CN105793692A - 包含波导的生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学设备(110)和对应的探测装置(100)，所述探测设备例如可以用于监测表面处的核苷酸序列的复制。在优选实施例中，所述光学设备(110)包括波导基底(130)，所述波导基底具有在底表面(132)上的线栅(140)，其中，所述线栅的孔(141)在至少一个方向(x)上小于输入光(IL)的特征波长(λ)。此外，衍射结构(120)被设置在所述基底(130)的相对的表面(131)上，以将输入光(IL)耦合到所述基底(130)，使得在所述孔(141)处发生相长干涉。因此，能够在这些孔中高效地生成渐逝波，从而例如允许对能够被探测器(160)感测到的荧光(FL)的表面特异性激励。

Description

包含波导的生物传感器

技术领域

本发明涉及使用可以被具体用在诸如核酸测序的生物感测应用中的波导的光学设备、探测器装置以及方法。

背景技术

US2010/096562A1公开了一种具有至少一个平面结构的介质，所述至少一个平面结构在一侧上具有多个孔。所述孔在一个方向上小于所述介质的衍射极限。邻近所述平面结构的样本介质能够被通过所述孔的渐逝波照射。

WO2009/001245公开了一种传感器，所述传感器包括：(i)基底，在所述基底中，具有预定波长的激励辐射可以传播；(ii)在所述基底的第一侧处的线栅，所述线栅具有至少一个孔或槽，所述至少一个孔或槽被布置用于利用包括要被探测的至少一个粒子的介质进行填充，所述介质经由所述激励辐射被激励；以及(iii)至少一个反射器件，其被布置在所述基底的与所述第一侧相对的第二侧处，以将传播到所述基底中并已经由所述线栅反射至少一次的激励辐射的至少部分朝向所述线栅进行反射。

US2010/0065726A1公开了用于在包括单分子分析反应的各种应用中使用的基底、方法以及设备。WO2006/135782A2公开了一种用于根据多个局部化的发光分析物来分离且基本上同时地探测发光的系统。所述系统包括：样本保持器，其具有被形成在其上以用于空间地分离并约束多个发光分析物的结构，每个发光分析物具有单核酸分子或单核酸聚合酶；光源，其被配置为照射所述样本保持器；以及光学组件，其被配置为分离且基本上同时地收集并探测与所述多个发光分析物相关联的光发射。所述系统还可以包括计算机系统，所述计算机系统被配置为分析所述光发射以确定与每个分析物相关联的靶核酸分子的结构或性质。

发明内容

基于该背景，提供用于尤其是在生物感测应用中的光学处理的更加有效和/或更加准确的手段将是有利的。

该目标是由根据权利要求1所述的光学设备、根据权利要求2所述的探测装置、根据权利要求3所述的方法，以及根据权利要求15所述的使用来解决的。在从属权利要求中公开了优选实施例。

根据第一方面，本发明的实施例涉及一种用于对与特征波长相关联且在下文中被称为“输入光”的光进行处理的光学设备。所述光学设备例如可以用在生物感测应用中并且包括如下部件：

–波导基底(在下文中被简要称为“基底”)，其具有第一表面和第二表面。

–反射结构，其被设置在所述基底的所述第一表面上。

–穿孔结构，其被设置在前述基底的所述第二表面上并且包括孔，所述孔具有在至少一个方向上小于所述输入波长的特征波长的直径。

所述反射结构包括在同一个组合的结构内的衍射表面，所述衍射表面允许将从外部进入所述基底的光进行衍射并对在所述基底中传播的光进行反射。

上文提到的“特征波长”是指适合于表征所述输入光的谱的波长的特定的、给定的值。其例如可以被定义为所述谱的最小波长、所述谱的最大强度(峰值)的波长，或者所述谱的均值波长。所述特征波长的典型值为大约350nm、大约450nm、大约550nm、大约650nm、大约750nm以及大约850nm。在由输入光激励荧光的情况中，所述“特征波长”通常对应于被用于对荧光团进行激励的操作波长(具有例如大约450nm的值)。

所述“波导基底”可以具有允许对输入光的传播的任何设计。根据波导的原理的传播，即，具有重复的反射和/或折射回到芯(core)，可以由基底本身或者优选结合穿孔结构和反射结构(作用为反射涂层)来实现。所述基底优选可以具有平面几何结构或平的几何结构，如板或层。此外，第一表面和第二表面通常彼此相对，例如位于板的相对的大的表面上。基底的承载穿孔结构的第二表面优选为(高)反射表面，例如，由金属组成或涂覆的表面。

