CN115735114A - 用于确定目标分子的存在或浓度的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于确定目标分子的存在或浓度的装置，包括：辐射源；表面；波导；检测器；以及光谱滤波器。辐射源可操作以产生电磁辐射。表面限定二维阵列的受体地点。该波导被布置为接收由辐射源产生的电磁辐射，划分电磁辐射并将电磁辐射的一部分引导至二维阵列的受体地点中的每一个。检测器包括二维阵列的感测元件，每个感测元件被布置为从二维阵列的受体地点中的不同一个接收电磁辐射。光谱滤波器设置在表面和检测器之间。

Description

用于确定目标分子的存在或浓度的装置

技术领域

本公开涉及一种用于确定目标分子的存在或浓度的装置。该装置可以应用于例如测定(assay)(有时也称为分子相互作用测定)，该测定被布置成测量特定目标分子的存在或浓度。

背景技术

存在已知的能够报告或可视化生物分子之间的特定相互作用的技术。这种技术或测试可以被称为分子相互作用测定，其被布置成测量特定目标分子(可以被称为分析物)的存在或浓度。分子相互作用测定通常使用可以与分析物结合的生物受体。这种相互作用对生物受体和分析物的结合极其特定，就像钥匙和锁一样。通常，只有正确的分析物能够结合到生物受体上。

许多这样的测定还需要使用报告分子。通常只有当分析物已经结合到生物受体上时，报告分子才可操作以结合到分析物上。报告分子可以以某种方式报告分析物目标分子的存在。例如，报告分子可以使用：酶，如在酶联免疫吸附测定(ELISA)中；放射性，如在放射免疫吸附测定(RIA)中；或者更常见的是荧光团，如在荧光免疫吸附测定(FIA)中。

作为使用报告分子的替代方法，无标记的检测测定方法已经被开发出来，并且越来越受欢迎。一种已知的无标记检测方法是表面等离子体共振(SPR)。

使用表面等离子体共振作为无标记检测方法的一种布置(可以称为表面等离子体共振装置)包括棱镜，该棱镜在其一个面上设置有相对薄的金属层(例如金)。电磁辐射耦合到棱镜中，入射到棱镜和金属之间的界面上，从而发生全内反射。这在金属层中产生倏逝波，该倏逝波平行于棱镜和金属之间的界面(并且在入射平面中)传播，并且具有在垂直于棱镜和金属之间的界面的方向上指数衰减的振幅。

在金属层和相邻(介电)介质之间的界面处，可以产生表面等离子体激元。表面等离子体激元是金属层内电子(等离子体)和电介质中电磁振荡(激元)的一种耦合振荡。具体地，表面等离子体是在两层的界面处的集体传导电子振荡，这两层一层是金属(通常是贵金属)，第二层是电介质。如果金属层的厚度足够薄(相对于倏逝波的穿透深度)并且满足共振条件，倏逝波可以在金属层的与棱镜相对的一侧激发表面等离子体激元。这使用了来自入射电磁辐射的一些能量，因此降低了从棱镜和金属层之间的界面反射的电磁辐射的强度。

反射的电磁辐射被耦合出棱镜，并入射到检测器上，该检测器被布置成确定反射的电磁辐射的强度(该强度又取决于表面等离子体激元是否被激发)。

共振条件取决于入射电磁辐射的波长和入射角。共振条件还取决于金属和相邻(介电)介质的光学性质。如果金属在其表面上设置有生物受体，那么这些光学性质(以及因此共振条件)可以根据是否存在结合到生物受体的特定目标分子(或分析物)而变化。因此，通过测量与共振条件相关的信息，可以确定与金属层相邻的特定目标分子的存在和/或数量相关的信息。

在一些系统中，在金属层上提供多种不同的生物受体；每一个都被电磁辐射照射，并且从每一个反射的电磁辐射被单独的检测器检测。这种布置被称为成像SPR(iSPR)。

上述成像表面等离子体共振装置的一个挑战是共振条件非常窄，因此对入射电磁辐射的波长和入射角进行充分控制是很重要的。具体地，上述成像表面等离子体共振装置中的主要设计挑战之一是光学系统。通常，需要许多透镜来将光适当地投射到棱镜上，并观察成像传感器上的反射光。每个透镜都有特定的对准光路和焦距，以实现最佳照明和图像质量。具体地，为了正确操作，可能要求照射金属层的光学器件以0.1°量级的精度进行照射。

本公开的目的是提供一种用于确定目标分子的存在或浓度的装置，该装置解决了与现有技术方法相关联的一个或多个问题，无论是否在上面被识别。

发明内容

总的来说，本公开提出通过提供一种装置来克服现有布置中的问题，该装置在使用中在金属纳米颗粒中激发局部表面等离子体共振(LSPR)并使用光谱滤波器来采样LSPR的光谱共振曲线。通过提供多个受体地点来提供多个信号的多路复用，每个受体地点具有对应的检测器，并且波导被布置成接收由辐射源产生的电磁辐射，划分电磁辐射以及将电磁辐射的一部分引导至二维阵列的受体地点中的每一个。这种布置是有利的，因为它提供了一种具有非常高的复用度并且非常紧凑的装置。

根据本公开的第一方面，提供了一种用于确定目标分子的存在或浓度的装置，该装置包括：限定二维阵列的受体地点的表面；波导，其被布置成接收入射电磁辐射的至少一部分，划分电磁辐射以及将电磁辐射的一部分引导至二维阵列的受体地点中的每一个；检测器，包括二维阵列的感测元件，每个感测元件被布置成从二维阵列的受体地点中的不同一个接收电磁辐射；以及设置在表面和检测器之间的光谱滤波器。

