CN1918304A - 光学编码粒子、系统及高通量筛选 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有通过在粒子不同区域之间的折射率变化而嵌入其物理结构的编码库编码的粒子(10，10a)。在优选的实施方式中，薄膜具有孔隙率，该孔隙率以产生在反射率光谱中可检测的编码的方式变化。分析检测方法使用该粒子并检测在分析物存在下的谱移。还公开了包含附加特征的其他实施方式。

Description

光学编码粒子、系统及高通量筛选
技术领域
本发明的领域是编码。本发明的其它可作示范的领域包括生命科学、安全、产品标记、食品加工、农业及化学检测。
背景技术
社会对标记的需要非常广泛。标记是进行跟踪和识别的基础。编码可用作能被人或机器识别的标记形式，如条形码的情况一样。但在微尺度上，标记/编码本身变得困难重重。
对微尺度材料进行编码的方法因而吸引了人们越来越多的注意力，以便在药品发明、遗传筛选、生物医学研究以及生物学和化学感应的领域用在进行高通量筛选等用途。对增多的分析物进行测量、同时尽可能减少所必须的样品数量的研究方法集中在芯片内空间区别排列或编码珠。为了生物学和/或化学感应的目的，已通过使用位置编码以记录特定分析物的响应开发了大排列。使用排列相对于常规的单个分析物传感器的主要优点是可以同时处理和分析大量的分析物。但是，位置排列可遭受低的扩散率，并且限制在被感应的分析物的浓度范围上。另一种方法是使用单独编码珠。
早期对粒子进行编码使用荧光的或红外活性分子作为二元标记物。近期以来，由于其独特的荧光特性，硒化镉量子点已被证明是对粒子进行编码的可行的侯选者。较有机分子而言，量子点具有对光致褪色的改善的稳定性、更尖锐的荧光峰、改善的溶解性以及激发频率范围大等优点。通过6种颜色(限于可见光谱区荧光的峰宽)和10种强度水平，理论上可对106个粒子进行编码。由于光谱的重叠以及样品的不均一性，实际操作中难以达到这一数目。另外，尽管量子点的光稳定性有所提高，但荧光熄灭仍然是可能的，这使将相对强度的测量作为一种可靠的编码方法带有不确定性。
另一种编码方法是使用超微金属棒。这种超微金属棒的制作是将金属以受控厚度的交替带电镀在多孔膜上。各种金属不同的反射特性可被用作条形码，达到识别的目的。反射谱没有荧光团固有的光致褪色的缺点。而且，荧光分析物不会干扰粒子信号。但棒的沉积是相对复杂的工艺，而且，可能难以用作其中例如需要大量编码的编码方法，因为必须将每一个棒子放在光学读码器(比如显微镜)的焦点以读出编码。
利用Ragate和Bragg反射率理论的荧光分子编码、核-壳量子点编码以及光子结晶编码的方法有赖于生成谱线，作为比特(bit)。可能的编码的数量限于2n个，其中n为可从光谱的其它谱线中辨别出的谱线数或比特数。仍需要在微尺度上编码的方法。
发明内容
本项发明涉及一种粒子，其具有根据粒子不同区域之间折射率的改变，在粒子物理结构内嵌入的编码库的编码。在理想的实施方式下，薄膜具有孔隙率，该孔隙率以这样的方式变化以产生在反射谱中可被识别的编码。一种分析检测方法使用这种粒子，并检测在分析物存在下的光谱移动。还披露了具有其它特点的另外的实施方式。
附图说明
图1是本发明的多层编码粒子的示意图；
图2A和2B说明了一种优选实施方式的傅立叶(Fourier)变换粒子解码；
图3A说明了用于Rugate粒子解码的一种优选实施方式的示例性蚀刻波形；
图3B说明了一种优选实施方式的Rugate粒子解码；
图4说明了产生编码粒子的优选实施方式；
图5显示了在实验空气(实线显示)和含少量乙醇蒸气的空气(虚线显示)中单独的优选实施方式的编码粒子的光学反射率谱；
图6显示了对于在饱和蒸气压力下使用(自底部至顶部，如图显示)丙酮、乙醇、甲醛和水分析物的三次暴露/排空循环测量的来自优选实施方式被编码的多孔硅Rugate粒子的反射激光(632nm)的强度；
图7是在一块晶片中通过空间限定、定期改变蚀刻形成的示例性优选实施方式的编码粒子的图象；
图8图示了来自于15个单独编码的示例性优选实施方式样品粒子的反射率谱；
图9A图示了来自于示例性优选实施方式单独Rugate编码样品粒子和三重编码Rugate样品粒子的反射率谱；