所述“穿孔结构”任选地也可以具有平的或平面的几何结构。其例如可以被实现为遵循基底的第二表面的轮廓的层。穿孔结构或至少其孔的内表面任选地可以由金属构成，由此实现对孔内部的渐逝波的激励(如果孔被这样的光照射：所述光的偏振垂直于孔的短侧——即，该侧短于孔的特征波长)。由反射材料制作的穿孔结构可以额外地用于实现以上提到的基底的第二表面的折射率。此外，其中孔的直径小于特征波长的至少一个方向通常是平面穿孔结构中的平面内方向。所述孔可以由某种特定、典型透明的材料来填充，或者它们可以是“空的”(即，由附近的周围介质来填充)。

如关于优选实施例将更加详细地解释的，“反射结构”可以仅是(反射)材料的均匀层，或者其可以具有某种复杂的且光学相互作用的样式(在较为狭义词中的“结构”)。所述反射结构可以具有平的或平面的几何结构，其通常遵循基底的第一表面的轮廓。

穿孔结构和/或反射结构可以被直接设置在该基底上，或者可以任选地是在它们之间的一个或多个中间层。

根据第二方面，本发明的实施例涉及一种探测装置，所述探测装置包括如下部件：

–上述种类的光学设备，即，具有波导基底，所述波导基底在其第一表面和第二表面上分别具有反射结构和(优选为金属的)穿孔结构，其中，所述穿孔结构中的孔具有在至少一个方向上小于输入光的特征波长的直径。所述光学设备可以由在本应用中描述的其各种优选实施例中的任意实施例来实现。

–光源，其用于将与所述特征波长相关联的输入光发射到所述光学设备中。

–光探测器，其用于探测来自于所述光学设备的光。

所述光源可以是适合于生成具有期望特征波长的谱的输入光的任意种类的光源。所述光源例如可以是诸如激光器单元的单色光源。所述光源的偏振应当使得电场被取向在平面中并且垂直于所述穿孔结构中的洞(hole)的最短侧(即，小于所述波长)。

所述光源将通常被布置为使得所发射的光线以处在某给定范围内的入射角达到基底的选定表面。

所述光探测器可以是适合于探测来自于所述光学设备的感兴趣光的任意设备。所述光探测器例如可以是诸如CCD或CMOS芯片的成像设备，其允许生成所述光学设备的图像。

由所述光探测器探测到的来自于所述光学设备的光可以是“初级”输入光(在穿过和/或与光学设备相互作用之后)，或者其可以具有另一起源。在后一种情况中，光将典型地是“次级光”，所述次级光是由输入光以某种方式生成的，例如，已经由输入光刺激的荧光的光。

根据第三方面，本发明的实施例涉及一种用于处理与特征波长相关联的输入光的方法，所述方法包括经由被设置在基底的第一表面上的反射结构在波导基底中对输入光的传播，使得所传播的输入光到达在所述基底的第二表面上的穿孔结构的孔，

其中，所述反射结构包括在同一个组合结构内的衍射表面，所述衍射表面允许对从外部进入所述基底的所述入射光进行衍射并对在所述基底中传播的所述输入光进行反射。所述方法具体可以利用以上所述种类的光学设备或探测装置来执行。

所述光学设备和所述方法基于相同的原理，即，输入光在波导基底中传播，其中，输入光能够与穿孔结构的孔相互作用。针对所述光学设备(或所述探测装置)所提供的解释和定义因此对于所述方法也同样有效，并且反之亦然。

在下文中将更加详细地描述能够与以上定义的所述光学设备、所述探测装置和/或所述方法组合实现的各种优选实施例。

在一个基本实施例中，所述光学设备的所述反射结构包括衍射结构，所述衍射机构允许将输入光衍射到所述基底中。优选地，所述反射结构和所述衍射结构是相同的，即，由相同的实体来实现。该组合结构将既对光进行衍射，尤其是对从外部进入基底的输入光进行衍射，又对光进行反射，尤其是对在基底中传播的(输入)光进行反射。所述衍射结构通常构成在使用期间由输入光辐照的光学设备的外表面。

与前述实施例相关联的方法用于处理与特征波长相关联的输入光并且包括将输入光衍射到波导基底中，使得经衍射的输入光到达在所述基底的表面上的穿孔结构的孔。

经由在所述设备的所述第一表面上的所述衍射结构处的衍射，输入光能够被耦合到所述基底中。为了增强该输入光与所述第二表面的所述穿孔结构的相互作用，优选在穿孔结构的孔中的至少一个处发生已经被衍射的输入光的相长干涉。因此输入光的强度能够被聚集在(一个或多个)孔处，在那里产生光的高效的期望效应。

