CN1942794A - 用于单纳米颗粒检测的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于单纳米颗粒检测的光子晶体传感器。它可以检测非常小的单个颗粒和单个分子。该传感器可以适用于进行差动测量。

Description

用于单纳米颗粒检测的装置
相关申请的交叉引用
本申请是2004年3月11日提交的美国专利申请No.10/799,020的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及用于单纳米颗粒检测的装置。
背景技术
多种化学和生物学传感器是基于被分析物的光学、电化学或物理特性而存在的。光学传感器通常可以提供无损、高灵敏度的检测，并在被分析物与通常的水背景之间具有良好的辨别力。光学手段包括表面等离子体共振、采用两个波导支路的干涉测量、以及基于内反射的折射率测量。检测到的光学信号与在整个光学体积上平均的折射率成比例。
在某些应用中，期望将用于分析的体积限制在小于1fL，以便即使在高浓度下也可以隔离出一个或多个分子。通常，用于光学传感器的分析体积不小于工作波长的立方，可能还要大得多。因此，对于通常为0.5μm到1.5μm的工作波长，分析体积超过了1fL。对于通常的光学传感器，探测光场成指数关系衰减，这可能影响光学传感器的响应度。
发明内容
根据本发明，可以通过引入晶格缺陷由二维光子晶体的晶格制成光子晶体传感器。这些二维光子晶体结构使得可以将光场限制在小于1fL的被分析物体积中，灵敏度扩展到了对单分子进行检测。
附图说明
图1示出了根据本发明的一种实施例。
图2A示出对于TM偏振态，透射率/反射率随入射角的变化。
图2B示出对于TE偏振态，透射率/反射率随入射角的变化。
图2C示出对于根据本发明的一种实施例，波长改变随折射率的变化。
图2D示出对于根据本发明的一种实施例，归一化透射谱随波长的变化。
图2E示出对于根据本发明的一种实施例，工作波长的改变Δλ随膜厚度的变化。
图2F示出对于根据本发明的一种实施例，工作波长/折射率的改变随时间的变化。
图2G示出根据本发明的一种实施例中的抖动系统。
图2H示出根据本发明的一种实施例中的同步扫描系统。
图2I示出根据本发明的一种实施例中的宽带多元件非可调谐光源系统。
图2J示出根据本发明的一种实施例中的基于斜率的峰值检测系统。
图3A示出根据本发明的一种实施例。
图3B示出根据本发明的一种实施例。
图3C示出根据本发明的一种实施例。
图3D示出根据本发明的一种实施例。
图3E示出根据本发明的一种实施例。
图4A-图4B示出根据本发明的一种实施例。
图5A示出根据本发明的一种实施例。
图5B示出根据本发明的一种实施例的简化视图。
图5C示出对于图5所示一种实施例，透射率随频率的变化以及从光子晶体结构平面的顶部泄漏出的光信号。
图6A示出根据本发明的一种实施例。
图6B示出根据本发明的衍射超晶胞的一种实施例。
图7示出根据本发明使用材料堆叠的一种实施例。
图8A-图8C示出用于制造根据本发明的一种实施例的步骤。
图9示出根据本发明的一种实施例。
图10示出对于根据本发明的一种实施例的面外场。
图11示出根据本发明用于对单纳米颗粒进行差动测量的一种系统。
具体实施方式
光子晶体结构可以将光场紧紧地限制在小于约1μm3的体积。光子晶体结构是介电常数具有周期性图样的材料，它可以产生称为光子带隙的禁止频率或波长范围。如果光子的能量落在带隙中，光子就不能经过该材料传播。可以通过将缺陷引入光子晶体的晶格结构，在二维或三维光子晶体的晶格中产生光子晶体传感器。为了本专利申请的目的，术语“光子晶体传感器”定义为这样的光学传感器，它采用光子晶体将光场或光局限在一定体积内，该体积的平均介质磁化率小于周围材料的平均介质磁化率。这样的体积例如为二维光子晶体传感器中的缺陷空穴(参见图1)。本申请中定义的光子晶体传感器与光学微腔传感器(例如，参见美国专利No.6,661,938，第3列，第26-38行)是有区别的。对于光学微腔传感器，提高灵敏度需要提高Q因子。而如下面将要说明的，对于光子晶体传感器，情况不是这样。