图9B是示范性的优选实施方式多重Rugate编码粒子的示意图；
图10图示了为进行生物学筛选而准备的示例性优选实施方式单独Rugate编码粒子的解码结果；
图11图示了编码库波形的示例以及在多孔硅中的得到的折射率编码；知
图12显示了编码库波形的示例。
具体实施方式
本项发明涉及一种粒子，其具有根据粒子不同区域之间折射率的改变，在粒子物理结构内嵌入的编码库的编码。优选通过改变粒子中形成的孔隙率改变折射率。来自粒子的反射产生了一种光学特征，其唯一地对应于编码库中的编码，这种编码被用来通过计算机波形控制的蚀刻形成粒子。反射可发生在可见和/或不可见波长上。编码库提供大量的波形，每一波形在控制蚀刻形成粒子时产生一种唯一的光学特征。在优选实施方式形成方法中，通过蚀刻工艺产生多层多孔编码结构，在该蚀刻过程中蚀刻条件在孔形成过程中变化。可进行切割形成成具有小尺寸范围(比如，从几百纳米到几百微米)的编码粒子。
本项发明的方法和粒子可应用于许多行业，包括但不限于药品发明、生物学筛选、化学筛选、生物学标记、化学标记、体内标记、安全识别及产品标注。本项发明的粒子及方法的各种属性使得在各行业中得到广泛应用。粒子的小尺寸使其能被方便地引入各种主体，例如产品、试验箱、被化验品、粉末(如用于鉴定的爆炸物)、糊状物、液体、玻璃、纸张以及可接纳细小粒子的任何其它主体或系统。通过本发明的生物相容的粒子使得能够体内检测，其然后可例如利用穿透组织的近红外线和红外线波长通过组织查询。
根据上文对本发明示例性方面和应用，优选实施方式的粒子通过其变化的多孔结构的反射率谱所固有的编码而被识别。本发明的另一方面，物质例如生物学或化学物质附着在多孔结构中，而粒子则成为鉴别由孔所携带的物质的标签。本发明的另一方面，编码粒子的反射率谱的变化可反映粒子孔中的物质的存在、缺乏或数量。
图1显示了优选实施方式编码粒子10的横截面。编码粒子10包含具有层或区域121-12N的多层多孔薄膜。在此使用多层意味着必须存在具有不同孔隙率的多个区域。在一些实施方式中，孔隙率之间的转变可为逐渐的。这意味着多层包括具有多个孔隙率逐渐转变的结构和具有多个孔隙率突然转变的结构两者。与这一定义相一致，层121-12N由变化的孔隙率进行定义，其可逐渐变化或突然变化。另外，“层”的使用不仅包含了独立的沉积层，例如，还包含具有变化的孔隙率的连续结构。换言之，“层”包括但不仅仅意味着独立的形成过程或沉积。具有变化的孔隙率的层或区域121-12N的多层多孔薄膜结构是在基底14上形成的，见图1显示。但是，本发明的实施方式包括多层薄膜粒子结构，例如从基底上剥离的层121-12N，它们最初在该基底上或从该基底形成。多孔层121-12N通过从编码库中选择并通过计算机控制的蚀刻引入层中的编码进行编码，以应用编码在反射率谱中产生干涉图样，其形成对应于从编码库中选择的编码的光学特征。多孔层121-12N之间界面反射的光与来自其他层之间的界面的光发生干扰，在反射率谱中产生干涉图样。本发明中的粒子10特别通过编码库中编码进行编码，其用来在粒子10形成过程中控制蚀刻条件和层厚。层界面的折射率、化学组成以及每层121-12N的厚度影响由特定粒子产生的光学特征。因此，在粒子10的形成过程中改变在特定粒子中层之间的相对孔隙率(以影响折射率)和改变层的厚度可以修整反射率谱中特定的光学特征。孔隙率还影响反射率谱中峰的强度，提供另外的编码可能。从编码库中选出的每个编码或每组编码可用来一再地复制同样的光学特征，产生具有相同编码的粒子。除此之外，可从编码库中选择不同的编码来产生不同光学特征的粒子。
多孔层121-12N可由任何多孔半导体或绝缘体形成。在本发明的优选实施方式粒子中，多孔硅被用来形成多孔层121-12N。在氢氟酸溶液中对结晶硅的受控的阳极蚀刻可同时对多孔层121-12N的孔隙率和厚度进行控制。通常来说，蚀刻的时间控制着多孔层的厚度，而蚀刻电流的密度控制着孔隙率。此外，电流密度施加的时间选择影响将要产生的光学特征。层121-12N的厚度和孔隙率可彼此不相同，从而产生特定的光学特征。编码库中的编码在蚀刻电流密度的持续时间、水平和时间选择上不同，并且在库中的每一编码在给定的材料如硅上产生唯一的光学特征，该材料被蚀刻以生成编码粒子。
