CN105143859B - 检测物质的设备和制造这样的设备的方法 - Google Patents

Abstract

公开了检测物质的设备和制造这样的设备的方法。检测物质的示例设备包括限定第一腔室的外壳和耦接到外壳的衬底。衬底包括位于第一腔室内的纳米结构。该纳米结构用于在暴露于物质时对该物质作出反应。设备包括位于第一腔室内的第一加热器。该加热器用于加热物质的至少一部分以使设备准备好用于分析。

Description

检测物质的设备和制造这样的设备的方法

背景技术

表面增强拉曼光谱法（SERS）可以在各种行业中用来检测分析物的存在。例如，SERS可以在安全行业中用来检测和/或扫描爆炸物（例如，针对爆炸物和/或其他危险材料在机场检测和/或扫描行李）。可替换地，SERS可以在食品行业中用来检测水和/或牛奶中的毒素或污染物。

附图说明

图1描绘了根据本公开的教导构建的示例测试设备。

图2描绘了根据本公开的教导具有耦接到示例孔板的密封物的另一个示例测试设备。

图3描绘了图2的具有被添加到腔室的解析溶液的示例测试设备。

图4描绘了图2的示例测试设备和根据本公开的教导构建的示例读出设备。

图5-12描绘了制造可以用来实现图1和/或2的示例测试设备的示例孔板的示例过程。

图13图示了制作图1-4的示例测试设备的示例方法。

图14描绘了可以用来表示本文中公开的示例的示例模型。

某些示例在前面标识的图中示出并且在下面详细描述。这些图不一定按比例并且为了清楚和简明这些图的某些特征和某些视图可以按比例或示意性地夸大而示出。

具体实施方式

许多应用具有对于可以采用来检测感兴趣物质的存在的可靠设备的需要。例如，这样的测试或检测设备对于在机场、生产设施、食品加工设施、药物制备工厂等等检测爆炸物、毒素或危险物质的存在是有用的。一些已知的测试和/或检测设备的衬底针对过早暴露于环境和/或该衬底意图检测的物质（例如，分析物）保护不足。过早地将衬底暴露于环境和/或物质（例如，分析物）可以促使衬底氧化和/或一旦被故意暴露于物质而在检测物质时不那么有效。

本文中公开了用于分析各种物质的示例测试和/或检测设备。在一些这样的示例中，测试设备用于供可以用来在测试或检测设备中或在测试或检测设备上检测感兴趣物质的存在的表面增强拉曼光谱法、增强荧光光谱法或增强发光光谱法使用。本文中公开的示例测试设备包括金属和/或导电孔板和/或外壳，所述孔板和/或外壳保护测试设备的衬底免于在使用前暴露于环境和/或减少（例如，防止）衬底和/或相关联的表面结构的氧化或其他污染。附加地，与一些已知的设备相对照，本文中公开的测试设备包括一个或多个墨槽、一个或多个传感器和/或一个或多个加热器。所述（多个）墨槽可以用来可控地和/或精确地将溶液或化学品递送到测试设备的测试腔室。所述一个或多个传感器可以由感测电容器实现，所述感测电容器测量溶液或化学品的阻抗和/或电容以标识溶液或化学品的参数和/或性质。所述一个或多个加热器可以由低温电阻加热器实现，所述低温电阻加热器用来使溶液或化学品快速地变干以使测试设备准备好用于进一步分析。

在一些示例中，测试设备包括孔板、纳米结构/纳米颗粒位于其上的衬底、传感器和加热器。在一些示例中，为了使孔板与晶片和/或衬底耦接和/或集成，孔板的凹侧面被定位成面对衬底以使得在孔板与晶片和/或衬底之间限定腔室。在一些这样的示例中，传感器、加热器、（多个）纳米结构和/或纳米颗粒位于该腔室内。使（多个）纳米结构和/或纳米颗粒位于该腔室内基本上防止了（多个）纳米结构和/或纳米颗粒免于过早暴露于（多个）纳米结构和/或纳米颗粒意图检测的物质。孔板可以使用组合-接合（gang-bond）工艺（例如，接合到接合金属的热压缩）而耦接到晶片和/或衬底。为了减少或甚至防止（多个）纳米结构和/或纳米颗粒非故意地暴露于（多个）纳米结构和/或纳米颗粒意图检测的诸如分析物之类的物质，聚合物带覆盖孔板的（多个）流体入口、（多个）孔等。