根据本发明的二维光子晶体晶格可以通过在高折射率材料板(例如由Si或InP制成)中刻蚀相同半径的若干空穴来构成，其中缺陷是半径与其余空穴不同的空穴。通过在高折射率板的上方和下方使用低折射率包层来提供三维的光学限制，所述包层通常是氧化物膜(例如SiO2)或空气。为了产生宽的光子带隙，空穴的半径通常在约0.2a到0.4a的范围内，其中a为晶格常数。具有六方对称性的晶格结构通常会产生最大的带隙。
根据本发明，可以由具有高折射率的介质杆层构成三维光子晶体晶格。这样，可以在所有三个维度上由光子带隙提供光学限制。
在根据本发明的一种实施例中，参考图1，可以用二维光子晶体的晶格结构110构成光子晶体传感器100。随着材料内部空穴115和空穴118的有效折射率即平均折射率的增大，光子晶体传感器100的工作频率降低。可以通过在厚度约为260nm(0.59a)的Si板材料的三角形晶格上刻蚀直径约为255nm(0.58a)的空穴115，而构成带隙在约1300nm到1600nm之间的光子晶体晶格结构110，所述三角形晶格的晶格常数约为440nm。将缺陷空穴118的直径从约255nm(0.58a)减少到约176nm(0.40a)即得到光子晶体传感器100。
如果空穴115和缺陷空穴118填充有折射率约为1.00的空气，则工作波长约为1350nm。本专利申请所用的“工作波长”或“工作频率”定义为光场或光受到局限处的波长或频率。如果光子晶体传感器100涂敷有通常折射率约为1.5、厚度约为10nm的共形薄膜，则空穴115与缺陷空穴118内部的平均折射率通常会增大，而将工作波长偏移到约1360nm。大多数感兴趣的常用薄膜是共形的。对于水基溶液分析，确保光子晶体传感器100的表面亲水可以促进这种共形。对于蛋白分析，可以使用聚电解质薄膜沉积技术来制备连续的聚-右旋-赖氨酸(poly-d-lysine)共形涂层，它可以使蛋白质更好地结合到表面。但是，只要膜材料进入空穴115和缺陷空穴118，则薄膜不一定要共形。通常，工作波长的偏移取决于空穴115的半径和缺陷空穴118的半径。可以用软件包来预测工作波长，所述软件包例如MIT Photonic Bands(MPB)包，它可以从Massachusetts Institute ofTechnology获得。注意所有的空穴115和缺陷空穴118的深度都与板材料的厚度相符，在这个例子中约为260nm。
根据本发明的实施例，长约0.75mm的两个传统脊形波导175用于将光耦合进出光子晶体传感器100，所述波导175沿这样的方向安装到光子晶体的晶格结构110，所述方向垂直于光子晶体的晶格结构110中波导传播通常所用的方向。传统脊形波导175从约2μm的宽度变细到约1.4a的宽度即约0.6μm以与图1所示的模式分布相匹配。传统脊形波导175的外端面通常是抗反射的，涂敷有成对的TiO2和SiO2层，以抑止法布里-珀罗谐振。使用波导锥形连接器(waveguide taper)将光学模式扩展到低折射率(通常约为1.5)波导中可以避免使用减反射镀膜，所述低折射率波导在空气界面处没有高反射率。光子晶体晶格结构110上两个特别的方向是最近的相邻方向(ГK)和次近的相邻方向(ГM)。光子晶体传感器100在传统脊形波导175之间沿ГM方向通常具有6个光子晶体层，沿垂直的ГK方向通常具有11到12个层。根据本发明的一种实施例，光沿着ГM方向耦合进光子晶体传感器100，因为沿着ГM方向的耦合效率通常比ГK方向至少高4倍。耦合效率的差异是因为这类双极模式中有限尺寸效应所致的面内泄漏主要沿着ГM方向。
透射谱通常是用可调谐窄带光源测量的，该光源用自由空间光学器件或者波导光学器件耦合到光子晶体晶格结构110。例如，可以用诸如显微物镜将可调谐的TE偏振激光束聚焦到传统脊形波导175中。传统脊形波导175具有数值孔径(NA)或者与之相关的接收角。只要来自显微物镜的会聚激光束的NA小于传统脊形波导175的NA，即可将光耦合到传统脊形波导175中。传统脊形波导175的NA与波导芯折射率n1和波导包层折射率n2之间的差有关：NA＝(n1 2-n2 2)1/2。与波导包层的折射率相比，波导纤芯的折射率越大，则NA或接收角越大。
例如，如果n1～3.4且n2～1.5，则接收角实际上是90度，但需要考虑反射率/透射率随入射角的变化。图2A示出的曲线图280中，曲线281示出对于TM偏振波，反射率随入射角的变化，而曲线282示出对于TM偏振波，透射率随入射角的变化。图2B示出的曲线图285中，曲线287示出对于TE偏振波，反射率随入射角的变化，而曲线286示出对于TE偏振波，透射率随入射角的变化。所有波的偏振态都可以表示为TE偏振态和TM偏振态的线性组合。对于光子晶体传感器100，只有TE偏振波有光子带隙。