孔隙率和厚度的变化遵循一种模式，该模式依据选自编码库中的编码确立。在某些实施方式中，孔隙率在各层之间逐渐变化，而在另外一些情况孔隙率可突然改变。多孔硅是层121-12N的优选材料。多孔硅具有许多已被证明的优点。例如，多孔硅被证明是生物相容的。另外，氧化的多孔硅的表面化学与氧化硅同样有效。因此，由于生化衍生作用和配合基固定化，很好地理解该表面化学。
在优选实施方式中，层121-12N形成以在多孔结构中包括受体材料。受体的目的是与所关心的特定分析物结合。示范性受体(也被称为结合体)公开在，例如，标题为“Porous Semiconductor Based Optical InterferometricSensor”的美国专利No.6,248,539中。可通过将受体分子束缚到多孔层121-12N的任意方式，使受体分子与多孔硅层121-12N吸附或联合。这包括但不限于受体分子与半导体的共价结合、受体分子与层的离子缔合、将受体分子吸附到层的表面、或其它类似技术。联合也可包括通过共价方式将受体分子连接到另一部分，该部分依次通过共价方式连接到多孔层121-12N上，或通过杂化或其它生物学联合机理将目标分子连接到另一部分，该部分连接到多孔层121-12N。其它具体的例子包括受体配合基，其已被附着在多孔硅层上从而形成生物传感器。结合到本发明粒子10上的分析物通过粒子10提供的编码变得可识别和跟踪。
多层薄膜12x-12N的强度和波长性质均可能进行编码。优选的实施方式为具有不匹配光学厚度的多层薄膜121-12N的粒子10。光学厚度定义为一层的折射率乘以其公制厚度。参考图2A和2B，以这种方式编码的粒子10在所生成的反射率干扰频谱的傅立叶变换中显示出光学特征。图2A中示出示例性的所产生干扰频谱。图2B中显示出的傅立叶变换显示出具有良好可分辨峰的光学特征。粒子10可以设定具有一系列清楚的峰(a、b、c)。
反射谱中的峰强度通过在层121-12N之间的界面的折射率控制，该折射率通过相邻层之间的孔隙率的变化决定。这种变化可能是逐渐的，也可能是急剧的。峰的位置可通过调整层的厚度控制。通过变换每一反射率峰的相对强度，可以进行额外编码，其可以通过调整电化蚀刻参数设计到发明的粒子10中，以控制层121-12N的孔隙率。据此，对每一峰具有A个可分辨位置和B个可分辨强度的N层粒子10可以编码(A*B)N粒子。此外，具有对每一峰具有A个可分辨位置的N个峰与相对强度顺序的任何组合的粒子10能够编码N！(A)N中的一个。
发明的实施方式包括复杂编码的粒子和粒子系统。其中，粒子通过晶体P+(～1mOhm/cm)硅晶片的静电阳极蚀刻进行编码。多孔层的厚度和孔隙率由随时间的电流密度和腐蚀溶液的组成控制。电脑生成的波形允许实现复杂的编码策略。应用电脑生成波形控制蚀刻循环的持续时间，使得每一个都是唯一的，以生成孔隙率，因此有效的折射率与施加的电流波形直接相应地变化。电流波形的编码部分按常规运行之后，可以施加短时高量的电流脉冲以去除晶片中生成的多孔基体。自由多孔基体包括光晶体粒子。蚀刻前晶片的掩蔽可以生成不同形状的粒子。这些形状提供用于识别的额外机会。
使用小心控制的电脑波形重复上述过程可以形成唯一粒子类型的大库。这些库可以用于形成试验箱。库和特定的粒子类型形成用于高通量筛选和生物鉴定方法的基础。
数据提取和分析的方法可以体现光谱的所有复杂性，这种复杂性是由光晶体的反射率性能导致的。与传统的将荧光编码方法与荧光分析结合的生物鉴定系统不同，我们的技术不具有用分析读取的编码方法的光谱重合的问题。光谱线在本发明方法中不用作比特。比如分析检测方法是基于反射，并探测光谱移动，而非光谱峰的存在、存在度、集中度或者缺乏。光谱识别的可能性包括多变量分析以及相对和比率多峰分析。
另外一种编码策略包括周期性结构。示范的周期性结构包括具有层121-12N的粒子10，该层121-12N层经孔隙率和厚度构置以形成Bragg堆叠或者Rugate滤镜。比如，Bragg堆叠可以通过具有匹配的光学厚度的层交替而产生。通过改变本发明的粒子10中层121-12N孔隙率限定的Bragg堆叠将在反射率谱中产生峰，具有在反射率谱中良好分辨(例如，～10nm)的半高宽峰(full width half maximum peak)。通过多层结构121-12N层的界面的折射率变化生成的Rugate滤镜还在反射滤谱中生成类似的窄峰，并且还抑制边带和更高级别(higher order)的反射。
