CN1708680A - 支持发色单元的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及支持发色单元的装置，这些发色单元响应光引起的激发而发出荧光，所述装置包括衬底(10)，衬底上载运发色单元(14)的表面层(12)，构成平面波导并包含光致发光组分(20)，当光致发光组分被照射该表面层(12)的主激发光(22)照射时，这些光致发光组分以激发发色单元(14)的波长，发射受引导的光。本发明特别适合用于生物芯片型的装置。

Description

支持发色单元的装置
技术领域
本发明涉及支持发色单元的装置，具体说，是涉及诸如通常称为“生物芯片”的装置。
在该种装置中，通常用多层的衬底载运发色单元(chromophoreelement)，这些发色单元是化学分子或生物分子、添加到或接合到这些化学生物分子中的染料单元、或诸如量子箱或量子线的半导体纳米结构，这些半导体纳米结构能对适当的光激发作出响应，发射与它们的性质有关波长的荧光。可以用这种荧光对给定处理已作出反应的衬底分子进行专门识别和查找。
背景技术
在以本发明人名字的专利申请WO-A-02/16912、FR 01/15140、和FR 02/10285中，已经提出能增强发色单元激发强度，从而增强所述单元发射的荧光的装置。具体说，已经设想对激发光使用波导模，以便用导波的渐逝部分激发发色单元，这对信噪比和激发光的抑制两方面都是有利的。在该已知技术中，已经提出，通过照射在所述波导层表面上形成的光栅，或者用激发光消除波导层边缘两种情况之一，把激发光耦合进衬底的波导层。
在第一种情况中，耦合只在激发光以一定入射角到达光栅时才能获得，该入射角是极其精确地确定的，且所述角度随被耦合的波长改变。因此，必须以非常高的机械精度和光学精度来构建设备。在第二种情况中，照射波导层边缘的光束，必须有与波导模有效高度或宽度对应的尺寸，而该有效高度为1微米(μm)或更小，因此必须以小于1μm的容差来定位。
因此，与把激发光耦合进衬底的波导层有关的实际困难，是颇为巨大的。
发明内容
本发明的一个目的，是提供解决该问题的一种简易和有效的方案。
为此，本发明提供一种支持发色单元的装置，这些发色单元适合响应光激发而发射荧光，该装置包括衬底，衬底有载运发色单元的表面层，并构成平面波导，该装置的特征在于，该平面波导包含光致发光组分，适合当所述组分本身被主激发光激发时，以发色单元的激发波长发射光，发射的光在平面波导中被引导，以激发发色单元。
在本发明的装置中，用于激发发色单元的光，是在平面波导本身中产生的，因而避开了任何把所述光耦合进波导的问题。此外，激发光本身是通过激发波导中的光致发光组分，由波导部分的直接(非引导的)照射产生的，这样可以按通常的方式，以非常宽的容差实现，一般都大于10μm。
本发明装置的光致发光组分，可以有非常多的种类，特别是，可以包括聚合物、有机分子、光致发光离子、或量子箱，或者，可以是在多层半导体异质结构中形成的聚合物、有机分子、光致发光离子、或量子箱。
这些光致发光组分可以在平面波导中排列成彼此分开的区，并且基本上与载运发色单元的区相邻。
在这种情况下，可以有各种配置：具体说，在两个载运发色单元的区之间，可以安排包括光致发光组分的区，要不然，把两个包含光致发光组分的区排列在载运发色单元的区两侧之一，或者甚至把包含光致发光组分的一个区围绕波导层的周边伸延，同时在其内部有一个或多个包含光致发光组分的区。
也可以把上述各种配置，与包含光致发光组分的区组合，这些光致发光组分被主激发光有选择地照射。
在一种变化中，可以把光致发光组分以基本上均匀方式，分布在波导层整个表面上，在此情形下，所述表面的某些区被主激发光有选择地照射。
按照本发明的另一个特征，在平面波导中设置波长滤波器装置，用于从光致发光组分发射的光中，消除那些与发色单元发射的荧光波长相同或相近的波长。
这样做，可以改进发色单元发射并以适当光学装置拾取的荧光的信噪比。