应当指出，在该背景中，可以根据理论思考和/或计算机模拟来找出反射/衍射结构、基底以及穿孔结构的合适设计。此外，可以通过利用输入光辐照被设置在波导介质上的某(任意)衍射结构(在相同条件下，例如入射角，其应当在应用期间稍后被使用)并观察相长干涉的区域在哪里来容易地获得工作实施例。然后可以选取波导基底的厚度，使得相长干涉的区域位于与反射结构相对表面上，并且穿孔结构能够被制造在所述表面上，其中，所述表面的孔刚好位于所述区域处。

所述衍射结构例如可以由相位光栅来实现，即，其中入射光的相位在空间样式中受影响的结构。相位光栅例如可以通过将适当的几何结构(例如，平行凹槽)加工到透明介质的表面中来实现，其中，所述介质的剩余部分可以稍后充当波导基底。当然，衍射结构的其他实现方式也是可能的，例如，使用全息光栅。

在光学设备(或探测装置)的另一基本实施例中，所述反射结构包括金属层。优选地，所述反射结构和所述金属层是相同的，即，由相同的实体来实现。所述金属层优选可以具有均匀、均质(“非结构化的”)几何结构。通常，其功能仅是将光反射回基底中。

由于前述金属层通常将是不透明的，因此输入光不能够通过该层进入基底，但通常将必须被耦合通过另一层中，例如，基底的侧面。为了辅助该处理并且为了提供在基底中的有利强度分布，光栅可以被设置在基底的侧面上，以将输入光耦合到基底中。应当指出，在该背景中，术语“光栅”应当基本上具有与“衍射结构”相同的意义。为了避免混淆，术语“光栅”将无论如何主要用于与基底的第一表面上的金属层组合应用的侧面上的衍射结构。

在另一实施例中，在下文中被称为“桥”且由光学传导材料制成的至少一个元件被设置在基底与穿孔结构的孔之间。该桥的直径应当大于孔的直径，所述孔的直径小于特征波长。此外，桥的最小直径优选是由中央波导中的驻波模式样式的周期来确定的，为p＝π/β_m。桥的最大直径是由保证长度来掌控的，在所述保证长度上，在波导内部仅单个模式(TE1阶)传播：使得桥太宽引起较高阶模式的出现并且因此减少了在ZMW上入射的场。使得桥直径更宽也引入额外的散射。针对最大宽度的典型值将是桥/ZMW间隔的10％。优选地，这样的桥被设置在穿孔结构的每一个孔处。由于其较大的直径，因此所述桥允许光从基底传输到孔，即使例如由于制造公差所述光的强度峰未准确地与孔对准。所述桥可以任选地由与基底相同的材料构成。

所述波导基底可以包括适合于支持输入光以期望的方式进行传播的任何材料。所述材料将通常具有针对输入光的高透明度。在优选实施例中，所述基底包括电介质层，例如，诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的透明塑料层或玻璃层。

所述穿孔结构的孔中的至少一个的设计优选使得其操作为针对输入光的零模式波导。这意味着：(i)输入光被平行于直径偏振，所述直径小于在波导中传播的输入光的特征波长，同时(ii)具有垂直于该直径的偏振的输入光不传播(在该情况中，将引入非传播渐逝场)。

所述穿孔结构的孔通常可以具有任何不规则或规则的几何形状、大小和/或分布(只要它们在至少一个方向上的直径小于输入光的特征波长)。优选地，所有孔可以具有相同的形状和/或大小和/或以规则的方式跨穿孔结构来分布。所述孔中的至少一个任选地可以具有伸长形状(例如，直线的形状)，其中，在这种情况中通常将垂直于伸长的轴来测量小于特征波长的孔的直径。额外地或备选地，所述孔中的至少一个可以具有诸如椭圆或圆形形状的紧凑形状。

优选地，所述穿孔层的所有孔具有相同的形状和大小并且被平行于彼此而取向。

在优选实施例中，所述穿孔结构包括线栅，即，具有由中间材料(“线”)分离开的平行的线状孔的结构。所述中间材料例如可以是反射输入光的金属。

所述输入光优选可以是偏振光。最优选地，偏振使得输入光被穿孔结构最大程度地反射回到基底中。例如在偏振的方向垂直于孔的直径小于特征波长的方向时，可以满足该条件。

所述穿孔结构任选可以包括专用物体(substance)，例如探测探头。这样的物体通常将被定位在穿孔结构的外部上(即，在其与基底相对的表面上和/或在孔中)，使得它们能够被要被处理和/或检查的介质进入。所述专用物体例如可以是充当复制模板的核苷酸序列。

