CN1246664C - 用于确定由基质承载的受测样本薄膜厚度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

改进的偏振片椭圆测量仪能够提高信号质量和信噪比性能。这种改进是基于相对于一个固定的偏振片旋转另一个偏振片，以便产生与分析薄膜相关的AC模式信号。AC模式信号可以与背景信号比较，使用样本信号与背景信号的比值提供薄膜厚度的更精确测量。可以把不知厚度的归一化AC信号与对于确切厚度测量具有类似光学性能的薄膜产生的标准曲线比较，或者可以直接用于表示相对厚度值。还描述了本发明改进偏振片椭圆测量仪的其他变形，其中去掉一个或两个固定偏振片，以便通过减少光学元件的数量改善信号强度。设计这些变形应用于特别的薄膜和基质条件。

Description

用于确定由基质承载的受测样本薄膜厚度的装置及方法

本申请与申请号为60/147,682的美国临时专利申请有关，并以该临时申请为在先申请而要求优先权，该临时申请的申请日为1999年8月6日，这里结合该临时申请的全部内容，包括所有权利要求、附图和表格在内，以供参考。

技术领域

本发明涉及设计和操作简单的仪器，用于作为入射光变化或衰减的函数而测量薄膜厚度。本发明的装置和方法是对固定偏振片椭圆测量仪的改进，在固定偏振片椭圆测量仪中，可将薄膜厚度作为被薄膜所反射偏振光的椭圆度或偏振光旋转程度的函数。更具体地，本发明涉及椭圆测量仪的改进，用于在具体相关试验和其他应用中加快测量时间和降低椭圆测量仪的成本。本发明还涉及这样的仪器和方法：其中以薄膜所作的光衰减测量不再依赖于产生椭圆偏振光。

发明背景

本发明背景技术的以下描述只是用于帮助理解本发明，并非描述或构成本发明的现有技术。

通常用光学测量来确定薄膜的厚度。椭圆测量仪通过确定从薄膜反射的偏振光的椭圆度给出薄膜厚度信息。椭圆测量仪通常包括光源、偏振片、分析器、光学补偿器或四分之一波片、以及探测器。例如，5,936,734号美国专利公开了使用单一的、部分的、和/或多重的偏振电磁辐射，对图案样本进行椭圆测量的系统，而5,946,098号美国专利公开了包括棱镜形式延时元件的改进椭圆测量仪。

通常使用复杂的数学计算确定薄膜厚度。为了使用这些数学计算，椭圆测量仪必须精确对准旋转元件，以便测量探测器处的信号强度。必须使用昂贵的精确光学元件以便在薄膜厚度测量中优化探测器信号。测量时间长，但是椭圆测量仪能够提供精确厚度和折射率数据。

可以利用椭圆测量仪的元件旋转在探测器处提供作为时间和旋转元件的角速度函数的正弦强度曲线，如同美国专利5,581,350中公开的一样。在两个或多个分析器角度进行测量以便确定偏振片光轴的角度和实际分析器角度相对于它的标称角度的偏离。测量提供偏振片光轴的角度和偏振片角度相对于其标称角的偏离。该信息用于校准椭圆测量仪，但是装置根据传统的费时的原理操作，该原理需要精确对准旋转元件，以便测量薄膜厚度。类似地，美国专利5,877,859公开了旋转补偿器椭圆测量仪方法，依靠旋转补偿器产生具有直流分量、2ω分量和4ω分量的信号。

根据美国专利3,985,447，也可以不同角速度旋转光学补偿器和偏振片来测量所产生的作为时间函数的透射光强度。利用傅立叶分析确定薄膜反射的光的斯托克斯参数。以这种方式根据斯托克斯参数也可以计算薄膜厚度和薄膜反射率。该装置的缺点是系统需要附加元件，包括与时间相关的旋转补偿器。这些附加元件增加了系统的成本和复杂程度。

美国专利4,725,145公开了一种用于测量偏振态的仪器和方法。该仪器只包括光探测器。光探测器具有部分反射表面，并相对于入射光源以倾斜角放置。为光探测器所吸收的光产生电信号，该信号被探测并与光的偏振有关。偏振片可以旋转以便确定光是否具有偏振特性。在优选操作模式中整个系统旋转。改进在于仪器不包括任何波延时器或偏振片。系统可以包含一个或多个光探测器。吸收的光量是入射光的一部分，并与入射光源和入射面的方位定向有关。探测器表面以圆锥方式旋转。因此入射面是围绕并包含入射光的平面。电输出通过旋转调制，因此该调制是入射到探测器的光的偏振态的度量。

美国专利5,552,889公开了一种与温度无关的测量偏振光变化的方法。该方法分别检测光的AC和DC分量。该方法要求仪器设计成设置两个或多个偏振片，它们彼此不正交。然后在一个或多个光探测器处测量调制偏振信号。偏振信号的恒定分量的强度与标准偏振面的位置有关。偏振信号的交变分量被归一化为恒定分量，然后确定偏振的相位、振幅和位置。偏振信号刚好是线性的。该方法需要分光器以便产生两束光。

美国专利5,625,455公开了一种椭圆测量仪和椭圆测量方法。在该方法中，利用单色光源的反射可以测量复数介电常数、复数折射率、透射率、反射率、吸收系数、光密度和其他光学性能。使用该仪器和方法能够直接测量样品的光学和光谱性能，而不需要数学近似和波长频率扫描。光源应该是椭圆偏振的，入射角应该在0°和90°之间。通过积分和求和分析从样品反射或透射的数字化强度数据。积分消除躁声，使得该方法能够在任何分析器角度开始和停止。

在某些应用中，能够从类似椭圆测量仪的装置中去掉一些元件，以便降低制造成本，同时提供可以接受的精度水平。授予Sandstrom等的美国专利5,494,829描述了一种根据椭圆测量仪原理工作的装置，但是具有固定的偏振片和固定的分析器，由于没有光学补偿器和其他复杂光学元件，因此具有附加的成本优点。该装置用于相关试验分析以便确定生物化学反应是否产生表示患者发生细菌感染的薄膜分析物。

根据’829专利，抗原或抗体与基质结合并用分析物溶液培养，所述分析物溶液是制备成包括被测试是否感染的患者的体液样本。如果溶液中存在相应抗体或抗原，生物化学反应就在基质上产生薄膜。探测器处相对于界定阈值或背景值的信号强度表示阳性测试结果。通常校准装置以便测量特定抗原反应产生的薄膜厚度。

已经设计出许多光谱测量系统来分析薄膜厚度，尤其是光致抗蚀膜的厚度。这些仪器要求光学元件复杂排列或集中在薄膜的特定几何特特征上。仪器可能需要探测一个以上的波长或角度以便确定薄膜厚度。如果没有关于薄膜折射率的确切信息有几种方法就不能工作。光谱测量仪不能很好地测量反射率低的光学基质上的薄膜厚度。最严重的缺点是这些仪器获得的信噪比低。这些仪器还难以测量像非晶硅这样的薄膜。

例如，美国专利4,680,084描述了一种非常复杂的仪器，使用多个光源、透镜和分光器以及一个以上的探测器以便确定薄膜厚度。此外，该方法要求光学基质具有图案特征，对于入射光不透明。这些特征用于校正与薄膜厚度无关的探测信号。美国专利4,618,262描述了一种基于激光的测量蚀刻深度的干涉测量仪，利用光学基质上的具体特征确定蚀刻处理何时完成。在该方法中利用相邻峰值之间的距离确定蚀刻速率。当蚀刻处理到达光学基质时特征正弦图案终止。该方法必须能够以1-3微米数量级分辨每个特征，这一点是有问题的，因为激光束直径是700微米数量级。因此把这些小特征与背景分辨开是困难的。必须在系统中加入光学元件来解决这一问题。

美国专利5,494,829描述了使用简单的比色计或反射仪测量颜色变化或强度变化，以便分析相关试验结果。该信号是波长变化或波长范围内强度变化的函数，其中光学基质设计成产生可见干涉结果，从而产生作为厚度变化函数的颜色变化。