为了使用示例测试和/或检测设备来试图检测感兴趣物质，在一些示例中，从孔板至少部分地移除聚合物带以使一个或多个流体口、一个或多个孔、腔室、衬底、纳米结构和/或纳米颗粒暴露于要测试的环境、化学品、物质、气体、分析物等等。附加地或可替换地，为了使用测试设备来试图检测感兴趣物质，物质或化学品可以通过由测试设备和/或衬底限定的孔和/或槽可控地递送到腔室。在衬底、纳米结构和/或纳米颗粒已经暴露于其存在要被检测和/或测试的环境和/或物质（例如，化学品、气体、分析物等等）之后，传感器可以测量物质的参数（例如，阻抗）值。为了基于所测量的参数确定物质的特性，处理器可以将所测量的参数与一个或多个参考参数相比较。附加地或可替换地，在衬底、纳米结构和/或纳米颗粒已经暴露于环境和/或物质（例如，化学品、气体、分析物等等）之后，加热器可以加热物质以增大物质在（多个）纳米结构和/或纳米颗粒上变干的速率从而使测试设备、纳米结构和/或纳米颗粒更快速地准备好用于进一步分析。

在暴露于环境和/或物质之后，和/或在物质在（多个）纳米结构和/或纳米颗粒上变干之后，将测试设备放置在示例读出设备中或者邻近示例读出设备。读出设备可以包括照射衬底、纳米结构和/或纳米颗粒的光源。在一些示例中，使用具有适当导向和/或过滤组件的光谱仪、光电检测器等等监视衬底、纳米结构和/或纳米颗粒所散射的光（例如，表面增强拉曼光谱法中的拉曼散射、增强荧光光谱法中的荧光或者增强发光光谱法中的发光）。在一些示例中，读出设备获得的结果显示于监视器上和/或指示检测到或未检测到正在测试和/或寻找的物质。

图1描绘了根据本公开的教导构建的示例测试和/或检测设备100。所图示的示例的测试设备100包括经由接合焊盘105耦接到金属和/或导电孔板和/或外壳104的衬底102。在所图示的示例中，孔板104限定第一和第二腔室106、107，传感器108、加热器110、纳米结构112和/或纳米颗粒114位于所述第一和第二腔室106、107中。纳米结构112和/或纳米颗粒114可以是圆锥形和/或柱形的。在一些示例中，在暴露于物质或化学品之后，柱形结构被拖拉到一起以形成具有可控几何结构的纳米颗粒组合件以用于增强的光谱分析。在一些示例中，在暴露于物质或化学品之后，圆锥形结构具有产生相对强的增强的相对锋利的尖端以用于光谱分析。在一些示例中，衬底102是透明的以使得能够检测和/或分析穿过衬底102的纳米结构108和/或纳米颗粒110。

所图示的示例的传感器108、加热器110、纳米结构112和/或纳米颗粒114位于邻近衬底102的表面115和/或接合焊盘105处和/或耦接到衬底102的表面115和/或接合焊盘105。所图示的示例的衬底102可以由诸如例如玻璃、塑料、纸、聚二甲硅氧烷、透明材料、橡胶和/或膜之类的任何合适材料制成。所图示的示例的孔板104可以由诸如例如金属、镍、金和/或铂之类的任何合适材料制成。所图示的示例的纳米颗粒114可以包括金和/或银和/或可以与诸如分析物之类的感兴趣物质反应、对所述感兴趣物质作出响应、收集所述感兴趣物质等的任何其他元素或化学品。

所图示的示例的纳米结构112和/或纳米颗粒114促进其被暴露于的分析物的检测。在一些示例中，分析物包含于被添加到腔室106、107的溶液或化学品中。所图示的示例的传感器108接地117。该示例的示例传感器108由测量添加到腔室106、107的溶液或化学品的阻抗和/或电容的感测电容器实现。来自传感器108的测量值用来确定溶液或化学品的特性。所图示的示例的加热器110由低温电阻加热器（例如，电阻器）实现，所述低温电阻加热器用来使溶液或化学品快速地变干以使测试设备100准备好用于进一步分析。