在一个优选实施例中，在穿孔结构的孔处生成的渐逝波可以在邻近的样本材料中激励荧光。该方法尤其能够用于监测表面特异性过程，诸如单核苷酸到复制的核酸链(诸如DNA、cDNA)的并入，其中，激励的荧光允许确定在利用不同的荧光团标记的这些单核苷酸时当前哪种核苷酸(A、T、G、C)被并入。可以在例如US2011/10210094A1中找到关于这样的方法的详细内容。

本发明还涉及对用于核酸进行测序、分子诊断、生物样本分析、化学样本分析、食品分析和/或法医分析的上述种类的光学设备或探测装置的使用。

附图说明

参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得以阐明。在附图中：

图1示意性示出了根据本发明的实施例的包括具有衍射结构的第一光学设备的探测装置的透视图；

图2示出了在相位光栅后面的电场的计算的强度分布；

图3示出了得自图2的情形的沿着波导基底的表面的强度变化的曲线图；

图4示意性示出了包括具有作为反射结构的金属层的第二光学设备的探测装置的透视图；

图5示意性示出了包括具有作为反射结构和桥结构的金属层的第三光学设备的探测装置的透视图；

图6是示出了在图5的波导的段处的电场的幅值的计算的均值的曲线图。

在附图中相差100的整倍数的相似的附图标记指的是相同或相似的部件。

具体实施方式

将在下文中关于生物感测应用，尤其是对核酸的测序来解释本发明，尽管其当然也能够被用在许多其他应用中。

当前针对(DNA或RNA的)测序的大多数商业可用的系统使用某种形式的克隆扩增来增强要被检测的信号并且从而提高信噪比(SNR)。这具有三个优点：

–需要更加复杂的样本制备协议/处理，这使得在“样本-入结果-出”系统中的所有处理步骤的可期望的最终整合相当困难且成本更高。

–需要PCR扩增步骤，所述PCR扩增步骤引入了偏差(bias)，这是因为PCR将DNA的某些区域比其他区域扩增的更多。这种偏斜的扩增可以并且将使在检查中在DNA中发现的变化的平衡失真，并且因此当考虑到DNA(和RNA)测序数据的临床应用时是不期望的。

–扩增消除了甲基化的C(其在生物上是重要的，这是因为C核苷酸的甲基化作用在基因沉默中是关键的)并且将它们转化成“正常的”未甲基化的C。

市场上存在不使用克隆扩增但进行单分子测序以及对核苷酸并入过程的实时检测的单测序系统(加利福尼亚的太平洋生物科学公司的RSDNA测序仪)。归因于后一特征，该系统能够通过聚合酶并入甲基化的C较长时间来检测甲基化的C(J.Eid等人，Science323，第133-138页，2009)。

尽管从生物学的有用信息的观点提供了积极的属性，但是前述系统遭受的主要缺点在于需要高功率并且因此需要大的激光。在商业系统中，必须使用30W的激光。这意味着该系统对于广泛采用并在临床诊断时间中使用来说太贵了。

鉴于以上原因，在下文中将关于图1-3和图4-6分别讨论两种方法。所述方法使用衍射光学结构以便实现更为有效的渐逝场激励：一种是激励在平面内，并且备选的是激励沿着ZMW的平面。这里所提出的第一实施例通过使用被耦合到波导的线栅使得针对单分子检测所需的零模式波导结构的激励有效的多，在所述波导中，光被衍射光栅耦合。

图1示意性示出了根据前述方法的实施例的探测装置100。探测装置100包括三个必需的元件：

–光源150，其用于发射具有特征波长λ的输入光IL。所述光源例如可以是发出通常在大约350nm与800nm之间的范围的波长λ的基本上单色光的激光器，其中，所述波长在该范例中构成“特征波长λ”。如果发生具有较宽谱的发射，则“特征波长λ”例如可以被定义为该谱的最小波长。优选地，所发射的光是在y方向(即，平行于穿孔结构140的网格线)上线性偏振的。

-光学设备110，其包括波导基底130，波导基底130具有在第一(顶)表面131上的反射结构120和在第二(底)表面132上的穿孔结构140。由于反射结构120的必需特征(在该实施例中)在于其也是衍射性的，因此其将在下文中被称为“衍射结构”120。光学设备110基本上是平面的，平行于z，y平面以厚度w延伸，其中，输入光IL以角度θ(关于x轴)入射到该平面上。