图3A和3B阐明了优选实施方式Rugate粒子编码策略。Rugate编码粒子可以通过用周期性的蚀刻条件变化蚀刻半导体或者绝缘体而产生，使得材料中的折射率按照正弦(或绕射(apodised)正弦)函数变化。该结构可通过用拟正弦电流波形蚀刻半导体晶片产生。图3A显示，在用于产生示范实施方式的蚀刻中蚀刻电流密度(n)的示范正弦波变化的周期为18秒钟。在图3B可以看到，编码生成了清晰可辨的窄峰。峰的强度和位置可以随层厚度和折射率变化。
图4中说明了构成编码多孔粒子10的优选方法。选择合适的半导体或绝缘体，比如硅片，进行加工(第14步)。比如，硅片可以切割并掩蔽以具有暴露的用于蚀刻的部分。一种示范的合适半导体材料为单晶硅晶片。此后限定空间编码(第16步)。空间编码限定在将被蚀刻的材料上的编码范围。进行空间溶解(resolved)蚀刻使得编码被编在硅片的颗粒尺寸的部分中。在题目为“Photolithographic fabrication of luminescent images on poroussilicon structures”的美国专利No.5,318,676(1994年6月7日公告)中披露了一种示范的空间溶解蚀刻方法，。在一个替代工艺中，空间限定的步骤(第16步)被省略。比如，单独的硅片或硅片的区域可以蚀刻，以包括具有单独编码的粒子。这样，可以蚀刻其他硅片以含有具有不同编码的粒子。随后开始阳极蚀刻，比如在氢氟酸和乙醇的水溶液中(第18步)。此后，用根据所限定的编码策略变化的蚀刻条件进行蚀刻(第20步)。发明的一个或多个编码被蚀刻到硅片上。横向(图1中的纵向)编码但是仍然相联系的粒子可以从硅片上去除(第22步)，比如通过高水平的电解抛光电流。空间限定蚀刻部分之间的区域可以被切割以使不同编码硅片部分分离。单个粒子此后可以在例如通过机械搅动或者超声波破裂进行的切割中分离(第24步)。粒子分离(第24步)优先制造出微米级的粒子，比如在从几百纳米到几百微米范围内的粒子。粒子分离(第24步)或者在第20步或者第22步之后可以进行粒子指定的步骤(第26步)。粒子指定可以包括，比如，为了特定的生物、生物医学、电子或者环境应用的多孔多层结构121-12N的化学改性。举例说明，粒子可以用于分析物的受体或者以靶向部分(比如糖或者多肽)进行改性。另外，结合(binding)可以例如通过分析物的荧光标识或者分析物自身荧光来表示(signal)。在使用粒子10时，根据与指定的目标分析物进行结合时的光学特征，可以鉴别出该粒子。这个指定步骤在发明实施方式中也可以省略。
在发明的其他实施方式中，编码粒子可以放置在合适的主体中，即任何液体、粉末、细尘或者其他将承载发明的微米级的编码粒子的材料。置于主体中的粒子例如可以被用于鉴别人造粉末的来源，比如爆炸物。另外一种潜在的主体是动物。本发明的生物相容的粒子可以活体植入到动物主体中。本发明的优选实施方式的多孔硅粒子10的反射率谱包括例如可视、近红外和红外光谱。这显示出了通过活体组织等障碍感知到本发明的粒子的编码的可能性。
实施方式示例和实验数据
现在讨论发明实施方式示例。这里的实验数据是为了向技术人员说明发明的潜在应用。这里所列出的设备仅仅是为了让技术人员理解此处报告的数据。例如，本发明的商业实施方式发明设备可采用基本上不同的形式，以便能低成本大规模生产。
第一个实施方式示例为远距离探测，这是用于从远处鉴别分析物的化学探测技术。本发明的粒子10包括感知特定分析物的受体。粒子的编码以及与分析物结合的指示可以在反射率谱中被检测到，例如使用低功率激光。该受体例如可以对于感知生物分子或者将编码粒子附着在细胞、孢子或者花粉粒子上是特定的。