也可以用由宽带光源照明的分光计或单色仪来测量透射谱。从传统脊形波导175透射出的功率通常用校准的InGaAs检测器或其他合适的光检测器(未示出)来测量。可以用红外照相机作为诊断装置来监视透射光的模式分布以确保只有来自波导模式的信号进入光检测器。当窄带光源的光波长与光子晶体传感器100的工作波长匹配时，经过光子晶体传感器100透射的光功率最大。可以用曲线拟合使确定光子晶体传感器100的工作频率或波长的灵敏度提高。
根据参考图2G的本发明的一种实施例，在抖动系统233中，窄带光源260光耦合到光子晶体传感器100。可以通过从信号发生器269施加缓变正弦信号并使光频率或波长缓慢改变(有时称为“抖动”)来对窄带光源260的光频率进行调制。窄带光源260通常选择为半导体激光器，所述半导体激光器可以通过对注入电流施加小的调制来进行调制。当窄带光源260的光频率或波长接近工作波长或频率的中心频率或波长时，响应于缓变光频率或波长的来自光检测器261的电压也受到调制。来自光检测器261的电压幅值与缓变光频率或波长离工作频率或波长的远近有关。通常，可以用例如锁定放大器263的器件产生通向窄带光源260和处理器265的误差信号。由于当窄带光源260的光频率位于光子晶体传感器100的工作频率或波长处时光检测器261上抖动信号的幅值最小，所以误差信号可以用反馈环锁定工作频率的峰值。因此可以在处理器265中确定光子晶体传感器100的工作频率或波长。
根据参考图2H的本发明的一种实施例，同步扫描系统234可以用于确定工作频率或波长。通过测量来自光检测器261的随时间变化的光电流并同步到时变可调谐窄带光源245例如可调谐激光器，可以将工作频率或波长作为时间延迟6进行编码。例如，如果对耦合到光子晶体传感器100的可调谐窄带光源245进行均匀的调谐，在约20毫秒内从1490nm到1510nm进行扫描，并在扫描开始时由时钟246向峰值捕获电路268发送脉冲，则确定产生峰值电流的时间即可确定工作频率或波长。例如，如果峰值电流是在表示波长扫描开始的脉冲发送到峰值捕获电路268之后10毫秒产生的，则工作波长位于1500nm处。
根据参考图2I的本发明的一种实施例，以比较低的成本，可以使用宽带多元件非可调谐光源系统235，该系统使用比较普通的非可调谐光源例如发光二极管(LED)。例如可以使用三个LED 241、242、243，它们各具有约40nm的半高全宽(FWHM)谱宽度，中心分别位于不同的波长1480nm、1500nm和1520nm。各个LED 241、242、243是由时钟246依次开启的，并光耦合到光子晶体传感器100。光检测器261依次测量来自每个LED 241、242、243的透射功率。光检测器261产生的电流由LED的功率分布与光子晶体100的透射率曲线的卷积决定。使用三个LED241、242、243消除了当工作波长或频率与光源的峰值频率不匹配时存在的波长或频率的不确定性，并增大了系统的动态范围。光源的频率跨度越大，可以处理的工作频率就越多，这使膜厚范围可以更宽，宽至缺陷空穴118的尺寸。如果LED的FWHM约为40nm，传感器谱线分布的FWHM约为2nm，则可以获得足够的波长分辨力。
根据参考图2J的本发明的一种实施例，使用了基于斜率的峰值检测系统236，该系统236使用光耦合到光子晶体传感器100的可调谐窄带光源247，其中在频率f0处可调谐窄带光源247的频率或波长在两个光波长之间切换。两个光波长之间的差由可调谐窄带光源247中的电子器件保持恒定，可调谐窄带光源247以“抖动”模式工作。光检测器261测量两个不同波长处透射的相对功率，来自中心位于f0处的带通滤波器249的误差信号对较低的频率或波长进行调谐，使得对于两个波长，来自光检测器261的电流相等。因此，工作波长位于较低和较高波长之间的中点。
用注射器将标定的商用硅酮流体滴施加到光子晶体传感器100的表面，通常在光子晶体传感器100的表面上产生厚度在几百微米量级、覆盖面积约5mm2的膜。由于光子晶体传感器100表面上硅酮流体的体积比感测用体积大几个数量级，所以可以用硅酮流体取代空气作为无限的均匀背景。在施加具有不同折射率的下一滴硅酮流体之前，将光子晶体传感器100在丙酮和异丙醇中清洗，然后干燥。