上述每一个描述本发明背景技术的美国专利，包括其所有表格、附图和权利要求书在内的全部内容，均在此引为参考。

还需要提供便宜的椭圆测量仪器，能够以可接受的精度测量各种有关试验或其他应用的薄膜厚度。这种需求可以通过椭圆测量仪或衰减光的其他薄膜机构解决，其中该装置能够进行测量，而无需不恰当地把时间花费在调整系统元件上，并且没有降低系统效益的不必要的光学元件。还需要提供便宜的反射测量仪器，对于各种相关试验和其他应用，根据多层薄膜反射原理，能够以可接受的精度测量薄膜厚度，不需要提供绝对厚度数据。反射测量仪器还应该能够完成测量，而不需要把时间花费在调整系统元件、获得信号或者分析信号上。本发明的仪器容易操作，而且数据分析简单。仪器性能是高度可预测的，因为对于任何认定相关试验系统的反映都可以模型化，而且仪器设计成分析具体的相关试验表面结构或一系列相似结构。

发明内容

本发明提供了用于测量薄膜厚度的装置和方法，包括AC模式固定的偏振片椭圆测量仪。AC模式的使用使得偏振元件不必进行精确调整，因此降低了装置的制造成本。在AC模式中，偏振元件之一例如分析器或偏振片以恒定速度整圈旋转以便在探测器元件上产生交变信号。装置与现有固定角度偏振片椭圆测量仪比较改进了信号，因为角度变化对厚度变化产生更陡峭坡度(即厚度变化产生大信号差)，因此产生较好的信噪比。当分析器或偏振片旋转时，从测试表面接收的信号随着分析器(偏振片)的旋转而变化，或者作为时间的函数变化。因此观测到的信号是准正弦曲线，振幅和相位以所分析的薄膜为特征。数据分析可以利用所产生的信号中的特征的任何组合，但是最好使用峰-峰差值作为具体薄膜的输出。例如，可以求所有峰值信号的强度的平均值并作为样本值输出。具体厚度数据可以通过比较未知样本的峰-峰数据相对于仪器对已知薄膜厚度输出的标准曲线得出。标准曲线是基于与将要分析的薄膜的性能类似或一致的薄膜，并沉积在与试验薄膜使用的基质结构一样的基质上。标准曲线也可以通过理论计算建立。AC模式椭圆测量仪设计成所有仪器参数都模型化，以便对于给定光学承载和薄膜层组合在预定厚度范围内具有最大厚度差。

其他仪器实施例(反射测量仪)涉及在测量从承载一个或多个薄膜的光学基质上反射的光的特性变化时，分别使用一个偏振片或不使用偏振片。通过去掉一个或两个偏振片，反射测量仪的设计不再复杂和昂贵。去掉偏振元件还具有提高信号强度的优点，因为任何光学元件都将导致一些信号附加损失。当只使用入射光的一个分量(即s或p偏振分量)时最好使用单一偏振片仪器。在单一偏振片仪器中可以去掉偏振片或分析器。

而且，在大入射角下，s和p光分量的操作方式几乎没有区别。因此，如果两个元件都用于测量薄膜厚度，例如在无偏振片的装置中，仪器性能与包括偏振元件的装置相同。因此，在其他实施例中，本发明涉及无偏振片的装置，使用大入射角的非偏振光。无偏振片的仪器设计成分析特定的光学基质，以便测量在薄膜厚度范围内的由于结合生物物质产生的薄膜或其他结合试验中产生的薄膜。将适应的厚度范围与将要进行的相关试验的类型有关。根据经验观察或薄膜反射理论的理论计算，可以选择入射光的适当波长和入射角度。

因此，能够选择一个适用于许多基于类似光学基质的不同相关试验的单一仪器设计。

在其他优选实施例中，本发明还提供了这里描述的任何把光强度变化与薄膜厚度变化相关联的装置的使用方法，确切厚度数据可以通过与相对已知薄膜厚度产生的标准强度曲线比较获得，其中标准曲线是相对光学上类似于试验薄膜的已知薄膜建立的。探测器信号强度可以不需校正就使用，或在使用比较探测器信号强度(即应用归一化函数)校正之后使用，所述比较探测器信号强度从负相关对照样本或其他背景测量中获得。

本发明克服了本领域人员所了解的上述问题，并且通过提供低成本装置而发展了该项技术，该低成本装置根据椭圆测量仪原理、以可接受的精度测量许多相关试验和其他应用的薄膜厚度。这些优点通过如下方式获得，即旋转偏振片或分析器以便从待试验的样本反射的光产生准正弦强度，和通过使用标准曲线或其他参考数据求出薄膜厚度的选择强度数值。这一原理使得这里描述的装置能够完成薄膜厚度测量，不需费时地调整系统元件，也不需要使用复杂机构和光学元件。系统制造成本低，因为它不需要使用光学补偿器、四分之一波片、和其他精确光学元件及元件调整。

因此，在第一方面，本发明描述了用于确定样本薄膜厚度的装置。该装置可以包括用于承载样本的基质；用于产生照射样本的电磁辐射的光源；位于光源与样本之间的第一偏振元件；用于探测从样本反射的电磁辐射的探测器；和位于探测器与样本之间的第二偏振元件。第一和第二偏振元件中的至少一个可以旋转以便随时间改变电磁辐射s和/或p分量。通过包括使用把薄膜厚度与探测器信号强度相关的标准函数的方法，使用从探测器获得的信号确定薄膜厚度。

在特别优选实施例中，该装置中可以包括下述一个或多个元件：(i)产生单色电磁辐射的光源，(ii)从包括可见光、红外光和紫外光的一组中选择电磁辐射，(iii)第一偏振元件构成旋转偏振滤光片，(iv)第二偏振元件构成旋转偏振滤光片，(v)第一偏振元件构成旋转偏振滤光片，第二偏振元件构成固定分析器，(vi)第一偏振元件构成固定偏振滤光片，第二偏振元件构成旋转分析器，(vii)旋转至少第一和第二偏振元件之一在探测器上产生准正弦强度信号，(viii)把薄膜厚度与准正弦强度信号的振幅相关联，(ix)把薄膜厚度与准正弦强度信号的峰-峰距离相关联，(x)由已知薄膜厚度构成对照样本，(xi)为负对照样本的对照样本，(xii)由把探测器强度信号与从负对照样本获得的比较探测器信号强度关联的归一化函数构成的标准函数，(xiii)为探测器信号强度与从负对照样本获得的比较探测器信号强度比值的归一化函数。

这里使用术语“样本”指任何能够沉积在基质表面上形成薄膜的物质。优选样本可以是有机材料，诸如生物材料(例如，核酸、抗体、抗原、受体、分析物、螯合剂、酶基质等)，或无机材料，诸如氧化硅、二氧化硅等。样本最好可以是含有这样的物质的溶液。这里所用的术语“负对照样本”是指任何没有薄膜的基质。这样的负对照样本可以用于提供来自装置的基准或者比较信号。

这里使用术语“膜层”和“薄膜”是指沉积在基质表面上的一层或多层样本材料。薄膜可以是大约1厚，大约5厚，大约10厚，大约25厚，大约50厚，大约100厚，大约200厚，大约350厚，大约500厚，大约750厚，大约1000厚，和大约2000厚。特别优选的是从大约5至大约1000的薄膜；最优选的是从大约5至大约350的薄膜。

这里使用术语“基质”、“光学载体”和“载体”是指装置内部用于被研究样本的载体。适当的基质可以由本领域技术人员已知的任何反射材料制成，并提供平面用于沉积样本薄膜。最好，基质是抛光硅晶片、铝或玻璃或镀有这些物质中的一种或多种的材料。例如，基质可以是镀有一层非晶态硅的聚碳酸脂膜，镀有铝或铬和非晶态硅光学薄膜的纤维材料，或者镀有金属和/或非晶态硅膜的陶瓷。选择基质主要考虑材料的反射率和/或它能够用反射材料镀膜的能力。