为了限定腔室106、107的部分，所图示的示例的孔板104包括限定孔和/或流体入孔134的锥形部分116、118、120、122、耦接部分124、126、128和顶部部分130、132。在一些示例中，耦接部分124、126、128和顶部部分130、132间隔分开且基本上彼此平行并且经由各自的锥形部分116、118、120、122进行耦接。如本文中使用的，短语“基本上平行”意指在约10度偏斜内的平行。在其他示例中，耦接部分124、126、128与顶部部分130、132间隔分开，但是耦接部分124、126、128不与顶部部分130、132平行。

如图1的示例中图示的，第一腔室106由锥形部分116、118和顶部部分130限定。第二腔室107由部分120、122和顶部部分132限定。在该示例中，耦接部分126耦接到衬底102。耦接部分122与衬底102结合以形成密封的密封物来分离第一和第二腔室106、107以使得第一物质可以添加到第一腔室106并且第二物质可以添加到第二腔室107而不混合。

为了围起所图示的示例的第一和第二腔室106、107，密封物136、138可移除地耦接到顶部部分126、128。所图示的示例的密封物136、138是密封的密封物。所图示的示例的密封的密封物136、138可以由聚合物带、塑料、透明材料、塑料片、箔材料、箔片、膜、蜡和/或聚二甲硅氧烷制成。

图2描绘了具有将要在一般地由箭头201所指示的方向上移除的密封物136的示例测试和/或检测设备200。图2中所示的示例的示例测试设备200类似于图1的测试设备100的第一半。作为结果，对图1的相同或相似部件的详细描述将在此不再重复。替代地，感兴趣的读者可参考前面对相似部件的描述以促进过程。相同的参考数字用来在图1和2中指代相同的部件。

在从测试设备200的孔板和/或外壳201移除密封物136之后，在示例测试设备200所位于其中的测试环境（例如，房间）内的空气和/或其他气体流经孔134并进入腔室106，在腔室106中空气和/或其他气体暴露于纳米结构112和/或纳米颗粒114。测试环境内的空气和/或其他气体可以或可以不包括纳米结构112和/或纳米颗粒114意图检测的分析物。

图3描绘了在已经从孔板201移除密封物136之后的示例测试和/或检测设备200。在图3的示例中，要分析的溶液或化学品302从储液器304通过由衬底308限定的孔和/或槽306被添加到腔室106。虽然图3描绘了在密封物136被移除的情况下具有被添加到腔室106的溶液或化学品302的测试设备200，但是在其他示例中，密封物136可以在溶液或化学品302被添加到腔室106时保持附接到孔板201。取决于测试环境，溶液和/或化学品302可以或可以不包括纳米结构112和/或纳米颗粒114意图检测的分析物。在一些示例中，在纳米结构112和/或纳米颗粒114已经暴露于溶液或化学品302之后，腔室106被密封物136和/或另一个密封物再覆盖以确保纳米结构112和/或纳米颗粒114在测试发生之后在暴露于非测试环境的情况下不被污染。在一些示例中，在纳米结构112和/或纳米颗粒114已经暴露于溶液或化学品302之后，传感器108测量溶液或化学品302的特性和/或值。在一些示例中，加热器110加热溶液以使溶液或化学品302更快地蒸发并且在纳米结构112和/或纳米颗粒114上留下一个或多个颗粒。（多个）颗粒可以包含正在测试的分析物。在一些示例中，溶液或化学品302的蒸发拖拉或促使纳米结构108更紧密地位于一起。