使用示范编码多层多孔硅膜进行远距离探测技术的测试。通过在1∶3乙醇∶48％含水HF溶液中电化蚀刻(100)定向抛光的硅片(p++-型，B掺杂，＜1mΩ-cm电阻率)制备多层多孔硅膜。蚀刻电流密度周期性地由拟正弦波(在11.5至34.6mA/cm2之间)调整，以产生正弦变化的孔隙率梯度。通过施加30秒电流密度为600mA/cm2的电解抛光脉冲将薄膜与基底分离。此后通过机械研磨或者超声波破裂将独立式的薄膜制成粒子，以制造大小从几百纳米到几百微米的粒子。图5中的光学反射率谱近似于Rugate滤镜，在满足Bragg方程和适当的相匹配条件的的波长和源-样品-探测器角度处显示出尖锐的反射最大值。
将粒子固定在玻璃板上并放置在配有光学窗和Baratron压力计的气体配制室中。以10MW的He/Ne激光照射粒子。如图5中所示，形成的粒子在空气中强烈反射He/Ne激光的在632nm波长的光线。用于获取图5数据的激光的光谱位置显示以供比较(垂直箭头)。这些数据是通过在光学显微镜的焦平面上使用Ocean Optics CCD可视分光计获得的。当暴露于分析物气体时，毛细凝聚作用导致粒子的反射率谱由于多孔介质的折射率的提高向较长波长移动，且观察到粒子变暗。
对于一系列可冷凝的分析物蒸汽，从许多粒子中同时反射的光强度的相对变化可以在固定波长(632nm)上被量化，如图6中所示。在25℃下，每一种分析物的蒸汽压力分别为222、60、28、和24托。以来自在8英寸Schmidt-Cassegrain采集光学设备的物镜上安装的放大硅光电二极管中的光电流测量相对反射光强度。样品距离激光和探测光学装置20米。为了清晰，光谱在Y轴方向偏移。在饱和蒸汽压下，这些蒸汽被导入曝光室中。在正常荧光室照明存在下，使用中断灯和相敏探测(Stanford Instruments SR-510锁定放大器)在20米距离处测量反射光的强度。未使用任何其他光学或电子过滤。在多孔硅表面处的吸附和/或微毛细管凝聚的特性很大程度上依赖于表面化学，且对于疏水分析物相对于亲水分析物，实验中使用的氢封端的、疏水形成的材料具有大得多的亲和力。因此，在分压与用于更疏水的有机分析物的分压相当时，粒子对于水蒸汽相对不敏感。没有尝试提供样品或光学装置的声学或振动分离，在数据中观察到的大部分噪音可归结为实验室震动。使用近红外激光光源，灵敏度还应当得到进一步提高，其中背景辐射和大气吸附以及散射更不显著。
本发明另外一项优选示范应用为通过本发明的编码粒子10进行生物分子筛选。对于少量层，可能产生数以百万的编码。已测试了使用荧光标记的蛋白质的简单的基于抗体的生物检测。对于范例的化学感应实施方式，使用如前所述的周期性Rugate格式的编码。通过在蚀刻前掩蔽晶片，生成了界限清晰的粒子板，如图7中所示。
图7粒子用于显示632nm下的光子(photonic)光谱最大值。嵌入物(为了清晰在图上方再现)的比例相当于每小格2μm。通过此种方式生成的多层编码粒子在光学反射率谱中显示出非常尖锐的谱线。这条线可以在可视至近红外光谱范围内的任何地方出现，取决于程序蚀刻中使用的波形。
图8中呈现了15种独立编码的示范波形。图8呈现了使用正弦蚀刻(Rugate编码结构)所制备的15种多孔硅多层样品的反射率谱。每一样品包含单独的Rugate频率码。使用具有70×的物镜的Cambridge Instruments显微镜获得该谱。用钨灯照明样品，通过Ocean Optics SD2000CCD(电荷耦合器件)分光计测量反射光谱。样品粒子通过在48％的含水HF∶乙醇(3∶1，体积比)溶液中阳极蚀刻p++型、B掺杂的、(100)定向硅(电阻率＜1mΩ-cm2)制备。在拟正弦电流波形中使用的Rugate结构的典型蚀刻参数为振荡范围11.5至19.2mA cm-2，50循环，周期为18秒。使用时长40秒的460mA cm-2电流脉冲将薄膜从基底上分离。在电化蚀刻(在显影(development)前以转速4000r.p.m旋涂60秒，在90℃下软烤2分钟，使用接触式掩模对准器进行紫外线曝光，在120℃下硬烤30分钟)之前在硅片上施用S-1813光致抗蚀剂(Shipley)来制备光刻(lithographically)限定的粒子。图8中呈现的光谱特征可比从分子或核-壳量子点获得的荧光光谱窄很多。
图9A显示了由单周期(底部)和3个独立周期(顶部)进行蚀刻的多孔硅Rugate编码粒子的反射率谱。图9B图解显示了优选实施方式的多重编码粒子10a，其中含有三组编码层12、16和18。多重Rugate编码可以空间隔离，也可以在同一物理位置进行蚀刻，如在不同的深度上形成的多层组，各自形成独立的Rugate编码。每一编码层组12、16和18具有周期性变化的孔隙率，从而构成独立的Rugate或者Bragg编码。