–光探测器160，其用于探测来自于光学设备110的光FL，尤其是来自于穿孔结构的光FL。

在所示出的范例中，穿孔结构140是包括线状孔141或凹槽的“线栅”，所述线状孔141或凹槽在y方向上平行于彼此延伸并被小的金属线142(例如，铝)分开。波导基底130与穿孔结构或线栅140一起在其底表面上构成在下文中被称为“线栅基底”的结构。

线栅基底通常包括电介质(玻璃或塑料)基底，所述电介质在一侧上具有薄的金属层，所述薄的金属层具有作用为零模式波导的小洞。零模式波导是用于产生在电介质界面的表面附近的良好定位的非常薄的电磁场的有效器件。与表面特异性生物化学(例如，将特异性分析物结合到表面结合抗原)相组合，所述零模式波导能够用于检测如血液或唾液的人类样本中的特定蛋白质或DNA片段。在以上提及的太平洋生物科技公司的RSDNA测序仪中，被称为SMRT(单分子实时)的技术被用于实时检测DNA测序，请求保护更快、更为有效且更为准确的测序结果(Lundquist等人的“Parallelconfocaldetectionofsinglemoleculesinrealtime”(Opt.Lett，第33卷，第9期，2008，第1026页))。这样的系统能够使用包括零模式波导(ZMW)的2D阵列的基底，每个ZMW能够实时监测由单聚合酶分子对连续核苷酸的并入。能够使用荧光检测来完成对不同的核苷酸A、C、G、T之间的区分，其中，利用不同的荧光基团来标记四种核苷酸中的每种。针对有效的DNA测序，在单个试剂盒上要求10⁵至10⁶个这些ZMW检测室。同时利用有效的SNR读取来自所有这些ZWM的荧光，要求高功率(几十瓦特)的激光器系统来激励ZMW。由于该原因，对应的产品受限于大致10⁴个ZMW的实时荧光检测。

通过所提出的新颖的光学设备解决了这些问题，所述光学设备包括在一侧上的金属线栅基底(充当ZMW)和在另一侧上的衍射结构，例如，相位光栅。该光学设备充当一种光学波导，所述光学波导(i)在整个线栅下对激励射束IL中包含的能量进行重新分布，并且(ii)同时在ZMW的位置处创建增强强度的区域。使用该光学设备允许在ZMW的位置处创建电磁场强度，所述电磁场强度与使用光的远场聚焦(即，没有波导器件)对这些ZMW进行激励相比在幅值上强一级或两级。

在线栅基底中的孔或洞可以是矩形形状或圆形形状的，只要在一个方向上的尺寸良好小于激励光的波长。以此方式，具有在该亚波长尺寸方向上的偏振(TM偏振)的输入光被线栅透射，而垂直偏振(TE)被100％反射并将在孔内部创建渐逝场。结果，能够通过利用TE偏振光照射线栅基底来实现表面特异性光学感测。

在图1中，线栅140(“穿孔结构”)包括在基底130底侧处的金属条的规则阵列。在z方向上，两条相邻线142之间的距离e为大约1μm，并且两条线之间的孔141的宽度Δ为100nm的量级。在y方向上，孔141的长度b可以例如大约100μm，尽管对此在原则上没有限制。

在基底130的顶部上沉积相位光栅120。该相位光栅的目的是两部分：

(i)光栅对基底130内部的入射光IL进行衍射，其中，不同的衍射级自此被多反射在线栅140的金属表面处，以及衍射光栅120本身(充当“反射结构”)处。由衍射光栅120和金属层140确定边界的基底130从而充当波导，对基底内部的光进行重新分布。

(ii)通过仔细选取光学设备110的适当几何结构(例如，厚度为w且折射率为n₂的基底130，光栅间距为Λ且填充因数为f)，衍射级在孔141(ZMW)的位置处相长地进行干涉，从而在ZMW洞内部激励所要求的渐逝场。

此外，所述光探测器(或额外的光探测器)也能够被布置在另一位置处。关于图1，其能够例如被设置在光学设备110上方(即，在该实施例中在与光源相同侧上)。在该情况下，荧光FL不必在到达探测器之前经过样本介质。

已经使用分析方法模拟了图1中描绘的光学几何结构，对针对基底内部的不同的衍射级的反射系数进行相加同时在金属层与光栅层之间进行多重反射。也已经使用有限元法针对以上几何机构对麦克斯韦方程进行了求解。分析结果和FEM结果两者是良好一致的。

基底130的厚度w能够被调谐使得良好定义的强度最大值与到包括ZMW141的金属层140的界面处的基底的底侧132相一致。研究的目标是计算与激励射束IL的入射电场的幅值相比的ZMW的位置处的电场的幅值。