这里使用术语“光路”是指装置内电磁辐射可能通过的路径。光路的作用是把电磁辐射从光源引到要研究的样本，并最后到达探测器，所述探测器测量被样本反射的光的一个或多个性能(例如强度、偏振等)。光路可以包括装置的各种元件，诸如偏振元件，设置它们是为了使来自光源的接触到要研究的样本之前的电磁辐射和/或从要研究的样本反射的电磁辐射变成偏振的。光路最好只包括能够使探测器提供有助于薄膜厚度定性测定的信号的元件。这样的装置能够低成本推广到传统上不使用椭圆测量仪的应用上，例如在医生的办公室。

这里使用术语“光源”是指任何电磁辐射源。电磁辐射也可以称为“光”。这样的电磁辐射可以包括从大约10^-6μm到大约10⁸μm的波长；优选的是从紫外到红外波长的电磁辐射；特别优选的电磁辐射是可见光。适当的光源是本领域技术人员公知的，可以包括任何单色或多色辐射源。最好使用单色辐射。这里所使用的术语“单色辐射”或“多色辐射”光是指波段足够窄对于设计目的的作用能够象单一波长一样的电磁辐射。优选光源是激光器、激光二极管、和发光二极管。

这里所使用的术语“探测器”是指任何通过产生电或光信号探测电磁辐射的器件，包括光电倍增管、光电二极管、光化学试剂，驱动这些探测器产生模拟或数字信号，以及任何其他光探测器件。优选探测器通过产生的电或光信号探测电磁辐射，特别是可见光。信号处理元件能够处理这些信号产生这一信息，例如通过使用标准，把信号与薄膜厚度相关联。在特别优选的实施例中，薄膜厚度解释为相关试验结果，例如表示对特定分析物的试验试验结果为阳性、阴性、或者结果不确定。

这里所使用的术语“偏振元件”是指接收入射电磁辐射并由此产生偏振辐射的器件。适当的偏振元件诸如偏振滤光片和分析器是本领域技术人员公知的。如这里所述，偏振元件可以设置成把来自光源的接触到要研究的样本之前的光以及从要研究的样本反射的光变成偏振的。偏振元件可以固定在光路中。或者，一个或多个偏振元件可以包括一个机构，用于通过围绕光轴旋转偏振元件随时间改变偏振光的s和p分量，或者其中一个分量。最好，该机构旋转位于传统椭圆测量仪的偏振片或分析器位置上的偏振滤光片。旋转偏振滤光片使得从研究的样本反射的电磁辐射产生相应的准正弦强度。

这里使用术语“线偏振”是指基本上全部是s偏振或全部是p偏振的偏振状态。如果电磁辐射是线偏振的，任何一种线偏振状态，没有足够的另一种偏振状态影响测量输出。优选的是，线偏振滤光片可以绕其光轴旋转达到约20°而不产生明显的测量误差；更为优选的是，这一旋转限于约10°以内；甚至更为优选的是，这一旋转限于约5°以内，最为优选的是精确调整大约1°或更小。

在另一方面，本发明涉及测量样本薄膜厚度的方法。该方法可以包括：提供一个装置，该装置包括光源、偏振片、分析器、和探测器；把电磁辐射从光源引导向样本，从而电磁辐射从样本反射；使用偏振片把引导向样本的电磁辐射变成偏振的；使用分析器使得从样本反射的电磁辐射变成偏振的；旋转偏振片或分析器随时间改变偏振电磁辐射的s和p分量；使用探测器探测从样本反射的偏振电磁辐射，获得对应于反射电磁辐射强度的信号；和使用标准函数把信号与样本薄膜厚度相关联，所述标准函数把薄膜厚度与探测器信号强度相关联。也可以使用本领域技术人员公知的其他数据分析方法。

在具体的优选实施例中，方法中可以包括下面的一个或多个：(i)从具有不同光学特性的样本获得的多个标准函数中选择的标准函数，(ii)从负对照样本获得的比较探测器信号强度，(iii)包括归一化函数的标准函数，所述归一化函数把探测器信号强度与比较探测器信号强度相关联，(iv)归一化函数，它是探测器信号强度与比较探测器信号强度的比值，以及(v)偏振片或分析器，提供来自探测器的相应准正弦信号。

选择信号可以在对应于改变偏振光的s和p分量的偏振滤光片、或其他偏振元件的预定旋转度数的时间范围内获得。这些强度信号用作输入产生标准函数，例如经验或理论数据的标准曲线，通过一系列偏振旋转把薄膜厚度关联为探测器信号强度的振幅的函数。可以使用任何绘图技术关联或绘出对应于具体旋转度数的强度与薄膜厚度。这些其他绘图技术可以包括神经网络和适当的滤波器，但是并不限于此，在本申请的上下文中把网络和适当的滤波器都称为“标准函数”。

本发明的椭圆测量仪实施例的具体优点是该装置的操作不需要耗时的调整偏振元件的位置优化来自探测器的信号强度。更具体地，测量数据可以从偏振旋转周期的所有点上采集并用于建立准正弦信号的峰-峰距离。该峰-峰距离用作标准曲线的输入以便确定薄膜厚度。

椭圆测量仪实施例的一个具体优选特征是使用标准函数，该标准函数表示探测器信号强度与从负对照样本获得的比较探测器信号强度之间的关系。该归一化函数最好是探测器信号强度与从负对照样本获得的比较信号强度的比值，例如，

探测器信号强度除以从负对照样本获得的信号强度。

在另一方面，本发明涉及用于解释相关试验的薄膜厚度的装置，该装置包括用于承载样本的基质；用于产生照射样本的电磁辐射的光源；用于探测从样本反射的电磁辐射的探测器；位于光源、样本和探测器之间的光路；和用于把信号与样本上的薄膜厚度相关联的信号处理器。所述光路包括位于样本与探测器之间的固定偏振元件，用于把反射的电磁辐射变成线偏振的。探测器产生的信号对应于从样本反射的电磁辐射的强度。

在特别优选实施例中，装置中可以包括下述一个或多个元件：(i)产生单色电磁辐射的光源，(ii)最好从包括可见光、红外光和紫外光的一组中选择电磁辐射，(iii)在偏振片与探测器之间的光路上相对于入射面基本上是s或p偏振的线偏振电磁辐射，(iv)把薄膜厚度与薄膜相关试验结果相关联，以及(v)包括第一偏振元件的光路。

在另一方面，本发明涉及测量样本薄膜厚度的方法。该方法包括：提供一个装置，该装置包括光源、探测器、位于光源与样本之间的第一光路、和位于样本与探测器之间的第二光路；沿着第一光路把电磁辐射从光源引导到样本，以便电磁辐射被样本沿着第二光路反射到探测器；把沿着第一光路的电磁辐射在与样本接触之前的位置上变成线偏振的；使用探测器检测从样本反射的电磁辐射以便获得对应于反射电磁辐射的强度的信号；以及把信号与样本的薄膜厚度关联。

在具体的优选实施例中，方法中可以包括下面的一个或多个：(i)在偏振片与探测器之间的第二光路上相对于入射面基本上是s或p偏振的线偏振电磁辐射，(ii)把薄膜厚度与薄膜相关试验结果关联，以及(iii)在从样本反射的电磁辐射不偏振的情况下实施该方法。

根据本发明的光路包括了根据多膜反射理论原理工作的元件的特定组合。在具体优选实施例中，光路包括偏振滤光片，设置成在照射到要研究的样本之前光变成线偏振的。在其他优选实施例中，光路包括偏振滤光片，设置成在从要研究的样本反射之后光变成线偏振的。

在这两种仪器结构中，偏振元件无论位于入射电磁辐射的光路上还是反射电磁辐射的光路上，都是用于选择一个偏振电磁辐射分量，例如s或p分量。当偏振元件位于入射电磁辐射的光路上时，s或p偏振电磁辐射入射到要研究的样本上。在与研究样本发生作用时，电磁辐射相对于从没有加膜的研究样本反射的电磁辐射(即相对于负对照样本)产生振幅变化。反射的电磁辐射不是椭圆偏振的，而且偏振度没有变化。而是，只是相对于从没有加膜的样本反射的光发生了光衰减。当入射电磁辐射是非偏振的，从而反射电磁辐射也是非偏振时，发生类似情况下。在这种情况下，位于反射电磁辐射路径上的偏振元件只通过电磁辐射的一个分量到达探测器。