有利的是，如现在所讨论的，根据本公开的第一方面的装置提供了具有非常高的复用度并且非常紧凑的装置。

用于确定目标分子的存在或浓度的一种现有技术装置是成像表面等离子体共振装置。一种类型的成像表面等离子体共振装置包括棱镜，其上设置有金属层以形成多个受体地点。这种类型的布置被设置成在金属层的外表面上产生激发表面等离子体激元。当特定分子结合到受体上时，邻近金属层外表面的介质的光学性质被改变。然而，这种布置具有棱镜和被布置成将辐射耦合进和耦合出棱镜的光学器件。因此，这种布置相当庞大，并且具有多个必须精确对准的光学组件。事实上，为了使该装置工作，光学器件的对准很重要，使得辐射以0.1°量级的非常小的公差以特定的角度进入棱镜。

与这样的已知系统相比，这里公开的本成像表面等离子体共振装置具有以下优点。首先，通过在表面和检测器之间提供光谱滤波器，检测器的每个感测元件接收来自一个受体地点的具有单一波长(或至少窄范围波长)的电磁辐射。这允许本装置使用局部表面等离子体共振装置，如现在讨论的。在使用中，在每个受体地点处的表面上提供金属纳米颗粒。纳米颗粒上涂覆有受体。例如，每个不同受体地点处的纳米颗粒可以涂覆有不同的受体。

局部表面等离子体共振(LSPR)发生在金属纳米颗粒、纳米壳或纳米结构的表面和电介质之间的界面处。当辐射入射到金属纳米颗粒上时，金属层的传导电子可以被激发，使得它们以高振幅相干振荡。局部表面等离子体共振的激发取决于辐射的波长。如果宽带辐射(例如白光或全光谱可见光)入射到金属纳米颗粒上，则散射效率具有最大共振频率。金属纳米颗粒的吸收光谱(例如，最大共振频率)取决于与金属纳米颗粒相邻的(介电)介质的光学性质。继而，与金属纳米颗粒相邻的(介电)介质的光学性质取决于特定目标分子的存在和浓度，该特定目标分子结合到涂覆有金属纳米颗粒的受体上。因此，通过确定与金属纳米颗粒的LSPR吸收光谱相关的信息，可以确定与涂覆有金属纳米颗粒的受体结合的特定目标分子的存在和浓度。

随着在受体地点结合到受体的特定目标分子(或分析物)的浓度变化，LSPR共振曲线也将变化。例如，在结合特定分子时，纳米颗粒的散射波长可能向光谱的红色端移动。设置在表面和检测器之间的光谱滤波器有效地对固定波长处的共振光谱进行采样。随着LSPR共振曲线在波长上移动，采样值将增加或减少。

如本文所用，应理解，受体旨在表示能够接收和结合其它物质的任何物质(例如分子)。受体可以包括许多生物分子中的任何一种，例如蛋白质、病毒等。

该装置还可以包括辐射源，该辐射源可操作以产生电磁辐射，并且由波导接收的入射电磁辐射可以包括该电磁辐射的至少一部分。

该装置还可以包括可操作以产生电磁辐射的辐射源，并且波导可以被布置成接收由辐射源产生的电磁辐射的至少一部分，划分电磁辐射以及将电磁辐射的一部分引导至二维阵列的受体地点中的每一个。

在一些实施例中，该装置可以包括可操作以产生电磁辐射的多个辐射源，并且波导可以被布置成接收由多个辐射源中的每一个产生的电磁辐射的至少一部分。

辐射源可以包括宽带辐射源。

例如，辐射源的光谱可以具有至少100nm的带宽。在一些实施例中，辐射源可操作以产生白光，即跨越可见光谱的辐射。

辐射源可以包括白光发射二极管。

该装置还可以包括设置在表面上的二维阵列的受体地点中的每一个上的金属纳米结构。

例如，金属微结构可以包括多个纳米颗粒。

纳米颗粒可以具有任何期望的形状。纳米颗粒的可能形状包括例如球形、立方体、树枝形或星形、杆形和/或双锥体形。LSPR的折射率单位(RIU)可以定义为周围(介电)介质的每单位折射率的LSPR共振曲线的偏移(以纳米为单位)。LSPR RIU取决于纳米颗粒的形状。一般来说，纳米颗粒的不对称度越高，RIU就越高。一般来说，较高纵横比的形状(例如杆形或双锥体形)会导致较高的RIU。

一般来说，希望纳米颗粒具有RIU相对较大的形状。一般来说，可能希望纳米颗粒具有能够以良好控制的尺寸和纵横比一致制造的形状。

金属纳米结构可以包括任何类型的金属。金属纳米结构可以包括贵金属。有利的是，贵金属不容易氧化。例如，金属纳米结构可以包括金纳米颗粒。

该装置还可以包括设置在每个金属微结构上的受体。

该装置还可以包括印刷电路板，并且检测器可以安装在印刷电路板上。

对于包括辐射源的实施例，辐射源和检测器都可以安装在印刷电路板上。

例如，辐射源和检测器可以在印刷电路板上彼此相邻。

波导可以设置在检测器和限定二维阵列的受体地点的表面之间。

波导可以包括大致平面的主体。限定二维阵列的受体地点的表面可以是所述主体的表面。

主体可以由玻璃形成。波导可以包括大致平面的主体。该主体可以包括在所述主体中形成的多个通道，每个通道被布置成接收由辐射源产生的电磁辐射的一部分，以及将电磁辐射的该部分引导至二维阵列的受体地点之一。通道可以例如由折射率大于主体周围部分的材料形成。