图4图示了在暴露于可以或可以不包含（多个）分析物的环境之后和/或在溶液或化学品302已经被添加到腔室106之后的图2的示例测试设备200。图4还图示了根据本公开的教导构建的示例读出设备400。在该示例中，读出设备400包括发射光子404到腔室106中的光源402。在所图示的示例中，光子被纳米结构112和/或纳米颗粒114散射。在一些示例中，散射光子406中的一些由读出设备400的光谱仪和/或光电检测器408检测和/或监视。是否已经检测到所述的物质取决于散射光子606的一个或多个特性（例如，频率偏移、波长改变，等等）。在一些示例中，读出设备400使用检测到和/或监视到的光子406以及适当的导向和/或过滤组件来生成显示于监视器410上的结果（例如，与存在或不存在要检测的分析物有关的信息）。附加地或可替换地，在一些示例中，读出设备400从传感器110接收（多个）测量值并且将（多个）测量值与参考值相比较以确定物质或化学品的特性。可以显示于监视器410上的特性可以是包含于物质或化学品内的分析物的名称。

图5-12描绘了制造可以用来实现图1和/或2的（多个）示例孔板104和/或201的示例孔板1200的一部分的示例过程。在所图示的示例中且如图5-7中所示，孔板1200使用心轴500制造。光刻胶602（图6）被涂敷于心轴500并且被图案化以形成（多个）光刻胶结构702（图7）。（多个）光刻胶结构702在随后的刻蚀工艺期间充当（多个）掩模。心轴502可以由玻璃、钠钙硅玻璃等制成。

图8示出了在经受使用氟化氢的湿法刻蚀之后的心轴500。光刻胶结构702在湿法刻蚀期间用作掩模，并且因此直接在掩模下方的（多个）区域未被刻蚀。在（多个）光刻胶结构702被移除之后，（多个）拉长、梯形和/或圆锥形结构802留在之前在光刻胶掩模下面的位置处。

图9描绘了在经受物理气相沉积工艺以添加（例如，溅射在上面）在心轴500上形成心轴掩模的不锈钢和/或铬的层902之后的示例心轴500。

图10描绘了在经受等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和光刻工艺之后的心轴500。PECVD工艺在层902上沉积碳化硅并且光刻工艺使沉积的碳化硅图案化以形成用来限定孔板1200的（多个）对应的孔1202的（多个）碳化硅结构1002。

为了形成孔板1200，在一些示例中且如图11中所示，心轴500浸入镀镍液中，该镀镍液电镀心轴500的表面1102各处除了非导电碳化硅1002所在之处。来自该液的镍因此限定孔板1200的（多个）图案、（多个）形状和/或（多个）特征。在将心轴500和孔板1200从电镀液中移除之后，可以将孔板1200从心轴500移除和/或剥离，如图12中图示的。在图12的示例中，（多个）孔位于与图10和11的（多个）碳化硅结构1002对应的（多个）位置处。

图13图示了生产图1-12的示例测试设备的示例方法1300。尽管参考图13的流程图描述图1-12的示例方法1300，但是可以采用实现方法1300的其他方法。例如，可以改变块的执行次序，和/或可以改变、消除、细分和/或组合所描述的块中的一些。

图13的示例方法1300通过在心轴500上通过光刻涂敷光刻胶且使光刻胶图案化（块1302）而开始。在一些示例中，使用氟化氢刻蚀（例如，湿法刻蚀、反应离子刻蚀（RIE））心轴500，在这之后移除光刻胶结构702并且清洗心轴500以显现之前在光刻胶掩模下面的（多个）拉长、梯形和/或圆锥形结构802（块1304、1306）。为了在心轴500上形成心轴掩模，心轴500可以经受物理气相沉积工艺以添加（例如，溅射在上面）导电材料、不锈钢和/或铬的层902（块1308）。为了涂敷非导电层和/或碳化硅以限定孔板1200的（多个）对应的孔1202，心轴500可以经受等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和光刻工艺（块1310）。可以在心轴500上通过光刻涂敷光刻胶并且使光刻胶图案化（块1312）。在一些示例中，使用氟化氢刻蚀（例如，湿法刻蚀、反应离子刻蚀（RIE））非导电层，在这之后移除光刻胶结构702并且清洗心轴500（块1314、1316）。