在另一方面，本发明涉及用于解释薄膜相关试验的装置，该装置包括用于承载样本的基质；用于产生照射样本的电磁辐射的光源；用于探测从样本反射的电磁辐射的探测器；位于光源、样本和探测器之间的光路；和用于把所述信号与所述样本上的薄膜厚度相关联的信号处理器。探测器产生的信号对应于从样本反射的电磁辐射的强度。

在特别优选实施例中，装置中可以包括下述一个或多个元件：(i)产生单色电磁辐射的光源，(ii)从包括可见光、红外光和紫外光的一组中选择电磁辐射，(iii)相对于样本和探测器设置成产生小入射角的光源，(iv)既不包括位于光源与样本之间的偏振片也不包括位于样本与探测器之间的偏振片的光路，(v)设置成入射角为从大约0°到大约30°范围内的光源，相对于样本平面的法线确定，(vi)设置成入射角为从大约0°到大约20°范围内的光源，(vii)设置成入射角为从大约0°到大约10°范围内的光源，(viii)把薄膜厚度与薄膜相关试验结果相关联，(ix)包括产生圆偏振光的偏振滤光片的光路，(x)位于光源与样本之间的光路上的偏振滤光片，以及(xi)位于样本与探测器之间的光路上的偏振滤光片。

在另一方面，本发明描述了测量样本薄膜厚度的方法。该方法包括：提供一个装置，该装置包括光源、探测器、位于光源与样本之间的第一光路、和位于样本与探测器之间的第二光路；沿着第一光路把电磁辐射从光源引导到样本，以便电磁辐射被样本沿着第二光路反射到探测器；使用探测器检测从样本反射的电磁辐射以便获得对应于反射电磁辐射的强度的信号；以及把信号与样本的薄膜厚度关联。在所述光路中的元件不移动时探测器处的电磁辐射优选为非偏振的。

在特别优选实施例中，该方法可以包括下述一个或多个：(i)设置成小入射角的光源，相对于样本的法线确定，(ii)既不包括位于光源与样本之间的偏振片也不包括位于样本与探测器之间的偏振片的光路，(iii)从大约0°到大约30°范围内的小入射角，(iv)从大约0°到大约20°范围内的小入射角，(v)从大约0°到大约10°范围内的小入射角，(vi)把薄膜厚度与薄膜相关试验结果相关联。

在这些优选实施例中，本发明描述了如下的装置，即光源和探测器在装置内设置成如下入射角：可以使用到达探测器的基本上偏振的反射光。在这样的装置结构中，光源可以设置成入射角在从大约0°到大约30°范围内，相对于样本平面的法线确定。最好，入射角可以是大约0°、大约5°、大约10°、大约15°、大约20°、大约25°、大约30°。要提供的电磁辐射的波长可以根据经验确定，使用本领域公知的多膜反射理论。通过这样的理论，选择波长是入射角、研究样本上的薄膜近似厚度和用于承载薄膜的反射表面的函数。

在任何反射测量实施例中，优选除了特别提到的以外没有其他偏振元件。例如，在第一反射测量实施例中，光在与研究样本接触之前变成偏振的，优选在样本与探测器之间没有偏振滤光片。类似地，在第二反射测量实施例中，光在与研究样本接触之后变成偏振的，优选在样本与光源之间没有偏振滤光片。在第三反射测量实施例中，优选没有任何偏振滤光片。

本发明中描述的成本最低的装置只是把光源安装在壳体或框架上，以提供适当入射角的方式、相对于基质和探测器而定位光源。从基质反射的光相对于入射光、或从没有膜层的表面反射的光而到达探测器。在这种情况下，光源是单色光源，组合元件既不包括位于光源与研究样本之间的偏振片也不包括位于研究样本与探测器之间的分析器。

本发明的具体优点是反射测量仪实施例的操作不需要调整偏振元件的位置。从仪器光路中去掉一个或多个偏振元件提高了到达探测器的光量。因此，仪器比传统仪器更灵敏，在传统仪器中光由于通过偏振元件而损失。更具体地，测量数据作为与界定值比较的探测器信号强度采集。该界定值与背景或负试验结果或薄膜厚度变化的其他指征相关联。在它最基本的形式中，根据表示有或没有薄膜或存在厚度大于预选阈值厚度的薄膜的信号强度测量值，试验结果的解释实质上就是回答是或否、阳性或阴性。在这样的优选实施例中，不需要计算实际的薄膜厚度，只要试验结果确实判定有或没有这样的薄膜。因为信号是薄膜厚度的函数，而薄膜厚度是样本中分析物浓度的函数，因此仪器也能够定量确定分析物的浓度，而不单纯确定薄膜厚度。

还可考虑，试验解释可以包括第三种指示，即指示因为信号强度落入确定负值与确定正值之间的数值范围内，试验结果是不确定的。

除了薄膜载体上的薄膜厚度增加的直接检测分析物相关结果的试验外，也可以设想厚度减小或分析物浓度与信号成反比关系的试验。这样的试验的例子包括薄膜表面的酶催降解，其中基质对于作为感兴趣分析物的酶是特定的，或者对照试验，其中分析物与增强试剂对照，而且随着分析物浓度提高薄膜厚度变化减慢。

仪器对于厚度变化的响应也可能是到达探测器的光强度提高了，或者到达探测器的光强度降低了。

附图说明

图1示出根据本发明的AC模式薄膜-分析仪器，其中偏振元件之一旋转；

图2示出使用AC模式薄膜-分析仪器的分析流程图；

图3示出根据本发明的薄膜-分析仪器，其中去掉分析器位置的偏振元件；

图4示出根据本发明的薄膜-分析仪器，其中去掉偏振片位置的偏振元件；

图5示出根据本发明的薄膜-分析仪器，其中去掉了所有偏振元件；

图6示出适合于使用本发明的任何薄膜-分析仪器进行分析的试验表面结构；

图7示出模型化的AC模式试验系统，其中结果是作为不同分析器角度厚度增加函数而强度增大；

图8示出模型化的AC模式试验系统，其中结果作为不同分析器角度厚度增加函数而强度减小；

图9a示出图8所示AC模式试验系统当分析偏振片旋转以便改变t聚合物膜上的相关试验薄膜的厚度时的理论原始准正弦数据。图9b描述了图8中的AC模式试验系统的理论最后输出；

图10a示出图7所示AC模式试验系统当分析偏振片旋转以便改变s聚合物膜上的相关试验薄膜的厚度时的理论原始准正弦数据。图10b描述了图7中的AC模式试验系统的理论最后输出；

图11描述了单一偏振片仪器与特定表面结构结合的理论输出；

图12描述了没有偏振元件时仪器在小入射角下的作为入射光的偏振状态函数的理论输出。

具体实施方式

图1是根据本发明的薄膜分析仪器100的示意图。光源102安装成相对于第一偏振滤光片或偏振片104和底座106成固定关系。薄膜承载基质108放置在承载表面110上。旋转分析器即第二偏振滤光片112与探测器114连接或一体形成。可能仪器结构涉及包括第二偏振滤光片和探测器114的组合装置，其中分析器被步进电机116旋转，然而这是不太期望的结构。控制器118控制步进电机116的转动，并从探测器114接收信号。

光源102可以是任何电磁辐射源，包括多单色光源和单色光源，但是最好是单色光源，诸如激光器、激光二极管、或LED。光源102沿着第一光路部分120发射光照射薄膜承载基质108。该第一光路部分120上的光由于第一偏振元件104的作用变成偏振光，所述第一偏振元件最好是线偏振滤光片。