示例粒子在反射率光谱中呈现表示它们的多层结构的峰。这些在底部光谱上显示的示例粒子是用在11.5至19.2mA cm-2变化的正弦电流(循环50，周期18秒)蚀刻的。顶部光谱代表的三重编码的粒子(三重Rugate)是用振荡在11.5至34.6mA cm-2的正弦电流(循环20，周期10秒(520nm)；循环45，周期12秒(610nm)；和循环90，周期14秒(700nm))蚀刻的。该示例粒子的厚度大约为15μm。为了清晰，光谱在y轴方向上偏移。
为了在测试编码方法在生物筛选应用中的可靠性，我们准备了两批不同的编码粒子作为单独Rugate结构。两批粒子均经过臭氧氧化处理，以增加其在水介质中的稳定性并使其具有亲水表层。用经压缩空气稀释的O3流对粒子进行氧化。对用750-nm光谱特征编码的对照粒子用浓缩的BSA进行处理(Sigma，5g在100毫升两次蒸馏水中)并在37℃在空气中在5％CO2下培育3个小时。540-nm编码的测试粒子暴露于在涂覆缓冲液中(1000毫升两次蒸馏水中2.93克NaHCO3、1.61克Na2CO3)的50μg ml-1鼠清蛋白，并在37℃在5％CO2下培育2个小时。测试粒子随后在37℃下在5％CO2下暴露于兔子抗鼠清蛋白原发抗体在BSA浓缩溶液的1∶100稀释物1个小时。两批粒子此后混合在一起并在FITC(异硫氰酸荧光素)共轭的山羊抗兔子免疫球蛋白-G在BSA溶液中的存在培育1个小时。用荧光和光谱发射系数显微术随后探测与编码粒子结合的分析物。
图10中呈现了解码的结果。对16个粒子进行解码获得以下结果：在8个绿色荧光粒子中，8个粒子被确定地解码，属于功能化的鼠清蛋白批次(图10的曲线A)。8个非荧光粒子中，6个粒子被正确地解码(图10的曲线B)，一个粒子显示出错误的编码，另外一个粒子无法解读。可能显示错误编码的粒子属于第一批的粒子，但没有用鼠清蛋白进行充分地功能化，所以未能在抗体检测中产生荧光。这是可以理解的，因为在实验中鼠清蛋白没有共价附着在氧化硅覆盖的粒子上。许多稳定的化学改性化学已经被开发出来，用于氧化或非氧化的多孔硅，且其中一些已用特定抗体或受体证明。因此固定生化或者化学组分的问题很容易得到解决。另外，化学改性可以防止在水介质中的侵蚀，这种侵蚀可能导致在光学编码中的不期望的移动和/或不可读的粒子。在已经进行的实验中，除了进行臭氧氧化以产生氧化硅层外，没有进行钝化化学处理，在浸在碱性水介质时，观察到光谱编码根据培育时间在0至50nm之间移动。
多层多孔硅编码结构较目前的编码方法具有许多优势。可构造多孔硅编码结构，其显示跨越光谱的可见光、近红外和红外区域的光谱。另外，与从量子点的高斯集合中获取的光谱相比，Rugate滤镜的反射率光谱可以显示尖锐得多的光谱特征。在其他实施方式中，光谱移动可用于探测，因此避免编码方法与检测读出的光谱重合。本发明包括不同编码粒子库，还包括不同形状的粒子。
由于其多孔编码结构，更多编码可以被置于更窄的谱窗。不同于基于成层金属纳米棒、荧光或振动特征的编码方法，该发明的编码粒子可以使用光衍射技术进行探测，因此无需使用成像光学来阅读编码。编码粒子可使用常规的荧光标记技术进行检测，感光(sensitive)化学和生物化学检测技术也可导入编码粒子的光学结构，消除对荧光探针和聚焦光学器件的需要。此外，由于优选实施方式的氧化多孔硅编码粒子对于环境呈现类似氧化硅的表面，它们不容易猝熄来自有机发色团的荧光，并且可以使用为玻璃珠生物鉴定而开发的化学对其处理和改性。硅基编码粒子易于与现有芯片技术结合。
在医学诊断应用时使用本发明的编码硅粒子比有机染料或量子点更有优势。活体研究已显示出多孔硅的生物相容性和多层结构的反射数据的长期稳定性。此外，可能在近红外、组织穿透性的波长对粒子进行光学编址，而没有与低荧光量子的产率有关的耗损，使得这些材料可受体内诊断的检验。最后，由于多孔编码是多孔结构的整体有序部分，所以对于编码的部分不能缺失、混淆或光退色，而这些情况是可能发生于量子点或荧光分子上的。