波导可以包括集成光学器件。这种集成光学器件可以被称为片上技术或片上光学器件。

波导可以包括集成光学板，该集成光学板被布置成在输入处接收由辐射源输出的电磁辐射，以及将电磁辐射散布在限定二维阵列的受体地点的表面上。

波导可以包括一个或多个漫射器、准直管、针孔和/或模制透镜。

波导可以包括多个分束器或光学波导分路器，其被布置成将入射辐射散布在限定二维阵列的受体地点的表面上。

波导可以包括一个或多个光栅结构，其被布置成产生干涉图案以及将辐射散布到限定二维阵列的受体地点的表面上。

该装置还可以包括处理器，该处理器可操作以根据从二维阵列的受体地点中的对应一个接收的电磁辐射的强度来确定目标分子的浓度。

检测器可以包括任何合适的电磁辐射检测器。合适的检测器包括例如单光子雪崩检测器(SPAD)、光电二极管、互补金属氧化物半导体(CMOS)二极管阵列和/或电荷耦合器件(CCD)阵列。

在一些实施例中，该装置可以包括一个或多个偏振器，其被布置成偏振辐射的一部分。在其他实施例中，可以省略这种偏振器。

该装置还可以包括一个或多个传感器，其可操作以确定一个或多个环境条件。

例如，该装置可以包括传感器，该传感器可操作以确定金属层附近的相对湿度、温度和/或压力中的一个或多个。

该装置还可以包括用于从检测器接收信号的用户接口。

例如，印刷电路板可以设置有USB端口，其可以形成用户接口的一部分。对于包括辐射源的实施例，用户接口也可以适于向辐射源提供信号。

光谱滤波器可以具有10nm或更小的半峰全宽带宽。

例如，光谱滤波器可以具有5nm或更小的半峰全宽带宽。

光谱滤波器可以包括二维阵列的单独的光谱滤波器，每个单独的光谱滤波器被设置为与二维阵列的感测元件中的不同一个相邻。

波导可以包括在波导主体中形成的多个波导通道，每个波导通道被布置成将辐射引导至主体内的多个离散位置中的不同一个，每个这样的离散位置与二维阵列的感测元件中的不同一个相邻。

每个波导通道可以由被包层材料包围的芯材料形成。包层材料可以使辐射局限于芯材料，从而引导辐射。

波导可以包括多个波导通道和波导分路器。

每个波导分路器可以被布置成接收来自辐射源的辐射的一部分，划分该电磁辐射，以及将该电磁辐射的一部分引导至两个波导通道中的每一个。波导通道和波导分路器可以连续布置，使得从波导分路器之一接收辐射的两个波导通道的每一个中的辐射可以继而被波导分路器中的另一个接收。

波导可以包括二维阵列的耦合光学器件，每个耦合光学器件被布置成将辐射耦合出波导并朝向二维阵列的受体地点中的不同一个。

每个耦合光学器件可以包括在波导的主体内的波导通道的端部处的图案化部分。

波导通道的端部处的图案化部分可以包括在波导通道的包层材料上形成的多个凹槽。

图案化部分可以例如形成在波导通道的包层材料的表面上，该表面远离二维阵列的感测元件中的相邻一个，并且靠近二维阵列的受体地点中的一个。图案化部分的凹槽可以具有任何期望的横截面形状。例如，图案化部分的凹槽可以是方形或圆形(例如圆的)凹槽。

可替换地，可以在波导通道的包层材料的表面上形成不同形式的图案化部分。用于将辐射耦合出波导通道的不同图案化部分的示例包括：包层材料中的孔；包层材料的较薄部分；具有不同折射率的包层材料(相对于包层材料的其他侧的折射率)；或者其它有凹槽或有图案化的结构。

可替换地，每个耦合光学器件可以包括镜子或棱镜。

每个耦合光学器件可以包括微透镜阵列，该微透镜阵列被布置成接收耦合出波导通道的辐射，以及将所述辐射作为照射光束引向二维阵列的受体地点中的一个。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本公开的一些实施例，附图中：

图1是根据本发明的装置的示意图；

图2示出了金纳米杆的示例局部表面等离子体共振吸收光谱；

图3示出了五种不同尺寸的纳米颗粒的局部表面等离子体共振吸收光谱；

图4示出了包括图1所示装置的装置；

图5示出了可以在图1所示装置的波导内形成的波导通道的示意性布置的平面图(俯视图)；

图6是与图1所示装置的检测器的单个感测元件相邻的波导部分的示意性表示的俯视图；

图7是图6所示的示意性表示沿线A-A的横截面视图；以及

图8是图6所示的示意性表示沿线B-B的横截面视图

具体实施方式

总体而言，本公开提出了一种装置，该装置在使用中激发金属纳米颗粒中的局部表面等离子体共振(LSPR),并使用光谱滤波器来采样LSPR的光谱共振曲线。光谱滤波器可以形成检测器感测元件的一部分。通过提供多个受体地点来提供多个信号的多路复用，每个受体地点具有对应的检测器，并且光学波导被布置成接收由辐射源产生的电磁辐射，划分该电磁辐射并将该电磁辐射的一部分引导至二维阵列的受体地点中的每一个。这种布置是有利的，因为它提供了一种具有非常高的复用度并且非常紧凑的装置，如现在所讨论的。

如现在所讨论的，这种装置的一些示例在附图中示出。

图1是根据本公开的装置100的示意图。装置100适于确定目标分子的存在或浓度。装置100包括：辐射源102、波导104、检测器106和光谱滤波器108。

辐射源102可操作以产生电磁辐射110。通常，辐射源102是宽带辐射源。例如，辐射源102的光谱可以具有至少100nm的带宽。在一些实施例中，辐射源可用于产生白光，即跨越可见光谱的辐射。在一个实施例中，辐射源102包括白光发光二极管。

检测器106包括二维阵列的感测元件112。在图1所示的实施例中，检测器106包括8×8二维阵列的感测元件112。应当理解，在图1的平面中仅示出了一行8个感测元件112，但是在平行于图1的平面的平面中有另外7行8个感测元件112。应当理解，在其他实施例中，可以有少于或多于64个感测元件112。

