以及

至少在所述信号放大结构的基部的表面上沉积信号增强材料。

14.如权利要求12所述的方法，其中，在引入所述浸渍流体之前，所述方法进一步包括将所述浸渍流体选择成包括对预定核素是选择性的预定功能配基。

15.如权利要求12所述的方法，进一步包括：通过将可移除的覆盖物粘附至所述基板的表面上的材料或粘附至基板表面，来密封所述井部中的浸渍流体。