为了形成孔板1200，在一些示例中，心轴500位于和/或浸入电镀液中以形成金属外壳和/或孔板104、201和/或用例如金、钯和/或铑进行电镀（块1320）。在一些示例中，外壳104、201的导电性使得外壳104、201能够充当用于采样的电子端子。电镀液可以包括诸如镍、金和/或铂之类的金属。在一些示例中，电镀液的金属不针对碳化硅进行电镀，因为碳化硅不导电。因此，外壳104、201的孔130被限定在碳化硅所在之处，并且碳化硅因此可以用来控制孔130的尺寸。

在特定量的时间之后，在一些示例中，从电镀液中移除心轴500和外壳104、201、1302并且从心轴500移除和/或剥离外壳104、201（块1322）。传感器108和加热器110位于邻近衬底102的表面115处（块1323）。所图示的示例的外壳104、201然后被耦接到衬底102以使得传感器108、加热器110和纳米颗粒114位于由外壳104、201所限定的腔室106内（块1324）。为了围起腔室106和/或覆盖由外壳104、201所限定的孔130，将密封物132耦接到外壳104、201、1302（块1326）。方法1300然后终止或者返回块1302。

图14描绘了根据本公开的教导可以用于分析电路中的示例衬底、墨和/或化学模型1400。该模型1400包括第一电阻器1402、第二电阻器1404、第三电阻器1406、电极1408、1410和电容器1412。在一些示例中，电容器1412的电容对应于腔室106中的物质和/或化学品的电双层电容器的电容。在一些示例中，第一电阻器1402对应于腔室106中的物质和/或化学品的块体的电阻。在一些示例中，第一电阻器1402的电阻由离子浓度和/或量值确定并且与化学路径长度和/或横截面面积成比例。在一些示例中，第二电阻器1404的电阻对应于腔室106中的物质和/或化学品的块体和/或具有直接导电路径的路径的泄露路径电阻。在一些示例中，第三电阻器1410对应于传感器电路中的寄生电阻，其可以与金属层导电路径、触点等等相关联。

基于模型1400，在一些示例中，针对增益（Vout/Vin）提出传递函数。在一些示例中，腔室106中的物质和/或化学品的不同电阻和/或性质提供频率响应和/或信号。在一些示例中，可以分析该频率响应以标识腔室106中的物质和/或化学品的参数和/或特性。

如本文中阐述的，检测物质的示例设备包括限定第一腔室的外壳。衬底被耦接到外壳。衬底包括位于第一腔室内的纳米结构。纳米结构用于在暴露于物质时对该物质作出反应。设备包括位于第一腔室内的第一加热器。该加热器用于加热物质的至少一部分以使设备准备好用于分析。在一些示例中，第一加热器包括电阻器。在一些示例中，设备包括位于第一腔室内的传感器。该传感器用于测量物质的参数值。传感器不同于纳米结构。在一些示例中，传感器包括电容器。在一些示例中，参数值包括阻抗或电容中的至少一个。

在一些示例中，设备包括围起第一腔室的至少一部分以保护纳米结构免于过早暴露的密封物。在一些示例中，该密封物包括透明材料、柔性材料、可移除材料或聚合物材料中的至少一个。在一些示例中，外壳包括镍、金、铂、钯或铑。在一些示例中，外壳包括孔板。在一些示例中，外壳用金、钯或铑中的至少一个进行电镀。在一些示例中，衬底包括表面增强拉曼光谱法衬底、自激表面增强拉曼光谱法衬底、增强荧光光谱法衬底或增强发光光谱法衬底中的至少一个。在一些示例中，外壳限定外部可访问的第二腔室。纳米结构附加地位于第二腔室内。在一些示例中，设备包括位于第二腔室内的第二加热器。第二加热器用于加热物质的至少一部分以缩短直到第二腔室准备好用于分析的时间。

检测物质的示例设备包括限定腔室的外壳。衬底被耦接到外壳。衬底包括位于腔室内的纳米结构。纳米结构用于在暴露于物质时对该物质作出反应。设备包括位于腔室内的传感器。传感器用于测量物质的参数值。传感器不同于纳米结构。