检测器106可以包括任何合适类型的电磁辐射检测器。合适的检测器包括例如单光子雪崩检测器(SPAD)、光电二极管、互补金属氧化物半导体(CMOS)二极管阵列和/或电荷耦合器件(CCD)阵列。在一个实施例中，检测器106是光电二极管112的阵列。可替换地，检测器106可以包括图像传感器。

检测器106可以具有任何期望的分辨率。在一个实施例中，检测器106包括16位模数转换器。然而，应当理解，在其他实施例中，106可以包括具有不同分辨率的模数转换器。

装置100还包括公共印刷电路板126。辐射源102和检测器108都安装在印刷电路板126上。具体地，辐射源102和检测器106在印刷电路板126上彼此相邻设置。波导104设置在辐射源102和检测器106上方。也就是说，辐射源102和检测器106设置在印刷电路板126和波导104之间。

波导104包括大致平面的主体。如图1中相当示意性地示出的，波导104可以包括两个大致平面的主体部分：与检测器106相邻设置的相邻主体部分114和远离检测器106的远端主体部分116。相邻和远端主体部分114、116被中央波导部分118分开。

如现在讨论的，远端主体部分116的表面120限定了二维阵列的受体地点122。每个受体地点122包括远端主体部分116的表面120的一部分，该部分与检测器106的一个或多个感测元件112相对。更具体地，每个受体地点122包括远端主体部分116的表面120的一部分，该部分可以发射辐射，该辐射可以被检测器106的对应感测元件112接收。因此，检测器106的每个感测元件112可以被认为被布置成从二维阵列的受体地点122中的不同一个接收电磁辐射。

波导104设置在检测器106和表面120之间，表面120限定了二维阵列的受体地点122。

光谱滤波器108设置在波导104的表面120和检测器106之间。在该实施例中，光谱滤波器108包括多个单独的光谱滤波器124，每个滤波器与检测器106的感测元件112中的不同一个相邻设置。

光谱滤波器108和/或多个单独的光谱滤波器124中的每一个可以包括任何期望类型的滤波器。合适的滤波器包括带宽相对较窄的带通滤波器，例如具有5至10nm的半峰全宽。合适的滤波器还包括干涉滤波器和/或二向色滤波器。通常，光谱滤波器108和/或多个单独的光谱滤波器124中的每一个可以具有相对窄的带宽，例如具有5至10nm的半峰全宽。

在该实施例中，光谱滤波器108包括多个单独的光谱滤波器124。多个单独的光谱滤波器124可以在不同的波长处或基本上相同的波长处采样。尽管在该实施例中，光谱滤波器108包括多个单独的光谱滤波器124，但是在替代实施例中，可以在检测器106的所有感测元件112上提供单个滤波器。

除了光谱滤波器106之外，检测器106的每个感测元件112可以设置有角度滤波器，以限制每个感测元件112的数值孔径。这可以有助于确保每个感测元件仅接收从其对应的受体地点122散射的辐射。

如图1示意性所示，波导的远端主体部分116在辐射源102和检测器106两者上延伸，而波导104的相邻主体部分114仅在检测器104上延伸。也就是说，波导104的相邻主体部分114不在辐射源102上延伸。因此，由辐射源发射的辐射110可以耦合到中央波导部分118中。这样，波导104被布置成接收由辐射源102产生的电磁辐射110的至少一部分。

在辐射源102和检测器106之间提供屏障128。该屏障可以防止由辐射源102发射的任何辐射110被检测器106直接接收。

波导104还被布置成对其从辐射源接收的电磁辐射110进行划分，以及将该电磁辐射110的一部分引导至二维阵列的受体地点122中的每一个。本领域技术人员可以理解，有许多光学布置可以允许波导以这种方式运作，现在讨论其中的一些。

波导104的主体可以由玻璃形成。例如，相邻和远端主体部分114、116可以由玻璃形成。类似地，中央波导部分118可以由玻璃形成。

在一些实施例中，中央波导部分118可以包括在波导104的主体中形成的多个通道。每个通道可以被布置成接收由辐射源102产生的电磁辐射110的一部分，以及将电磁辐射110的该部分引导至二维阵列的受体地点122中的一个。通道可以例如由折射率大于波导104的主体的周围部分的材料形成。

波导104可以包括集成光学器件。这种集成光学器件可以被称为片上技术或片上光学器件。

在一些实施例中，波导104可以包括集成光学板，该集成光学板被布置成在输入处接收由辐射源102输出的电磁辐射110，以及将电磁辐射散布在限定二维阵列的受体地点122的表面120上。

波导104可以包括一个或多个漫射器、准直管、针孔和/或模制透镜。

在一些实施例中，波导104可以包括多个分束器或光学波导分路器，这些分束器或光学波导分路器被布置成将辐射散布在限定二维阵列的受体地点122的表面120上。

在一些实施例中，波导104可以包括一个或多个光栅结构，该光栅结构被布置成产生干涉图案以及将辐射散布在限定二维阵列的受体地点122的表面120上。

波导104是不对称的光泄漏波导。具体地，波导104内的辐射110通过远端主体部分116泄漏(如虚线所示)。然而，波导104内的辐射110不会通过相邻主体部分114泄漏。波导104内的辐射110在多个离散位置处通过远端主体部分116泄漏，每个这样的离散位置与受体地点122中的一个相邻。由于辐射110在这些离散的地点处通过波导的远端主体部分116泄漏，或从该远端主体部分116耦合出来，因此可以从波导照射受体地点122。

应当理解，电磁辐射可以以各种不同的方式耦合出与受体地点122中的每一个相邻的波导104。例如，使用波导104的包层材料中的镜子、棱镜和/或图案，波导104内的辐射110可以在多个离散位置的每一个处通过远端主体部分116耦合出去。例如，波导104的包层材料中的图案可以包括在波导104的最靠近受体地点122的一侧提供：包层材料的孔或较薄部分、不同折射率的材料(相对于波导的其他侧的折射率)或凹槽结构。