图2C中的曲线图200示出对于根据图1所示的本发明的实施例，工作波长随空穴115和空穴118中的环境折射率n的改变Δλ＝λ(n)-λ(空气)。对测量数据201和计算得到的数据202都进行二次拟合203。计算得到的数据202与测量数据201密切相符，表明硅酮流体完全填充了空穴115和118。
图2D示出用5个不同的折射率分别获得的归一化透射谱271、272、273、274、275，所述5个不同的折射率从约n＝1.446到n＝1.454，增量为Δn＝0.002。对于Δn＝0.002的折射率增加，图2D中的工作波长增加了约0.4nm。透射率数据经过了数值平滑处理以消除由传统脊形波导175端面的残余反射引起的法布里-珀罗振荡。工作的峰值波长是通过将数据拟合为洛仑兹形而确定的。透射谱271、272、273、274、275是通过将商用硅酮流体滴连续地施加到光子晶体传感器100的表面而获得的。所用的商用硅酮流体的标定折射率精度为Δn＝±0.0002，折射率增量为Δn＝0.002。
图2E中的曲线图250示出了对于根据本发明的一种实施例，工作波长随膜厚的改变Δλ。曲线图250示出了使用示例性材料的工作波长改变，该示例性材料具有与蛋白质和抗体相似的折射率(折射率n在从约1.4到1.5的范围内)。带电聚合物的逐层静电组装是用聚醚酰亚胺(PEI)、聚4-苯乙烯磺酸钠(PSS)和聚(d-赖氨酸氢溴酸盐)(PLS-HBR)进行的。通常每个薄膜层厚度处于2-3nm范围内。PEI和PLS-HBR上的有效电荷是正的，而PSS上的有效电荷是负的。PEI作为表面制备化学品通常表现良好，因为它易于附着到SiO2表面。PSS和PLS-HBR是沉积成平滑、均匀单层的弱电解质。
光子晶体传感器100可以用于测量薄膜的厚度，其中膜厚小于空穴118的半径。在填充缺陷空穴118和空穴115之后，工作波长或频率将不会改变，因为光场或光被限制在光子晶体传感器100的平面内。如果在空穴115之前填充缺陷空穴118，则仍然会产生工作波长或频率的改变。在通常的操作中，缺陷空穴118没有被完全填充。
光子晶体传感器100还可以用于进行时间分辨原位感测。例如，将5％甘油的去离子水溶液滴施加到光子晶体传感器100表面，所述滴具有上述硅酮流体液滴量级的体积。然后加热光子晶体传感器100使去离子水蒸发。图2F的曲线图299示出了工作波长随时间的变化，其中右侧的纵坐标示出用图2A的二次拟合所获得的对应折射率n。随着去离子水的蒸发，对应于折射率从约n＝1.338到n＝1.451的变化，工作波长从约1480.82nm改变到约1501.45nm。起始和最终的折射率分别对应于甘油与去离子水混合物中甘油占5％和85％的情况。甘油与去离子水的混合物在约900秒后达到稳定状态。
光子晶体传感器100的噪声来源包括温度改变。例如，水的折射率取决于水的温度。对于约20℃到50℃范围内的温度，在约1500nm处，水的折射率对温度的关系是dn/dT≈3×10-4。因此，温度改变1℃引起约3×10-4的折射率变化，光子晶体传感器100的工作频率或波长的变化约为0.06nm。
可以构成图1中光子晶体传感器的不同灵敏度的变体。图3A-图3E示出了图1所示光子晶体传感器100的变体。光子晶体传感器300、301、302、303、304分别使用高折射率板320、321、322、323、324，所述板具有对应例如Si或GaAs的材料的约3.4的折射率n以及约0.6a的厚度，其中a为晶格常数。板320、321、322、323、324各自置于低折射率材料上方，所述低折射率材料具有对应例如SiO2的材料的约为1.4的折射率。分别对应于板320、321、322、323、324的5层空穴315、316、317、318、319沿传播方向设置并用于光子晶体传感器300、301、302、303、304。宽度为1.4a的传统脊形波导375用于将光耦合进、出光子晶体传感器300、301、302、303、304。空穴315、316、317、318、319分别作在高折射率板320、321、322、323、324中，位于晶格常数为a的三角形晶格上。空穴315、316、317、318、319采用空气填充或用折射率约为1.4的低折射率材料填充。高折射率板320、321、322、323、324上方的区域或者是空气，或者是折射率约为1.4的低折射率材料。光子晶体传感器300、301、302、303、304的工作频率变化Δv除以空气中的工作频率vair提供了光子晶体传感300、301、302、303、304灵敏度的量度。Δv/vair越大，具体的光子晶体传感器的灵敏度就越高，得到的传感器就越好。