这些滤波器装置，最好放在平面波导中包含光致发光组分的那些区与载运发色单元的那些区之间。
滤波器装置可以包括：在平面波导中形成的一系列槽、工作在波导平面中的光子晶体、或通过在边缘间或光子晶体间的分隔形成的光学腔。
在一种变化中，滤波器装置可以用包括在平面波导中的、并吸收那些与发色单元发射的荧光波长相同或相近波长的材料构成。
这些吸收组分可以是彩色滤波器中使用的染料类型染料，这种染料在考虑的光谱频带中有特别低的光致发光效率，从而把不需要的波导光转换为热。
在另一种变化中，是利用发色单元的激发波长比这些单元发射的荧光波长短，以及滤波操作是由平面波导本身执行的有利条件，这些有利条件使波导在发色单元激发波长与所述单元发射的荧光波长之间，存在导模的截止波长。
本发明的装置还包括增加光量的装置：用于增加波导发出的光到达载运发色单元区的光量。具体说，可以把波导发出的光，向所述区反射，或者使波导发出的光通过所述区好几次。为此，可以用例如铝、银、金等等金属，完全覆盖波导层边缘，或者在平面波导中引入反射器，所述反射器可以由一个槽、或多个槽的周期系列，形成分布Bragg反射器型(DBR)反射器，这些反射器的反射频带中心，对所考虑的导模入射角，位于发色单元的激发波长上，要不然，也可以用两维的光子晶体。
主激发光的波导发光的产量，也可以用如下装置增加：
·位于包含光致发光组分的区或层之下的反射区或层；
·用两个反射镜定义已选择为最佳化转换的竖直腔，把光致发光组分安排在该竖直腔模的波腹上，以便使所述组分经受最大激发强度的作用；或
·围绕包含光致发光组分的区，形成光子结构，例如腔，使所述波导发射按腔模方式出现。
同样可以使用下述装置，把上述组分的光发射以最佳方式，耦合到波导模：
·把包含光致发光组分的区放在竖直发射(垂直于平面波导)的反谐振水平面上，从而使竖直方向的发射能借助导波发射而降低；或
·把包含光致发光组分的区，按照与宽的角度范围上禁止竖直模激发对应的距离，放在反射层中，例如放在金属层中。这种情况下，主激发光照射的是与包含上述反射层表面相反的衬底表面。
本发明的装置当然可以包括各种类型的光致发光组分，当这些光致发光组分被激发时，发射不同的波长，以便在不同波长上激发各种类型的发色单元。在这种情况下，可以使用有不同光谱带的单一的主激发光或多种主激发光，来激发这些光致发光组分。
各种光致发光组分可以按种类聚集在一起，并构成与上述指定类型的反射器及滤波器装置结合的明显不同的区域。
这些区域还可以在波导层的平面中重叠，排列在所述层的不同高度上。
不同类型的光致发光组分，也可以按一定比例混合在一起，并在整个波导层中铺开，该比例是作为对每一种光致发光组分需要的光功率函数选择的。
为防止主激发光及非波导发光可能经过衬底被散射，构成有害的背景信号，可以在衬底的一部分或全部配备吸收层，置于平面波导下面并消耗所述波导发射的光子。
在本发明的装置中，还可以使用上述以本发明人名字的专利申请FR 02/10285说明的装置，具体说，是关于发色单元支持面积结构的装置，该装置使有用信号从全部背景噪声中突现。
一般说，正如前面以本发明人名字的专利申请WO-A-02/16912说明的，发色单元发射的荧光，可以用上述本发明的装置以给定孔径的透镜拾取，也可以在该装置下面用电荷耦合检测器(CCD)型光电检测器矩阵或硅互补型金属氧化物(CMOS)型光电检测器矩阵拾取，这些光电检测器矩阵构成衬底的一部分。
本发明还可以用于微载波片(“SBS”)格式，例如有24、96、384、或1536个井的格式，这里光致发光单元和滤波器装置的定位，与微载波片和井的形状相适应。
本发明同样可以用于包括微井的显微镜载波片的格式，这种微井是通过淀积厚度为数十微米并有构成微井开口的层制成的(如通过Teflon型的HTC处理，该Teflon是Portsmouth，NH的ErieScientific Corp.公司以商标名Cell-Line销售)。可以使用各种井作为不同测试样品的分开的杂化作用区(hybridization zone)。