如下面进一步讨论的，在使用中，在受体地点122处提供由受体功能化的纳米颗粒。波导104允许这些由受体功能化的纳米颗粒从侧面被照射，这可以激发局部表面等离子体共振。这导致辐射的散射，其可以由检测器106测量。由于波导104内的辐射110不会通过相邻主体部分114泄漏，所以由辐射源发射的辐射110不能直接照射检测器106。这是有利的，因为辐射源102对检测器106的这种直接照射将为LSPR测量提供背景。

有利的是，装置100允许表面和受体地点122被照射，同时使辐射源102与检测器106在同一PCB层中。

一般来说，在使用中，装置100在金属纳米颗粒中激发局部表面等离子体共振(LSPR),并使用光谱滤波器108结合检测器106来采样LSPR的光谱共振曲线。通过提供多个受体地点122来提供多个信号的多路复用，每个受体地点122具有对应的感测元件112。这种布置是有利的，因为它提供了一种具有非常高的复用度并且非常紧凑的装置，如现在所讨论的。

在使用中，金属纳米结构设置在波导的表面120上的二维阵列的受体地点122中的每一个上。例如，金属微结构可以包括多个纳米颗粒。

纳米颗粒可以具有任何期望的形状。纳米颗粒的可能形状包括，例如，球形、立方体、树枝形或星形、杆形和/或双锥体形。LSPR的折射率单位(RIU)可以定义为周围(介电)介质的每单位折射率的LSPR共振曲线的偏移(以纳米为单位)。LSPR RIU取决于纳米颗粒的形状。一般来说，纳米颗粒的不对称度越高，RIU就越高。一般来说，较高纵横比的形状(例如杆形或双锥体形)会导致较高的RIU。

一般来说，希望纳米颗粒具有RIU相对较大的形状。一般来说，可能希望纳米颗粒具有能够以良好控制的尺寸和纵横比一致制造的形状。

作为在表面120上沉积纳米颗粒的替代，在其他实施例中，纳米光刻可用于在表面120形成例如由金形成的纳米结构。

金属纳米结构可以包括贵金属。例如，金属纳米结构可以包括金纳米颗粒。

每个金属纳米结构都涂覆有受体。例如，每个不同受体地点122处的纳米颗粒可以涂覆有不同的受体。

局部表面等离子体共振(LSPR)发生在金属纳米颗粒、纳米壳或纳米结构的表面和电介质之间的界面处。当辐射入射到金属纳米颗粒上时，金属层的传导电子可以被激发，使得它们以高振幅相干振荡。局部表面等离子体共振的激发取决于辐射的波长。如果宽带辐射(例如白光或全光谱可见光)入射到金属纳米颗粒上，散射效率具有最大共振频率。金属纳米颗粒的吸收光谱(例如，最大共振频率)取决于与金属纳米颗粒相邻的(介电)介质的光学性质。继而，与金属纳米颗粒相邻的(介电)介质的光学性质取决于特定目标分子的存在和浓度，该特定目标分子结合到涂覆有金属纳米颗粒的受体上。因此，通过确定与金属纳米颗粒的LSPR吸收光谱相关的信息，可以确定与涂覆有金属纳米颗粒的受体结合的特定目标分子的存在和浓度。

随着在受体地点结合到受体的特定目标分子(或分析物)的浓度变化，LSPR共振曲线也将变化。一般来说，LSPR共振曲线取决于纳米颗粒周围直接附近的净折射率。空气的折射率通常为1，而气味分子的折射率通常为1.45左右。纳米颗粒被受体功能化，因此它们将选择性地允许气味分子的结合/相互作用。因此，在结合特定分子时，纳米颗粒的散射波长可能例如向光谱的红色端移动。设置在表面120和检测器106之间的光谱滤波器108有效地对固定波长处的共振光谱进行采样。随着LSPR共振曲线在波长上移动，采样值将增加或减少。

图2示出了金纳米杆的示例LSPR吸收光谱200，其最大共振波长为775nm。线202表示半峰全宽(FWHM)为5nm的840nm光谱滤波器。如果使用这种光谱滤波器108测量吸收光谱200(例如使用检测器106的感测元件112之一)，观察到的散射效率将大约是峰值的0.5。

图2还示出了已经用受体功能化的金纳米杆的示例LSPR吸收光谱204。一旦用受体功能化，消光峰移动到783.6nm。由滤波器采样的观察到的散射强度增加。图2还示出了金纳米杆的示例LSPR吸收光谱206，该金纳米杆已经用受体功能化并且已经结合了目标分子。该光谱206的消光峰进一步移动到789.2nm，总共移动了5.6nm。观察到的散射强度也进一步增加到0.65。如果检测器106的分辨率是16位，那么强度变化时的可观察精度是每级强度1.5×10⁵(当用0到1表示时)。

重要的是，检测器106仅接收与例如气味分子结合或相互作用的纳米颗粒的响应。为此，在检测器106上方提供光谱滤波器108(具体是单独的光谱滤波器124)。

有利的是，根据本公开的第一方面的装置100提供了一种具有非常高的复用度并且非常紧凑的装置，该装置与现有装置相比具有许多优点，如现在所讨论的。

用于确定目标分子的存在或浓度的一种现有技术装置是成像表面等离子体共振装置。一种类型的成像表面等离子体共振装置包括棱镜，其上设置有金属层以形成多个受体地点。这种类型的布置被设置成在金属层的外表面上产生激发表面等离子体激元。当特定分子结合到受体上时，邻近金属层外表面的介质的光学性质被改变。然而，这种布置具有棱镜和被布置成将辐射耦合进和耦合出棱镜的光学器件。因此，这种布置相当庞大，并且具有多个必须精确对准的光学组件。事实上，为了使该装置工作，光学器件的对准很重要，使得辐射以0.1°量级的非常小的公差以特定的角度进入棱镜。这种基于棱镜的SPR系统的主要问题是棱镜以及照明和检测系统的角度对准。由于这些严格的公差，大规模制造要么成问题，要么非常昂贵。