底座106包括第一支柱122，该支柱选择承载光源102以如下方式发射光，即第一光路部分120的角度为φ₁，表示对基质108的垂线124的偏离。第一光路部分120可以包括窄光束或较宽准直光束。在任何一种情况下，第一光路部分120位于光束中心。可以通过一对垂直设置的螺钉、滚珠支枢摩擦夹钳或任何其他传统可选择的调整机构(图1中一个也没有示出)进行选择调整。第二支柱126提供类似的调整机构(图1中未示出)，以便把包括步进电机116、探测器114和第二偏振滤光片112的组件沿着第二光路部分128定心。该第二光路部分128偏离垂直方向的角度为φ₁。凹陷或凹坑130形成在表面110上，用于把基质108相对于第一和第二光路部分120和128位置对准。

选择探测器114以便探测波长与光源102发射并被测试表面132反射的光的波长相应的光。探测器提供以系统电子部分支持的任何单位代表的探测器上的光强度。探测器114把这些信号传输给电缆134上的控制器118，控制器118解释这些信号以便确定薄膜厚度。控制器118还控制步进电机116的转动，步进电机116围绕分析器112的光轴旋转分析器。还可以去掉步进电机116而旋转分析器112。

应该理解光源102的壳体136可以选择包括类似于步进电机116的步进电机，该电机可以利用来自控制器118的指令启动。因此，可以旋转偏振片104和分析器112之一实现本发明的目的。因为旋转偏振元件之一，所以不需要如同现有技术中固定偏振片仪器那样精确调整两个偏振元件。

在图1的AC模式仪器中，产生不同偏振状态的光。当偏振片104旋转时偏振状态的变化的光可以入射到要分析的表面上。或者当分析偏振片(偏振片112)旋转时从表面反射的光可以通过偏振状态分类。在任何一种情况下，入射到薄膜的光的偏振状态也被光通过从基质/薄膜分界面和薄膜/空气分界面的路径和反射而改变。从表面反射的光的偏振状态的衰减因而强度衰减是入射到薄膜的角度和薄膜厚度的函数。为了讨论，假设单一薄膜成分。通过假设每个薄膜反射的光附加到从上面的薄膜界面上反射的光上，仪器中也可以使用多个薄膜。组合结果是反射向下一层或探测器的光。收集来自测试表面的信号作为偏振片旋转的函数，而不是固定偏振片的现有仪器中的固定直接测量。偏振片旋转产生本质上为准正弦的信号，而且能够控制峰-峰信息。峰-峰信号的变化是薄膜厚度的函数。因为这两个值中的任何一个大于同一薄膜的直接测量值，仪器的AC操作提高了仪器的灵敏度和精确度。另一个优点是AC测量不受非常低频时存在于光探测器和电子放大器中的1/f躁声的影响。躁声的减小以及厚度灵敏度的提高使得仪器相对于传统仪器进步了。此外，本发明的装置不需要象传统椭圆测量仪中那样确定反射光的实际相位，只需要分析反射光的强度。本发明的仪器不需要确定光的相位来确定薄膜厚度数据。

根据用于承载相关测试的薄膜的光学基质的光学性能、折射率、反射率等选择入射光的入射角和波长。这些仪器装置也受在相关测试中可能遇到的厚度范围影响。这些参数可以使用许多薄膜反射理论软件包模型化。

AC模式方法

使用图1所示仪器的过程如图2的流程图所示。过程P1000从步骤P1002开始，在该步骤用户把分析样本放置在仪器100上。该放置步骤对应于把基质108放置在凹坑130中。此时，使用键盘或其他输入装置选择设备校准完成的一种测试，例如从相关测试中选择。相关测试的例子包括人类免疫缺陷病毒、(HIV)I或II或其组合、链球菌群A、链球菌群B、Respiratory Syncitial病毒、肝炎B、衣原体族和疱疹病毒的免疫测定。

步骤P1004开始绕轴旋转偏振滤光片。这些滤光片包括偏振片104和分析器112，但是在任何一种仪器结构中只旋转一个偏振元件。

旋转步骤P1004产生交变或准正弦I_out探测器信号。利用传统模拟或数值方法读出这些信号的峰-峰数值。

步骤P1008涉及把在步骤P1006获得的信号强度数值归一化。如上所述，通过把强度信号除以同一旋转周期上对于已知厚度样本的相应强度信号完成该归一化，例如负控制或背景样本。通过把负对照样本的峰-峰数值分为研究样本的峰-峰数值实现归一化。整个分析时间依赖于数据分析中测量和使用的周期数。随着周期数增加，结果精度将提高，然而，因为仪器设计成提供快速测量，采集的周期数应该最少。也可以调整一个周期内测量点数以便提供希望的精度水平，同时保持快速分析时间。

在步骤P1010控制器118把计算的数值与标准曲线比较。通过把归一化强度信号的大小从最大到最小排列并从最大值中减去最小值获得峰-峰数值。或者，数值可以从旋转周期中预选的点或数值范围内并彼此相减获得。AC信号通过模拟或数字方法测量，而且测量的数值总是与峰-峰数值成比例，比例因此与所使用的方法有关。数字方法提供点点数据，而模拟方法提供根据预选的数据归约算法分析和获得数据。因此，最好Y轴的归一化峰-峰强度数据与X轴上的薄膜厚度之间具有单一联系。该联系通常通过从具有已知厚度的样本获得的经验数据的二次或三次最小二乘拟合实现，但是也可以通过白领域人员已知的其他方法实现。

控制器118在步骤P1012终止实验测量过程，通过解释步骤P1010的薄膜厚度测量提供代表薄膜厚度或测试结果的输出。例如，在半导体制造过程中，薄膜必须有某一指定厚度，否则它将在制造的装置中引起短路，如果厚度达到或超过指定数值输出可以是表示“通过”的信号。如果厚度低于指定数值输出将表示“失败”。在薄膜相关的厚度解释中，增加厚度解释为正输出，但是阈值厚度变化也可以设置成低于结果报告为负的。可以定性或定量地结果表示结果。

图7描述了模拟对于特定相关测试的AC模式固定偏振片椭圆测量仪表面结构。使用的光学承载体是镀有20二氧化硅薄膜的单晶硅晶片。晶片还承载475氮化硅薄膜，和400的硅氧烷t-聚合物附属膜。入射光的波长是525nm，相对于法线的入射角是20°，第一偏振元件固定在50°。曲线示出了作为对于分析偏振片在不同角度测试厚度函数探测的强度变化。所有曲线表现为正斜率。在实际仪器设计中，不必知道分析偏振片的确切角度。示出的曲线是使用固定偏振片椭圆测量仪将观察到的直接模式探测响应。对于该测试结构的AC模式响应在图10a示出。在图10a中，探测器测量的强度对偏振片的变化角度划曲线，准正弦曲线是作为建立的测试厚度变化函数的探测器响应。图10a所示曲线也可以表示为分析器以恒定速度旋转时测试时间的函数，不必知道旋转偏振片的角度。仪器不必确定探测器检测的光的全部偏振态来提供相关测试变化的有效相对测量。图10b是对相关测试厚度曲线实际峰-峰数值，表示实际仪器输出。

图8描述了特定相关测试的AC模式固定偏振片椭圆测量仪的模拟，表面结构。使用的光学承载体是镀有20二氧化硅薄膜的单晶硅晶片。晶片还承载475氮化硅薄膜，和200的硅氧烷t-聚合物附属膜。入射光的波长是525nm，相对于法线的入射角是55°，第一偏振元件固定在40°。曲线示出了作为对于分析偏振片在不同角度测试厚度函数探测的强度变化。所有曲线表现为负斜率。同样，在实际仪器设计中，不必知道分析偏振片的确切角度。示出的曲线是使用固定偏振片椭圆测量仪将观察到的直接模式探测响应。对于该测试结构的AC模式响应在图9a示出。在图9a中，探测器测量的强度对偏振片的变化角度划曲线，准正弦曲线是作为建立的测试厚度变化函数的探测器响应。图9a所示曲线也可以表示为分析器以恒定速度旋转时测试时间的函数，不必知道旋转偏振片的角度。仪器不必确定探测器检测的光的全部偏振态来提供相关测试变化的有效相对测量。图9b是对相关测试厚度变化曲线的实际峰-峰数值，表示实际仪器输出。当图8中的直接厚度测量如同图9a所示表现为负斜率时，图9b最后仪器输出表示为正斜率，随着变化测试厚度，因为峰-峰数值总是可以表示为正数。