本发明还涉及把上面指定的装置，放在包含悬浮发色单元的液体媒质中，与扩散的粒子一起使用。
在该液体媒质中，只有那些在装置表面保持静止的发色单元，而不是那些悬浮的发色单元，可以被导波的渐逝部分激发，从而极大地改进了信噪比，并能用时间分辨率来测量杂化作用信号(hybridizationsignal)。
附图说明
阅读下面以举例方式参照附图的说明，将对本发明有更好的了解，同时本发明的其他特征、细节、和优点将变得更清楚，附图有：
图1和2分别是本发明装置第一实施例的示意截面图和平面图；
图3到7是示意截面图，画出该装置变化的实施例；
图8和9是示意截面图，画出本发明装置其他变化的实施例；
图10是图9装置的示意截面图；
图11和12是示意截面图，画出制作本发明装置的两个步骤；和
图13是示意截面图，画出本发明装置另一个变化的实施例。
具体实施方式
图1和2所示装置包括普通类型的衬底10，衬底10有顶层12，层12的表面部分16载运发色单元14，该层由高折射率例如约大于1.6的材料制成，并构成平面波导。
层12与载运发色单元14的部分16相邻的部分18，包含光致发光组分20，如图1示意画出的，在主激发光22直接照射层12包含光致发光组分20的部分18，或照射衬底10相反的表面24，该光致发光组分20以导模的方式在层12中发射光。
光致发光组分20是根据被光22激发时，能发射激发发色单元14的波长的光而选择的。之后，发色单元被层12中传播的波导光26的渐逝部分激发。
举例说，层12包含的光致发光组分20如：
·发光的聚合物，特别是那些为有机发光二极管(OLED)研发的聚合物；
·支持在聚合物基质中产生溶胶硅或氧化渗杂物的有机分子，该渗杂物可以是物理的或化学的(共价键)，或静电的；
·发光离子，特别是那些基于过渡族的金属或稀土元素的离子；
·量子箱，特别是基于II-VI或III-V族的半导体，它们能以化学方法使表面功能化，以便更好的结合；
·包含多层的半导体异质结构(量子箱、量子线、量子阱)。
主激发光22以相对宽的、大于10μm的机械和光学容差，照射光致发光组分。当发色单元14的激发波长，例如在500纳米(nm)到650nm的量级时，主激发光22的波长，可以大致在350nm或更短，到最大为500nm的范围内。
光致发光组分20发射的波导光26，因为是由组分20的自发发射产生的，所以有相对宽的光谱频带，且可以在发色单元14发射的荧光波长上，有非零的发光强度。因此，必须在光谱上对波导光26进行滤波，以便从中消除任何与发射的荧光波长相同或相近的那些波长，这些波长构成背景噪声，干扰单元14发射的荧光的拾取(从波导中散射出来，特别是经过波导的不均匀性散射)。
为此，可以在层12中，在包含光致发光组分20的区域18和载运发色单元14的区域16之间，插入对波导光26有作用的光谱滤波器28，该滤波器可以通过在层12中一系列槽形成，也可以通过工作在该平面中的光子晶体形成，或者甚至通过在沟槽间或光子晶体间加以限定，在层12的平面中构成光学腔来形成。
在一种变化中，可以设计波导层12，使它的有用导模(如TE偏振)的截止波长，位于发色单元14的激发波长和所述单元发射的荧光波长之间。在折射率分布方面非对称的的波导，赋予波导本身以这种特性。此时，在波导层12的截止波长与发射的荧光波长之间的波长，不被层12引导，所述波长上产生的光，从小的横向维度上离开波导平面，使相关的电磁场在发色单元14所在的有用区变得可以忽略。
在一种变化中，这一滤波操作，可以通过使层12包括吸收成分而实现，该成分吸收大于发色单元激发波长的波长，特别是吸收与所述单元14发射的荧光波长相近的波长。该导模的模式吸收系数，可以有相对高的值(每厘米(cm-1)10到1000cm-1)，使受影响的发色单元14不发射该种导模。这些吸收成分可以是染料，例如那些在考虑的光谱频带中，有特别低的发光效率的用于有色滤波器的染料，以便把干扰的波导光转换为热。
图3是一个实施例的示意图，图上画出的光谱滤波器28，例如由一系列浅的正弦形槽构成，和/或一系列低折射率对比的槽构成，并形成在有不同折射率的平面波导12的表面中或居中的子层中，图3画出的这些槽形成的光栅，是被“埋”在波导12中的。