有利地，使用散射纳米颗粒的本装置100消除了这个问题。

与这样的已知系统相比，这里公开的本成像表面等离子体共振装置具有以下优点。

首先，不需要具有棱镜和透镜的庞大光学系统。相比之下，本装置100的波导104是扁平且紧凑的。事实上，装置100的完整成像系统可以减小到小于1立方厘米的体积，或者甚至减小到与移动电话中的当前相机模块相似的尺寸。辐射源102和检测器106设置在同一平面上(例如在公共PCB上彼此相邻安装，或者甚至在同一封装中)。

第二，该装置不需要将金层施加到光学器件，例如使用物理气相沉积(PVD)。这是有利的，因为金层PVD与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术不兼容，使得CMOS阵列和金层PVD需要在分开的地方制造。

第三，没有严格的对准要求或棱镜不对准的相关风险。因此，该系统可以更精确地构建，并且可以更可靠，具有更少的组件，因此成本显著降低。

通常，LSPR吸收光谱取决于纳米颗粒或纳米结构的尺寸和形状。因此，如果例如使用纳米杆，如果纳米杆的长度和/或纵横比有一些变化，那么这将影响LSPR吸收光谱。然而，由于LSPR吸收光谱(例如参见图2中的LSPR吸收光谱200)的大前沿，纳米颗粒的尺寸或形状的潜在变化将不会对系统产生重大影响，如现在参考图3所讨论的。

一般来说，只要LSPR吸收光谱被采样的波长(例如通过光谱滤波器108)对于LSPR吸收光谱的基本上整个位置范围保持在LSPR吸收光谱的一侧(优选在LSPR吸收光谱相当线性的区域)如同邻近金属纳米颗粒的折射率，那么就有可能测量目标分子与纳米颗粒的选择性结合。

图3示出了五种不同尺寸的纳米颗粒的LSPR吸收光谱300、302、304、306、308。纳米杆都具有20nm的宽度(直径)。图3示出了：共振波长为700nm的纳米杆的LSPR吸收光谱300；共振波长为750nm的纳米杆的LSPR吸收光谱302；共振波长为780nm的纳米杆的LSPR吸收光谱304；共振波长为808nm的纳米杆的LSPR吸收光谱306；共振波长为850nm的纳米杆的LSPR吸收光谱308。如线310所示，在～850nm的波长处测量强度(即，这是光谱滤波器对这些LSPR吸收光谱300、302、304、306、308进行采样的波长)。装置100将能够测量目标分子与共振波长为750nm、780nm和808nm颗粒的纳米杆的选择性结合，因为在每种情况下，曲线(参见LSPR吸收光谱302、304、306)可以向右移动，导致观察到的强度增加。还可以测量目标分子与共振波长为700nm的纳米杆的选择性结合，尽管线310处的采样是在LSPR吸收光谱300的一部分上进行的，该部分不是非常线性的，因此更难以正确地确定响应。因为在其处测量强度的波长(～850nm)与LSPR吸收光谱308的峰值一致，所以不可能测量目标分子与共振波长为850nm的纳米杆的选择性结合。

已经发现，装置100所采用的方法对于导致共振波长偏移超过50nm的尺寸变化是鲁棒的。这转化为20nm宽的金纳米杆的～20nm长度变化。继而，这相当于纳米颗粒尺寸变化的鲁棒性为～24％至33％。

为了获得指纹，可能需要同时测量多个受体。检测器106能够几乎同时测量64个点(例如用16位模数转换器)。利用这样的装置100，大多数感测元件112(例如60个感测元件112)可以用于不同的受体，并且剩余的感测元件(例如4个感测元件112)可以用于背景目的。这可以被描述为多路复用。

因为装置100将由于所使用的受体而磨损和老化，从而导致灵敏度的损失，所以希望装置100易于更换。现在参考图4描述提供这种功能的一种布置。图4示出了装置400，其包括图1所示和如上描述的装置100。装置100连同在受体地点122上提供的功能化纳米结构安装在可移除的子板卡402上。可移除子板卡402可以类似于(微型)安全数字(SD)卡。SD卡尺寸形状因子的优点是可用于执行通信和向装置100供电的引脚数量。

子板卡402为装置100提供了用户接口，用于向辐射源102提供信号和/或从检测器106接收信号。

有利的是，图4所示的装置400提供了一种特别节省成本的设计。有利的是，微型卡的形式可以适合可穿戴装置。有利的是，微型卡非常容易更换(例如，与诸如棱镜的光学器件相比)。

装置400还包括外壳404，外壳404设置有用于与子板卡402可释放地接合的端口406。外壳404(在图4中显示为部分剖开)设置有孔408，以提供流动通道，从而允许流体(例如气体)流410通过外壳404(并经过子板卡402上设置的装置100)。

装置400还可以包括处理器412，该处理器412可操作以根据从二维阵列的受体地点122中的对应一个接收的电磁辐射的强度来确定目标分子的浓度。

装置400还包括一个或多个传感器414，其可操作以确定一个或多个环境条件。例如，装置400可以包括传感器，其可操作以确定金属层附近的相对湿度、温度和/或压力中的一个或多个。对于气相应用，了解环境的相对湿度、温度和气压可能是有用的，因为所有这些变量都会影响纳米颗粒表面上气味分子的相互作用。传感器414可以设置在装置400的流动通道或空气导管中，以便获得关于结合的准确信息。