制造检测物质的设备的示例方法包括将心轴浸入电镀液中以形成外壳。心轴包括与外壳的期望的孔或结构对应的图案或结构。该方法包括将外壳从心轴移除并且将外壳耦接到衬底。外壳用于限定加热器和衬底的纳米结构所位于其中的腔室。纳米结构用于在暴露于物质的情况下证明对物质的暴露。

尽管本文中已经描述了某些示例方法、装置和制品，但是本专利的覆盖范围不限于此。相反，本专利覆盖清晰地落入本专利的权利要求范围内的所有方法、装置和制品。

Claims (14)

1.一种检测物质的设备，包括：

外壳，限定第一腔室；

衬底，耦接到所述外壳，所述衬底包括位于所述第一腔室内的纳米结构，所述纳米结构用于当暴露于物质时对所述物质作出反应；以及

第一加热器，位于所述第一腔室内，所述加热器用于加热所述物质的至少一部分以使所述设备准备好用于分析;

其中所述纳米结构包括柱形结构，所述柱形结构从衬底延伸并且响应于所述物质的蒸发而被拖拉在一起;

其中所述外壳是导电的，从而使得所述外壳能够充当用于采样的电子端子；

其中所述衬底包括表面增强拉曼光谱法衬底、自激表面增强拉曼光谱法衬底、增强荧光光谱法衬底或增强发光光谱法衬底中的至少一个。

2.权利要求1所述的设备，其中所述第一加热器包括电阻器。

3.权利要求1所述的设备，进一步包括位于所述第一腔室内的传感器，所述传感器用于测量所述物质的参数值，所述传感器不同于所述纳米结构。

4.权利要求3所述的设备，其中所述传感器包括电容器。

5.权利要求3所述的设备，其中所述参数值包括阻抗或电容中的至少一个。

6.权利要求1所述的设备，还包括围起所述第一腔室的至少一部分以保护所述纳米结构免于过早暴露的密封物。

7.权利要求6所述的设备，其中所述密封物包括透明材料、柔性材料、可移除材料或聚合物材料中的至少一个。

8.权利要求1所述的设备，其中所述外壳包括镍、金、铂、钯或铑。

9.权利要求1所述的设备，其中所述外壳包括孔板。

10.权利要求1所述的设备，其中所述外壳用金、钯或铑中的至少一个进行电镀。

11.权利要求1所述的设备，其中所述外壳限定第二腔室，所述纳米结构附加地位于所述第二腔室内。

12.权利要求11所述的设备，进一步包括位于所述第二腔室内的第二加热器，所述第二加热器用于加热所述物质的至少一部分以缩短直到所述第二腔室准备好用于分析的时间。

13.一种检测物质的设备，包括：

外壳，限定腔室；

衬底，耦接到外壳，所述衬底包括位于所述腔室内的纳米结构，所述纳米结构用于在暴露于物质时对所述物质作出反应；以及

传感器，位于所述腔室内，所述传感器用于测量所述物质的参数值，所述传感器不同于所述纳米结构；

其中所述纳米结构包括柱形结构，所述柱形结构从衬底延伸并且响应于所述物质的蒸发而被拖拉在一起；

其中所述外壳是导电的，从而使得所述外壳能够充当用于采样的电子端子；

其中所述衬底包括表面增强拉曼光谱法衬底、自激表面增强拉曼光谱法衬底、增强荧光光谱法衬底或增强发光光谱法衬底中的至少一个。

14.一种制造检测物质的设备的方法，包括：

将心轴浸入电镀液中以形成外壳，所述心轴包括与所述外壳的期望的孔或结构对应的图案或结构；

将所述外壳从所述心轴移除；以及

将所述外壳耦接到衬底，所述外壳用于限定加热器和衬底的纳米结构所位于其中的腔室，所述纳米结构用于在暴露于所述物质的情况下对所述物质作出反应;

其中所述纳米结构包括柱形结构，所述柱形结构从衬底延伸并且响应于所述物质的蒸发而被拖拉在一起；

其中所述外壳是导电的，从而使得所述外壳能够充当用于采样的电子端子；

其中所述衬底包括表面增强拉曼光谱法衬底、自激表面增强拉曼光谱法衬底、增强荧光光谱法衬底或增强发光光谱法衬底中的至少一个。