图3A示出光子晶体传感器300，根据本发明的一种实施例，其中空穴315半径约为0.29a，或者根据本发明的另一实施例，其中空穴半径约为0.36a，其中a为晶格间距。当空穴315的半径约为0.29a时，空穴355的半径约为0.17a，当空穴315的半径约为0.36a时，空穴355的半径约为0.21a。对于光子晶体传感器300，当空穴315的半径约为0.29a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.044，当空穴315的半径约为0.36a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.065。
图3B示出光子晶体传感器301，根据本发明的一种实施例，其中空穴316半径约为0.29a，或者根据本发明的另一实施例，其中空穴316的半径约为0.36a。空穴356和中间层的空穴391在传播方向上拉长了约0.125a，得到了椭圆形空穴391，所述椭圆形空穴391的长轴约为0.705a或0.845a，分别对应于半径约为0.29a或0.36a的空穴316。当空穴316的半径约为0.29a时，椭圆形空穴356的长轴约为0.465a，当空穴316的半径约为0.36a时，长轴约为0.545a。对于光子晶体传感器301，当空穴316的半径约为0.29a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.038，当空穴316的半径约为0.36a时，得到的Δv/vair＝0.056。
图3C示出光子晶体传感器302，根据本发明的一种实施例，其中空穴317半径约为0.29a，或者根据本发明的另一实施例，其中空穴317的半径约为0.36a。空穴357和中间层的空穴392在传播方向上拉长了约0.125a，得到了椭圆形空穴392，椭圆形空穴392的长轴约为0.705a或0.845a，分别对应于半径约为0.29a或0.36a的空穴317。当空穴317的半径约为0.29a时，椭圆形空穴357的长轴约为0.525a，当空穴317的半径约为0.36a时，长轴约为0.625a。对于光子晶体传感302，当空穴317的半径约为0.29a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.044，当空穴317的半径约为0.36a时，得到的Δv/vair＝0.063。
图3D示出光子晶体传感器304，根据本发明的一种实施例，其中空穴319半径约为0.29a，或者根据本发明的另一实施例，其中空穴319的半径约为0.36a。圆形空穴359的半径约为0.57a。对于光子晶体传感器304，当空穴319的半径约为0.29a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.045，当空穴319的半径约为0.36a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.073。
图3E示出光子晶体传感器303，根据本发明的一种实施例，其中空穴318半径约为0.29a，或者根据本发明的另一实施例，其中空穴318的半径约为0.36a。椭圆形空穴358的短轴约为0.66a，长轴约为1.48a。对于光子晶体传感器303，当空穴318的半径约为0.29a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.051，当空穴318的半径约为0.36a时，得到的Δv/vair＝0.077。因此，光子晶体303对折射率变化具有最高的灵敏度，但光子晶体301和302具有更高的Q因子，因为它们对高折射率材料中的光场有更大的局限作用。这种更大的局限作用降低了灵敏度。