包含气味分子的空气样本可以通过使用泵被强制进入流动通道。可替换地，通过外壳404的流体流410可以通过空气漫射提供。使用漫射的实施例将较慢地产生响应，但是有利地，消除对诸如泵的有源元件的需要降低了装置400的复杂性和成本。

图5示出了可以在图1所示的装置100的波导104内形成的波导通道的示意性布置500的平面图(俯视图)。图5相当示意性地示出了包括8×8的二维阵列的感测元件112的检测器106。

装置500包括多个波导通道502和波导分路器504。每个波导分路器504被布置成接收来自辐射源102的辐射的一部分，划分该电磁辐射，并将该电磁辐射的一部分引导至两个波导通道502中的每一个。波导通道502和波导分路器504被连续布置，使得从波导分路器504之一接收辐射的两个波导通道502中的每一个中的辐射可以继而被波导分路器504中的另一个接收。

这样，在图5所示的示例布置500中，由第一波导分路器504接收的辐射在两个波导通道502中的每一个之间被划分。然后，这两个波导通道502中的辐射被四个波导通道502之间的两个波导分路器504划分。这四个波导通道502中的辐射然后被八个波导通道502之间的四个波导分路器504划分。然后，这八个波导通道502中的辐射被十六个波导通道502之间的八个波导分路器504划分。然后，这十六个波导通道502中的辐射被三十二个波导通道502之间的十六个波导分路器504划分。

这三十二个波导通道502可以被称为端部波导506。每个这样的端部波导506被布置成将辐射引导至多个离散位置508中的不同一个，每个这样的离散位置508与检测器106的感测元件112中的不同一个相邻。以这种方式，辐射被引导至与检测器106的一半感测元件112相邻的多个离散位置508。

尽管未示出，但是在图5所示的布置中，可以提供另一个波导，以将检测器106周围的光引导至检测器106的与辐射源102相对的边缘。在检测器106的该相对侧，类似于上述布置的另一布置500可以用于将辐射引导至与检测器106的另一半感测元件112相邻的多个离散位置508。

应当理解，在替代实施例中，波导通道502和波导分路器504的类似布置可以用于在与检测器106的感测元件相邻的不同数量或布置的离散位置508之间划分辐射。

应当理解，每个波导通道502可以由被包层材料包围的芯材料形成。包层材料使辐射局限于芯材料，从而引导辐射。

除了图5所示和上面描述的类型的装置500之外，波导104可以在多个离散位置508中的每一个处设置多个耦合光学器件，其被设置成将辐射耦合出端部波导506，如现在参考图6、图7和图8所讨论的。

图6是与检测器106的单个感测元件112(以及相关联的单独的光谱滤波器124)相邻的波导602的一部分的示意性表示600的俯视图。图7是图6所示的示意性表示600沿线A-A的横截面视图。图8是图6所示的示意性表示600沿线B-B的横截面视图

如图6和图7中相当示意性地示出的，波导602被布置成接收来自辐射源102的辐射，将其引导至与检测器106的感测元件112之一(以及相关联的单独的光谱滤波器124)相邻的多个离散位置604之一。例如，波导602可以是图5所示和上面描述的端部波导506之一。类似地，离散位置604可以对应于图5所示和上面描述的多个离散位置508之一。

如图7和8所示，波导602包括被包层材料608包围的芯材料606。包层材料608使辐射局限于芯材料606，从而沿着波导602引导辐射。应当理解(例如参见图5所示的装置500),波导602可以是在(图1所示和上面上面的波导104的)主体610中形成的多个波导之一。

波导602从辐射源102延伸到离散位置604。在波导602的端部提供不透明壁，以防止辐射传播出波导602并进入主体610。

在离散位置604附近，远离检测器106的感测元件112的波导602的包层材料608的表面设置有图案化部分614。图案化部分614包括在远离检测器106的感测元件112的波导602的包层材料608的表面中的多个凹槽。为了有助于理解，在图7和图8的横截面视图中示意性地示出了图案化部分614的这些凹槽。图案化部分614的凹槽可以具有任何期望的横截面形状。例如，图案化部分614的凹槽可以是方形或圆形(例如圆的)凹槽。

如图8示意性所示，图案化部分614在一角度范围内将辐射耦合出波导。微透镜阵列616与图案化部分614相邻地设置。微透镜阵列616可以包括模制聚光透镜阵列。微透镜阵列616被布置成准直经由图案化部分614耦合出波导602的辐射，并将其作为照射光束620以期望的入射角引向与感测元件112相邻的受体地点122。

如上所述，受体地点122可以设置有金属纳米结构622(例如金纳米颗粒)，其可以被受体功能化。

照射光束620在金属纳米结构622中激发局部表面等离子体共振(LSPR)，金属纳米结构622继而发射散射辐射624。散射辐射624的至少一部分入射到检测器106的感测元件112上(经由主体610和单独的光谱滤波器124)。

应当理解，图6、图7和图8中所示的以及上面描述的示意表示600仅仅是用于将辐射耦合出波导602并将其引导至受体地点122的布置的一个示例。

应当理解，电磁辐射可以以各种不同的方式耦合出与受体地点122的每一个相邻的波导104。例如，波导104内的辐射110可以使用波导104的包层材料中的镜子、棱镜和/或图案在多个离散位置604的每一个处耦合出去。

可替换地，不同形式的图案化部分614可以形成在波导602的包层材料608的表面上，该表面远离检测器106的感测元件112，设置有图案化部分614。用于将辐射耦合出波导的不同图案化部分的示例包括：包层材料608中的孔；包层材料608的较薄部分；具有不同折射率的包层材料(相对于包层材料的其他侧的折射率)；或其他有凹槽的结构。