当主激发光22从与载运发色单元14的表面相反的衬底10表面24，通过衬底10照射光致发光组分20时，有利的做法是，如图4示意地画出的，把包含光致发光组分的区18置于反射层25下面，例如金属层下面，反射层放在与发射的光的竖直谐振波节对应的水平面上。
为了增加波导发出的光26到达载运发色单元14有用区16的量，可以在层12的区18中引入反射器30(见图1和2)，该反射器在本例中是用贯穿层12的单个槽构成，并在该层平面中形成U形，该U形向着区16张开，以便把最大量的波导发出的光26，送至区16。槽的宽度一般应在λ/10到λ/3的范围。
在一种变化中，该反射器可以用两种或三种甚至更多种槽的周期性系列形成，构成在发色单元14的激发波长上，对所考虑的导模的入射角有反射频带的DBR型反射器。
在另一种变化中，该反射器可以用两维光子晶体构成，光子晶体的禁带被用于所考虑的偏振和方向(见Benisty等人的论文“Opticaland confinement properties of two-dimensional photonic crystal”，J.Lightwave Technology，Vol.17，pp.2063-2077，1999)。
在所有情况下，该反射器应形成在导波层12的整个厚度上，以便增加它对导模的反射率。该反射器的优点在于，它定义反射表面适当的弯曲形状，使之能对波导发出的光获得需要的分布(该分布可以是均匀的，也可以是不均匀的)，同时保持衬底的长方体形式。使用两维光子晶体的优点还在于，在某些入射角和某些波长上的衍射效应，能增强波导发出的光的随机性质。无论如何，如果有这样的源，它能传送每单位面积的高功率，又有小的横向尺寸，例如微米量级的横向尺寸，可供使用，那么，可以在波导层12中形成抛物线的反射器，获得基本上准直的并有宽的宽度(约5mm到50mm)的波导光束，这样的光束对随后波导光的处理是有利的，特别是通过滤波器装置的处理。这种滤波器的特征，与导模的入射角有关，当供滤波操作的光在宽范围的入射角上传播时，将导致不希望出现的反射或泄漏。
如在图1中所示，还可以在衬底10中，在至少层12的一部分下面，设置吸收层32，该吸收层32将在发色单元14的激发波长上，消耗层12中因主激发光22和/或光致发光组分20产生的非波导发光的散射而发射的所有光子，因为该种散射光极易构成有害的背景信号。
在图5示意画出的实施例中，载运发色单元14的衬底10的波导层12，包含荧光组分20和吸收成分(那些在图1和2中滤波器28的成分)，这些组分和成分混合在一起并以相对均匀的方式分布在整个波导层12上。
在图6的变化的实施例中，滤波器28的吸收成分，包括在波导层12载运发色单元14的部分16中，且在所述区域16中形成基本连续的层，而光致发光组分20则包括在层12的其他区域18中，且在所述区域中形成基本连续的层。
在图7的变化的实施例中，光致发光组分20和滤波器28的吸收成分，在层12中形成两层重叠的居中层，有光致发光组分20的层直接位于发色单元14下面，而这两层的组合形成平面波导。组分20发出的光在该波导中被引导，而组分20发出的光在单元14发射的荧光波长上的分量，则被层28吸收。
在图8所示的又一个变化的实施例中，可以在引导区12把光致发光组分20按类别聚集在一起，组成区34，置于载运发色单元14的中央区16两侧。
在一种变化中，自然可以使用相反的安排，就是说，中央区含有光致发光组分20，而两个载运发色单元14的外侧区则位于中央区两侧。
在图9和10的变化的实施例中，可以作如下安排，在该安排中，包含光致发光组分20的区34和载运发色单元14的区36，被围绕波导层12整个周边边缘、由金属镀层形成的反射器38包围。该金属镀层例如由铝、银、金等等制成，防止光通过层12的边缘逸出。