图7和图8所示的直接模式理论响应曲线用于选择对于给定测试承载结构的适当波长、入射角度、固定偏振片设置。当直接模式响应曲线示出作为对于相关测试系统的厚度变化函数的最高响应信号分辨率时设置仪器参数。图9a和图10a描述在选择的特定条件下AC模式仪器采集的准正弦数据。图9b和图10b描述了实际仪器输出。

反射测量仪器

图3描述了根据本发明的反射测量型薄膜仪器200。光源202安装成与偏振滤光片或谝振元件204和支座206成固定关系。薄膜承载基质108位于承载表面110上。探测器212设置成接收从基质108反射的光。控制器214控制仪器200的操作并从探测器212接收信号。

光源202可以是任何电磁辐射源，包括复色或单色光源，但是最好是单色光源，例如激光器、激光二极管、或LED。光源202沿着第一或输入光路部分261发射光以便照射薄膜承载基质108。第一光路部分216上的光由于偏振元件204的作用成为偏振光，所述偏振元件204最好是线偏振滤光片。偏振元件204保持在固定位置，在仪器200操作期间不移动。在设定或校准期间，偏振元件204最好围绕它的光轴旋转以便在偏振光中只有s或p偏振分量。虽然单个滤光片可能不能只提供s或p偏振分量，偏振分量基本上是单一的。任何不希望的p或s偏振分量非常小，以致于在仪器200的设计选择指标中可以忽略。

底座206包括第一支柱218，该支柱选择承载光源202以如下方式发射光，即第一光路部分216的角度为φ₁，表示对垂线220的偏离。垂线220相对于基质108上的平表面122作出。第一光路部分216可以包括窄光束或较宽准直光束。在任何一种情况下，第一光路部分216位于光束中心。可以通过一对垂直设置的螺钉、滚珠支枢摩擦夹钳或任何其他传统可选择的调整机构(图3中一个也没有示出)进行选择调整。第二支柱224提供类似的调整机构(图1中未示出)，以便沿着参考光路部分226调节探测器212。该光路部分226偏离垂直方向的角度为φ₁。可以在表面110上形成标记，用于把基质108相对于216和226(未示出)限定的光路部分调整位置。

选择探测器212以便探测波长与光源202发射并被薄膜承载表面108反射的光的波长相应的光。探测器提供表示探测器上的光强度的信号。探测器212把这些信号传输给电缆230上的控制器214，控制器214通过把它们与相关薄膜厚度相关联解释这些信号。

对照样本132——即没有薄膜或负对照样本的基质——位于表面110上。样本132可以代替基质108以便获得背景探测器信号，或可以似的108的不反应部分或108的负控制区。

根据多层反射的原理，探测器处的信号强度是薄膜厚度的直接表示，但是该数值的直接计算复杂或用有关数学方法不能计算，需要对于每个膜层获得折射率。

反射测量薄膜仪器200通常用于把薄膜厚度与探测器212的信号强度关联起来。例如，有或没有薄膜解释为相对于与负对照样本132的背景信号的信号增加或减小。有或没有薄膜解释为在薄膜相关测试中正或负结果。确切分界值的选择依赖于将要使用环境的具体应用，是编程控制器214的设计选择问题。

图4描述了根据本发明的第二薄膜仪器400。所有组件与仪器200相同，仪器400使用相同的标号表示。仪器400与仪器200的不同点在于仪器200中位于光源202与基质108(或承载表面110)之间的偏振元件204在仪器400中没有。在仪器400中，仪器200中的偏振元件204被位于基质108与探测器212之间的附加偏振片402代替。仪器400的操作与仪器200的操作相同，因为偏振片402围绕它的光轴旋转以便允许基本上纯s或p偏振分量通过，然后固定在该位置上。因此，在仪器200或仪器400中，只允许衰减偏振分量通过探测器。

仪器200或400根据入射光的波长、s或p偏振状态、和根据经验或理论数据选择饿入射角设计。选择的结构设计成应用于光学基质饿一系列将要设置在基质上的薄膜厚度的具体组合。理论计算中考虑的厚度范围必须包括基质上用于产生或提高反射率、用于改善或制造对于附着的生物材料有利的环境、吸收膜、被分析物膜、和需要的加强试剂的任何薄膜。

图11描述了对于单个固定偏振片反射测量仪的理论仪器响应曲线，其中测试表面结构包括硅晶片作为光学承载。晶片承载20二氧化硅薄膜，475薄膜、和100象碳(DLC)的金刚石膜层，用于光学或附着目的。仪器使用525nm的入射光源，相对于法线的入射角是35°。第一偏振元件位于仪器的入射一侧，设置成90°，以便把s偏振光传播到表面。在这些条件下，响应曲线具有作为增加相关测试厚度的函数的负斜率。如果相关测试产生大于500的厚度变化，当最小响应保持在大约480至520该仪器设计就不合适。

没有偏振片的反射测量仪器

图5描述了本发明的第三反射测量实施例，即薄膜仪器600。所有组件与仪器200和400相同，与前面图中的标号表示。仪器600与仪器200的不同点在于仪器200中位于光源202与基质108(或承载表面110)之间的偏振元件204在仪器600中没有。在仪器600中，仪器200中的偏振元件204没有被任何偏振滤光片代替。此外，仪器400中的偏振片402也去掉了。

仪器600的操作原理如下，即当入射角和反射角为直角时，p振幅反射系数理论上等于s振幅反射系数。在非理论装置中，这些角度可以近似为零，但是不能刚好等于零，因为否则光源和探测器必须占据同一空间。探测器上接收非偏振光是一种特殊情况，即在计算薄膜厚度时不需要多个偏振滤光片分辨椭圆度。因为φ₁＝0(或与法线成非常小的角度)，r_s＝r_p，多少光处于s或p状态没有任何区别，所以任何偏振状态都是可以的。实际上，φ₁可以在0°到30°范围内，而不产生很大的s和p偏振分量反射率的不平衡，所述s态和p偏振分量由于s和p偏振光的椭圆率厚度测量数据。该范围更为优选的是从0°到20°，最为优选的是从0°到10°或更小。

图12描述了不具有偏振元件和相对于法线小入射角(10°)的反射测量仪的理论仪器响应曲线。在这种情况下，仪器构造成分析硅晶片，带有20二氧化硅薄膜，475氮化硅薄膜。300DLC附加膜包括在测试支撑结构中。入射光源提供635nm的波长。理论分析将强度变化比作只提供p偏振状态或只提供s偏振状态的光源的相关测试厚度的函数。令人惊奇的是，在这些条件下，非偏振光基本上可与任何一种偏振光源相比。因此，在小入射角下没有偏振元件的仪器中基于非偏振光源的反射测量仪对于基于模式测试表面结构的相关测试应该具有良好的厚度分辨率。

生物测试解释中的薄膜测量

所有本发明的薄膜分析仪器对于非常特殊和生物测试结果非常敏感表示的薄膜测量特别有用，尤其是对于诸如免疫测定或核酸混成测试。在相关测试中，固体支撑用对于感兴趣的分析物特别的材料镀膜。分析物可以是与特别感兴趣的疾病、条件、环境等特别相关的任何物质，例如风暴等。美国专利5,494,829描述了多种薄膜相关测试技术，因此将内容包括在这里以供全面参考。最佳相关测试涉及使用产生不溶解的沉积反应物的酶/基质对。反应的催化特性提高了测试灵敏度，通过连续沉积反应物形成薄膜。通过酶结合到分析物特定试剂上把酶引到相关测试中。

更具体地说，任何能够提供特定成分的反应过程，所述特定成分能够通过与特定分析物反应附着到可接收材料上，并且能够催化把基质转换为沉积薄膜反应物，所述反应过程都适合于这种类型的催化增强相关测试。适用于该增强目的的酶包括葡萄糖氧化酶、半乳糖苷酶、过氧化酶、碱性磷酸盐及类似物质。