图2示出了针对光栅的FEM计算的范例，其中光栅周期Λ＝1μm，激励波长λ＝450nm，基底的折射率n₂＝1.6，光栅高度h＝500nm并且光栅分数f＝0.7。曲线图对应于在图1中(倒置过来)的相关联的x，y坐标中的波导基底130和穿孔结构140。针对基底厚度w＝33μm，人们能够清楚地看到在基底的边缘处的良好定位的高强度的斑点，ZMW被定位在所述高强度斑点处。该强度斑点的横向尺寸非常小，创建了相对高的电场分量。

为了估计该方法与例如将光的射束远场聚焦到ZMW上相比的效率，使用针对入射总体激励强度|E_输入|²＝1且针对λ＝450nm的FEM计算来确定在金属基底界面132处的电场分布。图3中示出了该计算的结果。由如下公式给出了在金属界面处的电磁能量强度U的增加：

得到能量强度因数为35.5的增益。

当将二元相位光栅与N_ZMW的零模式波导的平面体照射相比时，适当的品质因数是ZMW内部的渐逝电场的能量密度U_渐逝与所要求的激励射束的总体输入功率之间的比率。针对直接的比较，我们假设ZMW具有A_ZMW为0.1×100μm²的覆盖范围，并且假设它们被分开p＝1μm。针对二元相位光栅(BPG)的效率η能够被表达为：

为了在ZMW的系列的BPG与平的远场照射之间做出公平的比较，通过计算衍射限制的空气照射分布图(profile)与ZMW几何结构的重叠来针对远场激励估计ZMW内部的渐逝场。针对其尺寸为0.1×100μm²并且典型的聚焦NA为0.8的矩形形状的ZMW，该重叠为η_空气＝P_ZMW/P_空气＝0.17。单个ZMW内部的能量密度然后由下式给出：

得到针对远场(FF)照射的效率：

通过使用光栅，因此能够针对该特定范例实现激励效率的21倍的增加，构成线性ZMW的1D阵列(线栅基底)。

已经使用线性ZMW141针对线性线栅140执行了以上分析。针对圆形ZMW的2D阵列，已经示出：

(i)使用所提出的光栅-金属波导，光也能够被上聚集在二维中，得到甚至另外的渐逝场强度增益U_渐逝/P_输入，并且

(ii)与2D聚焦相比的照射效率的增益为大约为10的另一因数，这是因为大约1×1μm²的2维空气斑点分布必须被映射到具有大小为0.1×0.1μm²的ZMW上。

针对金属ZMW的2D阵列，ZMW内部的光学功率的总体耦合可以是与使用微透镜阵列的远场聚焦相比更为有效的100至1000的因数。

图4示意性示出了根据备选提议的具有光源250、光探测器260以及光学设备210的探测装置200的透视图。

如以上，光学设备210包括由波导基底230与在波导基底230的底表面上的穿孔结构或线栅240一起构成的线栅基底的光学设备210。基底230的顶表面现在由金属层220形式的反射基底所覆盖。由于在基底上的顶层和底层均优选是由金属构成的，因此光学设备200将在下文中也被称为金属-绝缘体-金属(“MIM”)波导。应当指出，该坐标系的定义不同于图1中的坐标系的定义。

光源250和光探测器260可以基本上与以上论述的装置100中的相同，但是光源250的布置现在使得其(垂直地)照射基底230的侧面。

MIM波导210提供备选设计以通过将在薄层中的输入光IL引导到刚好在ZMW线栅平面之上来增加在线栅240的ZMW位置241处的局部强度。由于波导基底230的芯具有比在光学设备110的以上光栅设计中被照射的区域小得多的横截面面积(x，y平面)，因此人们将期望使用该MIM波导解决方案来获得总体激励效率的更大增益。MIM内部的TE偏振场将作为若干TE偏振引导模式的总和来传播，所述TE偏振引导模式的传播常数β_m(由下面的公式给出)为实值。在正Z方向中传播的总场分布的部分由下式给出(其中，k₀＝2π/λ，n为折射率并且d为波导的高度，参见图5)：

E_总(x,z)＝∑_mE_y,m(x,z)

E_y,m(x,z)＝a_mu_m(x)exp(-jβ_mz)

$u_m\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{\frac{2}{d}}cos\left(\frac{m\mathrm{\π}x}{d}\right),m=1,3,\mathrm{5...}\\ \sqrt{\frac{2}{d}}sin\left(\frac{m\mathrm{\π}x}{d}\right),m=2,4,\mathrm{6...}\end{array}\right.$