一般说来，只有层12中那些包含光致发光组分的区34的部分，应被主激发光22照射。如在图5和7实施例的情形，当这些光致发光组分遍布整个层12上时，如图7示意地画出的，层12只有某些部分被主激发光22照射。
在图11和12的实施例中，衬底10载运着半导体异质结构40，该半导体异质结构40构成波导，且包括引入的滤波器28和包括在所述衬底10的一部分之中的发光井。这些井利用改进的生长方法，例如称为选择性区域生长(SAG)的方法，仅形成在异质结构的一部分上，这种选择性区域生长方法，能避免在所述部分之外的任何再吸收。
在一种变化中，可以在衬底10上淀积一层半导体薄膜，然后用常规的光刻方法切割，以便只留下那些仍能真正被主激发光照射的位置。图11画出切割前的第一个步骤的示意图。
然后，例如通过“升离(lift-off)”方法，在衬底10上形成波导层12(图12)，使所述波导层12在光学上与结构40耦合，或与上述半导体薄膜耦合。
在图13的变化的实施例中，图上所示结构基本上与图1和2对应，只是该结构10还包括构建的居中层42，位于载运发色单元14的区16下面，该居中层对发色单元14发射的荧光，是部分或全部反射的，且该居中层安排在吸收层和波导层12之间，该居中层还包括不同厚度或高度的区，以便能通过相消或相长干涉，改变发色单元14发射的荧光强度。该居中层42被足够厚的层44完全覆盖，确保在构建的层42中，被层12引导的模的渐逝场可以忽略，防止对导模传播产生干扰。
本发明的装置，可以包括被激发时能发射不同波长的光致发光组分20，用于激发不同类型的发色单元14。这些不同的组分20可以混合在一起，也可以分开在不同的区34中。
可以对说明的和出示的实施例作许多修改：例如，光致发光组分20可以在已有的波导层上用淀积形成的非常薄的层，因而能在所述层中拾取被导模的渐逝部分引导的光，或者，把该组分的层限制在某一区域，以便对被引导的发光促进上述竖直反谐振效应，并对主激发光促进竖直谐振效应。
当发色单元发射的荧光被CCD矩阵或CMOS光电检测器拾取时，有利的做法是，设置某种装置，用于过滤主激发光和/或引导的光，同时让至少大部分发射的荧光通过。
这些滤波器装置可以用一层或多层吸收层和/或多层干涉滤波器(如围绕适当中心的Bragg反射镜)形成。

Claims (29)

1.一种支持适合响应光激发而发射荧光的发色单元的装置，本装置包括用于载运发色单元(14)的表面层(12)的衬底(10)，且该衬底构成平面波导，本装置的特征在于，该平面波导(12)包含光致发光组分(20)，当所述组分(20)本身被主激发光(22)激发时，这些组分适合以发色单元(14)的激发波长发射光，该发射的光被平面波导(12)引导，以激发发色单元(14)。
2.按照权利要求1的装置，特征在于，该光致发光组分(20)特别包括：聚合物、有机分子、发光离子、或量子箱，或者是在层状半导体异质结构(40)中形成的聚合物、有机分子、发光离子、或量子箱。
3.按照权利要求1或权利要求2的装置，特征在于，该光致发光组分(20)由主激发光(22)激发，该主激发光(22)照射平面波导(12)，或者照射与包括平面波导(12)的本装置表面相反的衬底(10)表面(24)。
4.按照前述权利要求任一项的装置，特征在于，该光致发光组分(20)置于平面波导(12)内分开的区(18、34)中，这些区(18、34)与载运发色单元(14)的区(16、36)相邻。
5.按照前述权利要求任一项的装置，特征在于，平面波导(12)中设置波长滤波器装置(28)，用于消除光致发光组分(20)发出的波长与发色单元(14)发射的荧光波长相同或相近的光(26)。
6.按照权利要求5的装置，特征在于，该滤波器装置(28)置于载运发色单元(14)的区(16)中。
7.按照权利要求5的装置，特征在于，该滤波器装置(28)置于区(18)与区(16)之间，区(18)包括光致发光组分(20)，而区(16)用于载运发色单元(14)。
8.按照权利要求5到7任一项的装置，特征在于，该滤波器装置(28)由平面波导(12)中形成的一系列槽、光子晶体、或光学腔构成。