附图标记列表：

100装置

102辐射源

104波导

106检测器

108光谱滤波器

110电磁辐射

112感测元件

114相邻主体部分

116远端主体部分

118中央波导部分

120表面

122受体地点

124单独的光谱滤波器

126印刷电路板

128屏障

200金纳米杆的吸收光谱

202光谱滤波器

204已经用受体功能化的金纳米杆的吸收光谱

206已经用受体功能化并且已经结合了目标分子的金纳米杆的吸收光谱

300共振波长为700nm的纳米杆的吸收光谱

302共振波长为750nm的纳米杆的吸收光谱

304共振波长为780nm的纳米杆的吸收光谱

306共振波长为808nm的纳米杆的吸收光谱

308共振波长为850nm的纳米杆的吸收光谱

310光谱滤波器

400装置

402子板卡

404外壳

406端口

408孔

410流体流

412处理器

414传感器

500波导通道的布置

502波导通道

504波导分路器

506端部波导

508离散位置

600装置的示意表示

602波导

604离散位置

606芯材料

608包层材料

610主体

614图案化部分

616微透镜阵列

620照射光束

622金属纳米结构

624散射辐射

本领域技术人员将理解，在前面的描述和所附权利要求中，诸如“上面”、“沿着”、“侧面”等位置术语是参考概念性图示(诸如附图中所示的那些)而做出的。这些术语是为了便于参考而使用的，但并不旨在是限制性的。因此，这些术语应理解为是指处于附图所示方位的对象。

尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应该理解，这些实施例仅仅是说明性的，并且权利要求不限于这些实施例。鉴于所公开的内容，本领域技术人员将能够进行修改和替换，这些修改和替换被认为落入所附权利要求的范围内。在本说明书中公开或示出的每个特征可以结合到任何实施例中，无论是单独结合还是已与在此公开或示出的任何其他特征的任何适当组合。

Claims (25)

1.一种用于确定目标分子的存在或浓度的装置，所述装置包括：

表面，其限定二维阵列的受体地点；

波导，其被布置为接收入射电磁辐射的至少一部分，划分所述电磁辐射和将所述电磁辐射的一部分引导至二维阵列的受体地点中的每一个；

检测器，其包括二维阵列的感测元件，每个感测元件被布置成从所述二维阵列的受体地点中的不同一个接收电磁辐射；以及

光谱滤波器，其设置在所述表面和所述检测器之间。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括能够操作以产生电磁辐射的辐射源，其中所述波导被布置为接收由所述辐射源产生的所述电磁辐射的至少一部分，划分所述电磁辐射以及将所述电磁辐射的一部分引导至所述二维阵列的受体地点中的每一个。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述辐射源是宽带辐射源。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的装置，其中所述辐射源包括白光发光二极管。

5.根据任一前述权利要求所述的装置，还包括设置在所述表面上的所述二维阵列的受体地点中的每一个上的金属纳米结构。

6.根据任一前述权利要求所述的装置，还包括设置在每个金属微结构上的受体。

7.根据任一前述权利要求所述的装置，还包括印刷电路板，并且其中所述检测器安装在所述印刷电路板上。

8.根据权利要求2所述的装置，还包括印刷电路板，并且其中所述辐射源和所述检测器都安装在所述印刷电路板上。

9.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述波导设置在所述检测器和限定所述二维阵列的受体地点的所述表面之间。

10.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述波导包括大致平坦的主体，并且其中限定所述二维阵列的受体地点的所述表面是所述主体的表面。

11.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述波导包括集成光学板，所述集成光学板被布置成在输入处接收由辐射源输出的所述电磁辐射，以及将所述电磁辐射散布到限定所述二维阵列的受体地点的所述表面上。

12.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述波导包括多个分束器或光学波导分路器，所述分束器或光学波导分路器被布置成将入射辐射散布到限定所述二维阵列的受体地点的所述表面上。

13.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述波导包括一个或多个光栅结构，所述光栅结构被布置成产生干涉图案，以及将所述辐射散布到限定所述二维阵列的受体地点的所述表面上。

14.根据任一前述权利要求所述的装置，还包括处理器，所述处理器能够操作以根据从所述二维阵列的受体地点中的对应一个接收的所述电磁辐射的强度来确定目标分子的浓度。

15.根据任一前述权利要求所述的装置，还包括能够操作以确定一个或多个环境条件的一个或多个传感器。

16.根据任一前述权利要求所述的装置，还包括用于从所述检测器接收信号的用户接口。

17.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述光谱滤波器具有10nm或更小的半峰全宽带宽。

18.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述光谱滤波器包括二维阵列的单独的光谱滤波器，每个单独的光谱滤波器被设置为与所述二维阵列的感测元件中的不同一个相邻。

19.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述波导包括形成在所述波导主体中的多个波导通道，每个波导通道被布置为将辐射引导至所述主体内的多个离散位置中的不同一个，每个这样的离散位置与所述二维阵列的感测元件中的不同一个相邻。

20.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述波导包括多个波导通道和波导分路器。

21.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述波导包括二维阵列的耦合光学器件，每个耦合光学器件被布置为将辐射耦合出所述波导并朝向所述二维阵列的受体地点中的不同一个。

22.根据权利要求21所述的装置，其中每个耦合光学器件包括在所述波导的主体内的波导通道的端部处的图案化部分。

23.根据权利要求22所述的装置，其中在波导通道的所述端部处的所述图案化部分包括在所述波导通道的包层材料上形成的多个凹槽。

24.根据权利要求21所述的装置，其中每个耦合光学器件包括镜子或棱镜。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的装置，其中每个耦合光学器件包括微透镜阵列，所述微透镜阵列被布置为接收从波导通道耦合出的辐射，以及将所述辐射作为照射光束引向所述二维阵列的受体地点中的一个。

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