图6描述了用于相关测试的样本700。样本700对应于图1中的基质108，用作使用标本培养后进行薄膜测量的分析样本，所述标本2可能感染特定的微生物或微生物与另一种测试材料源的组合。样本700的各个膜层不拉伸为任何相对尺寸，为了讨论关于在解释相关测试的薄膜分析仪器中的用途的目的而拉伸。光学支撑702提供所有其他膜层的基本结构支撑。该光学支撑可以是传统的抛光硅晶片，最好是单晶硅，虽然也可以使用铝、玻璃、和其他任何形式的反射材料。光学支撑可以支撑任何数目的附加膜。选择光学支撑702的主要考虑是材料的反射率和或它能够镀反射材料的能力。光学支撑必须是能够与用于产生后续膜层的镀膜步骤相容，而且在测试环境下稳定。

光学薄膜704可以用于产生调整膜。通过选择该膜的适当厚度，以及用于仪器中的光波长和入射角度，厚度-反射率曲线可以优化，以便给出最佳厚度灵敏度。减反膜通过在薄膜结构700的不同分界面上光的相消干涉衰减一种或多种波长的光。附加膜706起改善分析物特定相关试剂附着到光学支撑702或光学薄膜704(当有时)的表面上的能力。某些薄膜可能同时起光学功能和附着功能。单一薄膜适合于两种功能应该结合分析物特定试剂测试以便确保能够达到足够的试剂浓度并保持在表面。分析物特定相关薄膜是708。代表性的分析物特定相关试剂包括抗体、抗原、核酸、受体、螯合剂等。选择使用保护层(该层未示出)以便在存放过程中保护生物受体膜层708。该保护膜层在使用分析物溶液培养过程中溶解。

在相关测试过程中，分析物特定膜层与分析物放映以便产生膜层710。膜层710也由增强试剂构成诸如结合到酶上的抗体。膜层还包括酶与适当酶基质反应产生的沉积或结合的反应物。增强材料也可以是非酶产生的。

本发明的特别优选特征是附加膜706、分析物特定相关薄膜是708、以及具有大致相同反射率的含有分析物和沉积反应物薄膜710。因此，根据上述假设，这些薄膜假设为与一个薄膜的作用相同，因此容易利用理论计算结果校准装置。另一方面，当这些系数或折射率差别很大时，数学方法非常复杂，在探测器处产生准正弦曲线的操作原理不变。

可选光学薄膜704优选由诸如二氧化钛或氮化硅的材料形成。而且这些材料可以在真空条件下溅射沉积或者氢氧基金属和旋转沉积金属羧酸盐母体液体，这些物质在氧或氢环境下聚合产生所需薄膜。例如，一种称为Tyzor TPT(四价异丙钛酸盐tetraisopropyltitanate)的有机钛酸盐可以从杜邦公司(Dupont)购得。一毫升该有机钛酸盐溶液可以与3毫升冰醋酸、3毫升乙醇、3毫升去离子水、和10微升3M的FC171氟表面活性剂混合。异丙醇、t-戊醇、乙醇、或丙酮可以与水一起用于该应用。乙醇应该少量使用或避免使用，因为它容易导致钛沉淀。大约500微升这种混合物施加在晶片上以便利用静力旋转镀膜技术产生均匀膜层。通过在炉中加热到250℃两个小时或通过用400瓦微波加热潮湿镀膜晶片2分钟来固化该薄膜。

有几种适当的粘合剂用于粘附膜层706。这些粘合剂包括(三甲氧基甲硅丙基)聚乙烯亚胺(例如从宾夕法尼亚州布里斯托尔(Bristol，PA)Petrarch公司购买的PEI)，该粘合剂通常以1∶500在甲醇中稀释，旋转或溅射到晶片上，并在0.1mm汞柱真空、100℃温度下固化产生厚度为大约800的薄膜。可以改善粘合剂以便通过把PEI薄膜暴露在二甲基二氯甲硅烷(例如从密苏里州圣路易斯(St.Louis，MO)的SigmaChemical Co.购买的DMDCS)以便沿着线形PEI链形成分支点，所述二甲基二氯甲硅烷通常以体积浓度大约为2％混合在1，1，1-三氯乙烷中。在25℃下把镀有PEI膜的晶片浸渍在该溶液中60分钟，然后用酒精冲洗并在氮气流中干燥，产生厚度大约为200的附着膜。可以把聚苯乙烯(例如从加利福尼亚州奥克斯纳德(Oxnard，CA)的BectonDickinson购买的聚苯乙烯)以比例0.025g/ml溶解在甲苯或其他溶剂中，旋转涂敷在晶片上，并在25℃下固化60分钟，产生厚度大约为200的最后薄膜。可以把从宾夕法尼亚州沃灵顿的Polysciences购买的MSA-Starburst聚合物以1∶4(体积/体积)用甲醇稀释旋转涂敷到晶片上，并在空气中25℃下烘烤固化120分钟，产生厚度为大约40最后附着薄膜。其他适合的粘合剂材料包括从印第安纳州印第安纳波利斯(Indianapolis，IN)的Seradyn购买的形成薄膜的TC71A乳胶材料；二甲基二苯基硅氧烷聚合物(例如从宾夕法尼亚州布里斯托尔的Petrarch购买的DMDPS)；疏基丙基甲基二甲基-硅氧烷聚合物(例如从宾夕法尼亚州布里斯托尔(Bristol，PA)的Petrarch购买的疏基)；N-(2-氨乙基-2-氨丙基)三甲氧硅烷(例如从Petrarch of Bristol，PA购买的BAS)；三乙氧基甲硅烷基改性的聚丁二烯(例如从宾夕法尼亚州布里斯托尔的Petrarch购买的PBD)；以及(甲基苯基)甲基十二烷基-甲基氨丙基-甲基-硅氧烷。根据常规方法，这些材料用于粘附生物接受的膜层706。

分析物特定的粘附薄膜708包括形成特定相关对一部分的接受材料。这些包括如下，但是并不限于这些：抗原/抗体、酶/基质、低聚核苷酸/DNA、螯合剂/金属、酶抗氧化剂、细菌/受体、病毒/受体、激素/受体、DNA/RNA、低聚核苷酸/RNA、和这些种类与任何其他种类的组合，以及这些种类与无机种类的相互作用。例如，分析物特定的相关材料的小类包括毒素、抗体、抗原、激素受体、寄生虫、细胞、半抗原、代谢物、过敏原、核酸、核材料、自身抗体、血蛋白、细胞残骸、酶、组织蛋白、酶基质、辅酶、神经原传导器、病毒、病毒颗粒、微生物、多糖、螯合剂、药物、和任何其他特定关联对的元素。

受体材料的特征是特别能够粘附感兴趣的一种分析物或几种分析物。感兴趣的一种或几种分析物是从要分析特定状态和条件诸如疾病的试验样本获得。样本可以在这样的材料的基体中发现，诸如液体、固体、或气体；尤其是粘液、唾液、尿液、粪便、组织、骨髓、脑脊髓液、血清、血浆、全血、痰、缓冲溶液、提取溶液、精液、阴道分泌物、围心的、胃的、腹膜的或其他洗涤液、以及类似物质。或者样本可以是土壤或水样本或血液样本等。存在分析物表示感染了疾病、癌症、代谢失调、食物中毒、接触了有毒物质、反吸毒、或治疗剂的水平。存在分析物也可以表示环境污染、存在不希望的废弃产品、食物污染等。

作为膜层710的一个组分的增强试剂最优选是酶-标识的抗体。例如，当没有活力的抗体-抗原-抗体-酶复合物存在于试验表面上时产生不溶性的反应物。由于酶对溶液中的沉淀剂的作用反应物被催化沉淀。沉淀剂包括藻酸、葡聚糖硫酸酯、乙烯基甲基醚/顺丁烯二酸酐共聚物，或者角叉莱胶和类似物，以及TMB(3，3’，5，5’-四甲苯)与无氧根反应形成的物质。只要自由根与TMB反应该特定沉淀剂就形成不溶性的产物。其他基质包括氯萘酚、四盐酸二氨基联二苯、氨乙基咔唑、正对苯二氨、和类似物质也可以用作沉淀剂。沉淀剂通常使用浓度在大约10毫摩尔到100毫摩尔范围内。但是可以使用任何能够附着到分析物特定相关试剂上并能够起增加薄膜710的厚度的物质。