下面我们讨论一些具体编码，以它们为例，说明可用于构建编码库的复杂的编码。图11显示的是多孔硅中的实例编码和因此产生的折射率。该编码是一个波形，其具有根据时间施加的特定的蚀刻电流密度，如图11中的电流对时间曲线所示，并且在蚀刻变形多孔材料中产生特定的折射率相对深度的图的编码，如图11右侧所示。
通过实验核实，编码库可根据以下表格中的信息通过对于时间的不同蚀刻电流进行实验构成。
表格I
  编码  t低(分钟)  t高(分钟)
  1   0   8
  2   2   6
  3   4   4
  4   6   2
  5   8   0
表格II
样品 编码   蚀刻开始时间
  W319   3   10:50
  W315   1   11:05
  W311   5   11:18
  W31   2   11:33
  W37   4   11:48
  W310   2   12:08
  W312   5   12:20
  W39   3   12:36
  W321   4   12:51
  W36   1   1:06
上述表格I描述了图12显示的波形的定时。该波形包括最初的低电流15毫安及后来在特定时间的45毫安的高电流。使用在Princeton InstrumentsModel 363稳压器/稳流器(galvenastat)中的PCI-6042E DAQ卡，通过铂网状电极以每秒2000次更新向约1毫欧T型硅片施以电流。蚀刻溶液由48％氢氟酸与乙醇以3∶1配成。样品蚀刻后以乙醇冲洗并放置于真空混合皿(desecrator)直至获得光谱。使用海洋光学(ocean optic)SD2000CCD分光计获得光谱，在十分钟周期过程中在22毫秒下，0.1秒延迟，没有平均。表格II显示了不同的样品和应用于不同样品的编码。表格I给出了五个编码。对于两个样品的每一个得出结果，且该两个样品的每一个给出的编码显示了由此产生的光学特征具有唯一的可识别的特点。重复实验之间细微的偏移是由实验制作过程的不精确引起的。商业制造过程可以减少这种偏移。如本领域技术人员所理解，在任何情况下，用同一编码蚀刻的晶体间的细微差异是允许的。当今有很多技术可用于比较有细微不同的光学特征并决定是否与编码实质上匹配。例如，可以使用总波形包迹线(envelope)、以及与在编码内的内标(internal reference)(即，第一个、中间和最后的条纹)有关的条纹数量、频率等，来区分复制和采用方法如主要(principle)组分分析或其他多变量分析方法的其他编码。比如，按照本发明经蚀刻产生的光学特征中的图样从而形成可识编码，因而为了鉴定，足以鉴定特征图样的信息可储存在图样编码库中。
尽管已显示和描述了本发明的具体实施方式，但其他修改、代替和替换对本领域技术人员是显而易见的。在不偏离由所附权利要求确定的本发明的精神和范围的情况下，可作出这些修改、代替和替换。
本发明的各种特征在所附权利要求中列明。

Claims (44)

1.光学编码粒子(10，10a)库生成方法，包括：
选择一组电脑控制波形中的一个波形；和
在蚀刻材料过程中应用一组电脑控制波形中的这一波形，以从该材料制造粒子库的粒子，该粒子库的粒子包括，
具有折射率相对深度的图(profile)的多孔层，该折射率相对深度的图唯一对应于一组电脑控制波形的这一波形，该折射率相对深度的图在反射率光谱中唯一的干涉图样，其形成与一组电脑控制波形中的这一波形相对应的光学特征。
2.权利要求1中的粒子库生成方法，其中粒子的直径为数百微米或更小。
3.权利要求1中的粒子库生成方法，其中所述在反射率光谱中的干涉图样延伸超越可见光谱。
4.权利要求1中的粒子库生成方法，进行以形成第一多孔层和n层其他多孔层，其中所述第一多孔层和所述n层其他多孔层周期性交替并形成Bragg堆叠。
5.权利要求1中的粒子库生成方法，进行以形成第一多孔层和n层其他多孔层，其中所述第一多孔层和所述n层其他多孔层形成Rugate反射体。
6.权利要求1中的粒子库生成方法，其中该材料包括半导体。
7.权利要求6中的粒子库生成方法，其中所述半导体包括硅。
8.权利要求1中的粒子库生成方法，其中该材料包括绝缘体。