$a_m=\sqrt{2d}{E}_0$

${\mathrm{\β}}_m=\sqrt{{\left(k_{0}n\right)}^2-\frac{m^2{\mathrm{\π}}^2}{d^2}}.$

针对该场到ZMW中的最大耦合，传播模式的场最大值需要与零模式波导241的实际位置相一致。此外，理想地，进单个模式(m)应当在波导内部传播以便确保沿着该模式的传播方向的相当均匀的强度分布。

后者可以通过使用在基底的顶部上的二元光栅并且将光栅级中的一个的传播常数与特定波导模式m的传播常数β_m进行比较来实现。图5示出了具有光源350、光探测器360以及修改的光学设备310的这样的探测装置300的实施例。光学设备310具有在侧面上的光栅370(或者，更一般地，衍射结构)，通过所述光栅370，输入光IL被耦合到波导基底330中。

图5的光学设备310也额外地解决了另一方面问题：

由于波导的有限长度L，传播模式m将被来回反射，得到具有周期为p＝π/β_m的波导内部的驻波样式。对应的强度最大值的确切位置从而强烈地取决于波导尺寸L和d。结果，在ZMW341的位置处的局部强度可以依赖于波导的制造容差。该问题能够通过将中间“桥”波导337并入在每个ZMW341与基底330之间来解决(应当指出，仅示出了线栅340的垂直延伸的部分)。桥337优选具有若干驻波周期p的宽度并且有效地将芯模式强度朝向ZMW转移。针对宽度“a”的最大值的典型值为相邻ZMW之间的间距的大约50％、大约40％、大约30％、大约20％、大约16％、大约12％、大约10％或大约5％。总体上，e通常使得比率a/e不超过在0.05与0.50之间的值(以0.01步进)。相邻ZMW之间的间距通常在大约0.5μm与大约10μm之间的范围，尽管其他值也是可能的。

后者被图示在图6的曲线图中，在图6中，在波导的节段处的电场的幅值(垂直轴，任意单位，m＝3)的均值以沿着针对L的两个值(即，L＝50μm(顶部曲线图)和L＝55μm(底部曲线图))的x轴的距离标绘出。利用100nm宽度的ZMW(由左边的一对垂直线示出的位置)，经耦合的场将随L变化。然而，利用约400nm宽度的桥BR(由右边一对垂直线示出的位置)，总的耦合场对于变化的L变得大致不变。使用分析计算和FEM模拟已经确认了由这些桥结构对中心模式强度到ZMW的有效且均匀的耦合。

总而言之，所描述的实施例使用零模式波导作为对分子或颗粒的表面敏感检测的有效方式。当在正确的条件下在零模式波导中进行照射时，没有光(即，没有模式)被允许传播。在线栅的相邻(即，金属)壁之间仅存在指数衰减的渐逝场。在一个实施例中，所提出的新型生物传感器结构包括(i)线栅基底，其充当零模式波导，以及(ii)衍射光栅，其用于在零模式波导中对照射强度进行有效耦合。电磁场计算示出了能够使用这样的结构得到关于激励强度的两个数量级，得到检测SNR的增加，所述检测SNR的增加可以用于数百倍地减少测量时间或者备选地能够用于减少所要求的激光器功率。

本发明除了别的以外还能够被用在生物感测的领域中，尤其是针对其中许多检测器位置需要被实时同时地监测的核酸测序应用中。

其遵从本发明的实施例的列表：

实施例1：一种用于处理与特征波长λ相关联的输入光的光学设备，包括：

–波导基底130、230、330，其具有第一表面131和第二表面132；

–反射结构120、220、320，其被设置在基底130、230、330的第一表面上；

–穿孔结构140、240、340，其被设置在所述基底130、230、330的第二表面上并且其包括孔141、241、341，所述孔具有在至少一个方向上小于特征波长λ的直径Δ。

实施例2：一种探测器装置，包括：

–对应于实施例1的光学设备110、210、310；

–光源150、250、350，其用于将与特征波长λ相关联的输入光IL发射到光学设备110、210、310中；

–光探测器160、260、360，其用于探测来自于光学设备110、210、310的光FL。

实施例3：一种用于处理与特征波长λ相关联的输入光IL的方法，所述方法包括在波导基底130、230、330中的输入光IL的传播，使得所述输入光到达在所述基底130、230、330的表面132上的穿孔结构140、240、340的孔141、241、341。