                        例子

例1：相关试剂的酶增强

辣根过氧化物(Sigma级别为VI)与免疫球蛋白化学结合，所述免疫球蛋白是通过辛酸沉淀从采集高滴定兔血清提取的，所述兔子预先注射Neisseria meningitidis A，C，Y，W₁₃₅培养液中的可疑细胞。根据Analytcal Biochemistry 132(1983)68-73中所描述的方法使用S-乙酰基进行结合。所产生的共轭物在缓冲液4-吗啉丙烷磺酸(MOPS)(50毫摩尔，PH值为7.0)中含有过氧化物酶(104μM)和免疫球蛋白。过氧化物-免疫球蛋白共轭物在MOPS缓冲液和酪蛋白(5ng/ml)中稀释，并与等体积的Neisseria meningitidis组织培养液中的无细胞过滤液稀释物混合。

利用吸移管把一份混合物的25微升等分物移到镀有氮化硅、T-聚合物硅氧烷、提纯免疫球蛋白膜层的硅晶片表面，所述提纯免疫球蛋白来自Neisseria meningitidis制备的相同兔抗体。利用10μg/ml抗体的50毫摩尔、PH值为7.0的MOPS溶液把抗体镀到T-聚合物/硅晶片上。在环境温度下晶片浸渍在抗体中保持1小时，用去离子水冲洗，并在氮气流中干燥。把镀抗体膜的基质进一步处理，即环境温度下在0.5mg/ml水解酪蛋白的50毫摩尔、PH值为7.0的MOPS中培养1小时，然后冲洗和干燥。

共轭溶液含有过氧化物酶、免疫球蛋白和Neisseria meningitidis组织的无细胞过滤液，施加在晶片表面并允许培养2分钟。用水冲洗样本并在氮气流下干燥。利用过滤装置吸干也可以用于干燥目的。沉淀TMB基质的溶液施加在表面上4分钟，然后冲洗和干燥，如同前面一样。含有沉淀反应物的晶片放置在薄膜分析仪器上以便确定厚度。

例如，可以对于H.流感B，链球菌肝炎、B链球菌组和E.大肠杆菌K1重复这些过程。

接受对反应的具体类型对于本发明的目的并不重要。相关试验反应的说明性例子包括对人体免疫缺陷病毒、(HIV)I或II或它们的组合、链球菌组A、链球菌组B、呼吸Syncitial病毒、肝炎B、衣原体种、以及单纯性包疹病毒的试验。

虽然已经对本发明进行了详细描述和举例说明以使本领域的普通技术人员能够对其制造和使用，但是显然各种替换、变化和改进也不脱离本发明的精神和范围。

本领域的普通技术人员会认识到，本发明能够很好地完成上述目的并具有上述优点、以及本身固有的优点。细胞列、胚芽、动物、和产生它们的过程和方法都是优选实施例的代表，都是示范性的，而不是用于限制本发明的范围。本领域的技术人员可以对其进行改进和用于其他应用。这些改进包含在本发明的精神内并由权利要求书的范围限定。

对于本领域的技术人员来说，显然可以对这里公开的发明进行各种替换和改进而不脱离本发明的范围和精神。

本说明书中提到的所有专利和公开出版物都表示了本发明所属领域的现有技术水平。所有专利和公开出版物都包括在这里，以供参考，如同特别单独指出每个单独出版物编入说明书中以供参考一样。

这里描述的本发明能够在这里没有特别公开的任何一个或多个元件、一个或多个限制不存在的情况下实施。因此，例如在这里的每个例子中术语“包括”、“实质上由……构成”和“由……构成”的任何一个都可以由另外两个术语替换。使用的术语和措辞是用作描述术语而不是作为限制，使用这样的术语和措辞不是为了排除这里示出和描述的等同特征或其中的一部分，而是应该认识到各种改进都在本发明要求保护的范围之内。因此，应该理解虽然利用最佳实施例和选择特征具体描述了本发明，本领域的技术人员可以根据这里公开的原理进行各种改进和变形，这样的改进和变形应该认为是落入本发明权利要求书所限定的范围内。

此外，虽然根据Markush组描述了本发明的特征和各方面，但是本领域的技术人员应该理解，也因此而根据任何单个元件或Markush组的元件子组描述了本发明。例如，如果X描述为从包括溴、氯和碘的组中选取的，那么对于X是溴的要求及对于X是溴和氯的要求也充分描述了。

其他实施例在后面的权利要求书中给出。

Claims (13)

1.一种用于确定由基质(108)承载的受测样本薄膜厚度的装置(100)，所述装置通过评估同样由基质承载的具有已知薄膜厚度的对照样本来完成这样的确定，该装置包括：

用于产生照射所述样本的电磁辐射的光源(102)；

位于所述光源(102)与所述样本之间的第一偏振元件(104)；

用于探测从所述样本反射的电磁辐射的探测器(114)；

位于所述探测器(114)与所述样本之间的第二偏振元件(112)，其中所述第一和第二偏振元件(104，112)中的至少一个是旋转元件，该元件在所述装置的AC操作模式期间旋转，以便随时间改变所述电磁辐射s和/或p分量，并在所述探测器(114)处产生准正弦强度信号；以及

利用从所述探测器(114)获得的信号，通过将由所述受测样本产生的准正弦强度信号的振幅特征与由所述对照样本产生的准正弦强度信号的振幅特征作比较，从而确定薄膜厚度的数据分析器件。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源(102)产生单色电磁辐射。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述电磁辐射是从包括可见光、红外光和紫外光的一组中选择的。

4.根据权利要求1到3中的任何一个所述的装置，其中所述第一偏振元件(104)构成旋转偏振滤光片。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第二偏振元件(112)构成固定分析器。

6.根据权利要求1到3中的任何一个所述的装置，其中所述第二偏振元件(112)构成旋转偏振滤光片。

7.根据权利要求1到3中的任何一个所述的装置，其中所述第一偏振元件(104)构成固定偏振滤光片，而其中所述第二偏振元件(112)构成旋转分析器。

8.根据权利要求1到7中的任何一个所述的装置，其中所述薄膜厚度与所述准正弦强度信号的峰-峰振幅相关联。

9.根据权利要求1到8中的任何一个所述的装置，其中所述光源(102)相对于所述基质而设置在预定角度，并且所述探测器相对于所述基质设置在预定角度。

10.一种测量由基质(108)承载的受测样本和对照样本的薄膜厚度的方法，该方法包括：

提供一个装置(100)，该装置包括光源(102)、偏振片(104)、分析器(112)、以及探测器(114)；

把电磁辐射从该光源(102)引导向该样本，从而使电磁辐射从该样本反射；

使用该偏振片(104)把引导向该样本的该电磁辐射变成偏振的；

使用该分析器(112)使得从该样本反射的该电磁辐射变成偏振的；

旋转该偏振片(104)或该分析器(112)，从而在所述装置的AC操作模式期间随时间而改变该偏振电磁辐射的s和p分量；

使用该探测器(114)探测从该样本反射的该偏振电磁辐射，从而获得对应于该反射电磁辐射强度的准正弦信号；和

把该信号与该样本薄膜厚度相关联，其中所述关联步骤包括使用把将由所述受测样本产生的准正弦强度信号的振幅特征与由所述对照样本产生的准正弦强度信号的振幅特征作比较的标准函数。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述标准函数是从具有不同光学特性的样本获得的多个标准函数中选择的。

12.根据权利要求10所述的方法，其中该标准函数包括归一化函数，该归一化函数把该探测器信号强度与该比较探测器信号强度相关联。

13.根据权利要求12所述的方法，其中该归一化函数是该探测器信号强度与该比较探测器信号强度的比值。

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