9.按照权利要求8的装置，特征在于，该滤波器装置(28)有较低的折射率对比的槽，或有浅的正弦形槽，并形成在平面波导(12)的表面上或形成在居中的子层内。
10.按照权利要求5到7任一项的装置，特征在于，该滤波器装置在平面波导(12)中包括的材料，其吸收波长与发色单元(14)发出的荧光波长相同或相近。
11.按照权利要求5到7任一项的装置，特征在于，因为发色单元(14)的激发波长，比所述单元发射的荧光波长短，所以在平面波导(12)本身实现的滤波中，所述波导对它在发色单元的激发波长与所述单元发射的荧光波长之间的导模，存在截止波长。
12.按照权利要求1到3任一项的装置，特征在于，该光致发光组分基本以均匀方式分布在平面波导(12)内。
13.按照前述权利要求任一项的装置，特征在于，该平面波导(12)包含在不同波长上发光的不同光致发光组分，以便激发不同类型的发色单元。
14.按照权利要求13的装置，特征在于，不同的光致发光组分是混合在平面波导(12)中的。
15.按照权利要求13的装置，特征在于，发射给定波长的给定类型光致发光组分，是与发射不同波长的其他光致发光组分分开的。
16.按照权利要求15的装置，特征在于，不同类型的光致发光组分是在平面波导(12)中不同的区，或在该波导不同的重叠的层中。
17.按照前述权利要求任一项的装置，特征在于，至少在平面波导(12)的一部分下面，衬底(10)包括一层吸收材料(32)，该材料在主激发光(22)波长上和/或发色单元(14)激发光波长上，吸收波导(12)发射的光子。
18.按照前述权利要求任一项的装置，特征在于，在平面波导载运发色单元(14)的区(16)下面，衬底(10)包括构建的居中层(42)，该居中层(42)至少反射一部分发色单元发射的荧光，且该居中层(42)包括不同厚度或高度的区，以便能通过相消或相长干涉，改变所述荧光强度。
19.按照前述权利要求任一项的装置，特征在于，至少在一个包含光致发光组分(20)的区(18、34)的邻域中，该平面波导包括反射器形成装置(30、38)，用于把发射的光(26)引向至少一个载运发色单元(14)的区(16)。
20.按照权利要求19的装置，特征在于，该反射器形成装置包括反射膜(38)，该反射膜(38)例如：由金属制成，形成在平面波导(12)的边缘；或者是形成在平面波导(12)中的槽(30)；或者是形成在平面波导中的两维光子晶体。
21.按照前述权利要求任一项的装置，特征在于，在包含光致发光组分(20)的平面波导(12)下面，衬底(10)包括对发射的光的波长反射的材料层。
22.按照前述权利要求任一项的装置，特征在于，平面波导(12)包括置于光致发光组分(20)两侧的反射层形成的谐振腔。
23.按照权利要求22的装置，特征在于，该光致发光组分(20)置于发射光的竖直谐振波节的水平面上。
24.按照权利要求22或权利要求23的装置，特征在于，该光致发光组分(20)置于主激发光的竖直谐振波腹的水平面上。
25.按照前述权利要求任一项的装置，特征在于，该光致发光组分(20)置于例如由金属制成的反射层(25)之下，位于与发射光竖直谐振波节对应的水平面上，并被通过与包括所述反射层的本装置表面相反的衬底表面(24)的主激发光照射。
26.按照前述权利要求任一项的装置，特征在于，该光致发光组分(20)置于衬底波导层上的薄层中。
27.按照权利要求1到25任一项的装置，特征在于，该光致发光组分形成在固定于衬底(10)的多层半导体结构中，并在光学上耦合到波导层(12)，该波导层(12)是为载运发色单元(14)目的而淀积在衬底上的。
28.按照前述权利要求任一项的装置，特征在于，本装置的表面层(12)被厚度为数十微米的层完全覆盖，该数十微米的层包括用于接收样品而形成的微井的开口。
29.按照前述权利要求任一项的装置的使用，特征在于，该装置运行时，完全浸没在包含悬浮的扩散粒子和发色单元的液体媒质中。
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