实施例4：根据实施例1的光学设备110，

其中，所述反射结构包括衍射结构120，衍射结构120允许将输入光IL衍射到基底130中。

实施例5：根据权利要求4的光学设备110，

其中，所述光学设备110被设计为使得在穿孔结构140的孔141处发生所述输入光IL的相长干涉。

实施例6：根据实施例4的光学设备110，

其中，所述衍射结构包括相位光栅120。

实施例7：根据实施例1的光学设备210、310，

其中，所述反射结构包括金属层220、320。

实施例8：根据实施例7的光学设备310，

其中，光栅370被设置在基底330的侧面上，以将输入光IL耦合到基底330中。

实施例9：根据实施例1的光学设备310，

其中，光学传导材料的至少一个桥337被设置在基底330与穿孔结构340的孔341之间，其中，桥337的直径大于孔的直径Δ，所述孔的直径Δ小于特征波长λ。

实施例10：根据实施例1的光学设备110、210、310或根据实施例3的方法，

其中，所述波导基底130、230、330包括电介质层。

实施例11：根据实施例1的光学设备110、210、310或根据实施例3的方法，

其中，所述穿孔结构140、240、340的孔141、241、341中的至少一个为零模式波导。

实施例12：根据实施例1的光学设备110、210、310或根据实施例3的方法，

其中，穿孔结构包括线栅140、240、340。

实施例13：根据实施例1的光学设备110、210、310，根据实施例2的探测装置100，或根据实施例3的方法，

其中，输入光IL是偏振的，尤其是使得偏振方向垂直于小于特征波长λ的直径Δ的方向。

实施例14：根据实施例1的光学设备110、210、310或根据实施例3的方法，

其中，所述穿孔结构140、240、340包括专用物体，尤其是诸如核苷酸序列的检测探针。

实施例15：用于对核酸进行测序、分子诊断、生物样本分析、化学样本分析、食品分析和/或法医分析的实施例1的光学设备110、210、310或实施例2的探测装置100的使用。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了某些措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储和/或分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线的电信系统。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (11)

1.一种用于处理与特征波长(λ)相关联的输入光(IL)的光学设备(110)，包括：

-波导基底(130)，其具有第一表面(131)和第二表面(132)；

-反射结构(120)，其被设置在所述基底(130)的所述第一表面上；

-穿孔结构(140)，其被设置在所述基底(130)的所述第二表面上并且其包括孔(141)，所述孔具有在至少一个方向上小于所述特征波长(λ)的直径(Δ)，

其中，所述反射结构(120)包括在同一个组合结构内的衍射表面，所述衍射表面允许对从外部进入所述基底(130)的光进行衍射并对在所述基底(130)中传播的光进行反射。

2.一种探测装置(100)，包括：

-根据权利要求1所述的光学设备(110)；

-光源(150)，其用于将与特征波长(λ)相关联的输入光(IL)发射到所述光学设备(110)中；

-光探测器(160)，其用于探测来自于所述光学设备(110)的光(FL)。

3.一种用于处理与特征波长(λ)相关联的输入光(IL)的方法，所述方法包括经由被设置在波导基底(130)的第一表面上的反射结构(120)在所述基底(130)中对所述输入光(IL)的传播，使得所述输入光到达所述基底(130)的第二表面(132)上的穿孔结构(140)的孔(141)，

其中，所述反射结构(120)包括在同一个组合结构内的衍射表面，所述衍射表面允许对从外部进入所述基底(130)的所述输入光进行衍射并对在所述基底(130)中传播的所述输入光进行反射。

4.根据权利要求1所述的光学设备(110)，

其特征在于，所述光学设备被设计为使得在所述穿孔结构(140)的所述孔(141)处发生所述输入光(IL)的相长干涉。

5.根据权利要求1所述的光学设备(110)，

其特征在于，所述衍射结构包括相位光栅。

6.根据权利要求1所述的光学设备(110)或者根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，所述波导基底(130)包括电介质层。

7.根据权利要求1所述的光学设备(110)或者根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，所述穿孔结构(140)的所述孔(141)中的至少一个为零模式波导。

8.根据权利要求1所述的光学设备(110)或者根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，所述穿孔结构包括线栅(140)。

9.根据权利要求1所述的光学设备(110)、根据权利要求2所述的探测装置(100)或者根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，所述输入光(IL)是偏振的，优选使得偏振方向垂直于小于所述特征波长(λ)的所述直径(Δ)的方向。

10.根据权利要求1所述的光学设备(110)或者根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，所述穿孔结构(140)包括专用物体，尤其是诸如核苷酸序列的探测探针。

11.对根据权利要求1所述的光学设备(110)或根据权利要求2所述的探测装置(100)用于核酸测序、分子诊断、生物样本分析、化学样本分析、食品分析和/或法医分析的使用。