9.权利要求1中的粒子库生成方法，进一步含有结合预定的分析物的受体。
10.光学编码粒子(10，10a)，包括薄膜，其中孔隙率根据电脑控制波形库中的一个波形以产生在反射率光谱中可识别的编码库中的一个编码的方式变化。
11.权利要求10中的粒子，使用的分析检测方法包括检测谱移的步骤。
12.权利要求10中的粒子，进一步含有受体。
13.权利要求12中的粒子，其中所述受体是用于生物分析物的受体。
14.权利要求12中的粒子，其中所述受体是用于化学分析物的受体。
15.权利要求12中的粒子，其中所述受体是用于气态分析物的受体。
16.权利要求10中的粒子，进一步含有用于检测该粒子的荧光标记。
17.权利要求10中的粒子，其中该薄膜含有多孔硅。
18.权利要求10中的粒子，为微米级的。
19.对薄膜进行编码的方法，包括下述步骤：
蚀刻半导体或绝缘体基底以形成含有孔的薄膜；
根据一组电脑控制波形中的一个波形，改变蚀刻条件，以产生折射率相对深度的图，其产生图样，该图样将产生在反射率光谱中响应于照明的可识别编码。
20.权利要求19中的方法，进一步包含从该半导体或绝缘体基底分离该薄膜的步骤。
21.权利要求20中的方法，进一步包括将该薄膜分成粒子的步骤。
22.权利要求21中的方法，进一步包括掩蔽半导体或绝缘体基底的初步步骤，以限定图样来限定当粒子从薄膜分离时的粒子中的形态。
23.权利要求19中的方法，进一步包括以下步骤：
通过照明一个或多个粒子产生在反射率光谱中的干涉图样；
从干涉图样确定粒子编码。
24.权利要求19中的方法，进一步包括空间限定半导体或绝缘体基底的步骤，以在空间限定的位置或多个位置进行所述蚀刻步骤。
25.权利要求24中的方法，其中所述改变步骤进一步在不同的空间限定位置中改变蚀刻条件以在薄膜中进行多重编码。
26.权利要求25中的方法，进一步包括从该半导体或绝缘体基底分离该薄膜的步骤。
27.权利要求26中的方法，进一步包括将该薄膜分离成粒子的步骤。
28.一种鉴定附着于权利要求10的编码粒子的分析物、或鉴定含有权利要求10的编码粒子的主体(host)的方法，该方法包括以下步骤：
将编码粒子与分析物或主体联合；
通过照明粒子产生在反射率光谱中的干涉图样；
从该干涉图样中确定粒子编码；
根据上述确定步骤鉴定分析物或主体。
29.权利要求28中的方法，进一步包括通过用特殊受体或靶向部分使粒子改性以指定该粒子与分析物相结合的步骤。
30.权利要求29中的方法，其中该靶向部分为糖或多肽。
31.权利要求30中的方法，进一步包括通过荧光标识或分析物自身荧光来表示分析物的结合的步骤。
32.一种编码微米级粒子的方法，该方法包括以下步骤：
蚀刻晶片从而形成具有改变的孔隙率的薄膜，其将产生响应于照明的可检测的光学特征，该光学特征选自光学特征库；
对晶片施以电解抛光电流来从晶片除去多孔薄膜；
将薄膜切成微米级粒子，每个微米级粒子保留有由上述蚀刻步骤产生的光学特征。
33.权利要求32中的方法，进一步包括以特殊受体或靶向部分对粒子改性的步骤。
34.具有编码库的编码的编码微米级粒子(10，10a)，该编码通过粒子不同区域之间的折射率变化嵌入其物理结构中。
35.权利要求34中的编码微米级粒子，其中折射率变化是由变化的孔隙率引起的。
36.权利要求34中的编码微米级粒子，其中粒子不同区域的厚度不同。
37.权利要求34中的粒子，进一步含有受体。
38.权利要求37中的粒子，其中所述受体是用于生物分析物的受体。
39.权利要求37中的粒子，其中所述受体是用于化学分析物的受体。
40.权利要求37中的粒子，其中所述受体是用于气态分析物的受体。
41.权利要求37中的粒子，进一步含有用于分析粒子的荧光标识。
42.权利要求34中的粒子，其中该薄膜包括多孔硅。
43.光学编码粒子(10，10a)，具有孔隙率，为了确切鉴别所述粒子，以及鉴别在分析物存在下的谱移，该孔隙率的光学反射率光谱可被识别为来自图样库中的一个图样的显著干涉图样。
44.一种识别权利要求43中所述的粒子的方法，该方法包含进行主要成分分析，以使光学反射率光谱与图样库中的这一个图样匹配。
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