空穴315、316、317、318、319的半径约为0.36a的情况与半径约为0.29a的情况相比，光子晶体传感器300-304的透射率较低，这是由于传统脊形波导375与高折射率板320、321、322、323、324之间的耦合降低了。例如，空穴318的半径约为0.29a时，光子晶体传感器303的透射率约为0.31，相比之下，空穴318的半径约为0.36a时，透射率约为0.11。当空穴315、316、317、318、319的半径约为0.36a时，与半径约为0.29a时相比，高折射率板320、321、322、323，324的平均介电常数更小。因此，高折射率板320、321、322、323、324与传统脊形波导375之间的折射率不连续性增大，导致耦合降低。通过如上所述将传统波导375制成锥形可以使耦合提高。通过在高折射率板320、321、322、323、324的上方和下方设置金属层以增大光学限制可以增强灵敏度。可以使用例如金、银或铝的金属，因为它们的吸收更小。金属层的厚度通常在晶格常数a的量级或更小。详细内容参见通过引用而结合于此的美国专利公开No.20020159126A1。因为金属层的效果是在垂直于二维光子晶体板的方向对光进行限制，所以可以使用除了Si以外的材料，例如Al2O3、GaN、SiN或SiO2。这增加了光子晶体传感器(例如光子晶体传感器303)的灵敏度。但是，金属的光学吸收(特别是在可见光波长和近红外波长处)通常会使这类光子晶体传感器的透射率和Q因子降低。
图4A-图4B分别以侧视图和俯视图示出根据本发明的三维光子晶体传感器400。光子晶体传感器400具有21个层。因为光子晶体传感器400是三维的，对于光的任意入射角都会出现缺陷区域435引起的透射峰。因此，在工作波长处，可以用例如传统脊形波导452和453分别将光从一侧耦合进光子晶体传感器400并在相反侧耦合出来。如果要将光垂直于三维光子晶体晶格401的层进行耦合，则通常使用光纤波导。三维光子晶体传感器400提供了比光子晶体传感器300、301、302、303、304更好的灵敏度，但是通常更难制造。在根据本发明的一种实施例中，三维光子晶体传感器400由多层折射率约为3.6的介质杆450构成以形成三维光子晶体晶格401，通常是Si、GaAs或InP。介质杆450具有例如约0.22c乘以0.25c的截面尺寸，其中c为沿堆叠方向一个单位晶胞的厚度，它等于四个介质杆450的厚度。介质杆450在每层内彼此分开约0.6875a。通过从杆451的中部除去约0.625a来产生缺陷区域435。光子晶体传感器400灵敏度的量度Δv/vair＝0.112。
实际上，位于光子晶体传感器400的缺陷区域435中的感测用体积是由光刻限定的。由于光场或光局限在缺陷区域435中，所以重要的是使得被分析物只能填充在缺陷周围的空间。用例如SiO2取代空气可以简化操作和制造而同时维持光子晶体传感器400的性能，参见通过引用而结合于此的Fleming，J.G.和Lin，S.Y.在Journal of Lightwave Technology，v17(11)，p.1956-1962，1999的文章。在光子晶体传感器400的三维层完成之后，将光刻胶中的开口对准光子晶体传感器400的缺陷区域435。用氢氟酸刻蚀或对SiO2进行刻蚀的其他选择性刻蚀可以除去感测用体积中的SiO2。这样可以控制被分析物流入光子晶体400中界限明确的小体积中，所需的被分析物更少。
根据本发明的实施例，二维光子晶体传感器可以如图5A所示的光子晶体结构500来布置，以便可以处理图5B所示的多个缺陷空穴。缺陷空穴515可以将光耦合出光子晶体波导520。在缺陷空穴515的工作波长处，由于将光耦合出光子晶体波导520，所以沿光子晶体波导520的透射率下降，针对光子晶体结构500平面的顶部出来的功率产生峰值。改变缺陷空穴515的尺寸和/或形状可以改变工作波长。可以如图5B的概念性视图中所示沿光子晶体波导550的长度方向设置一系列缺陷空穴525、535、545。随着可调谐光源(未示出)扫过一个波段，对于从光子晶体波导575的平面泄漏出的信号，在缺陷空穴525、535、545的不同的工作波长处产生信号峰581、582、583。信号峰581、582、583(参见图5B)通常是用设在缺陷空穴525、535、545上方的光检测器(未示出)分别测量的。微透镜(未示出)通常用于将信号聚焦到每个光检测器上。
例如，对于图5A，根据本发明的一种实施例，光子晶体结构500的空穴560半径约为0.29a，在设于SiO2衬底上的硅板561中深度为0.6a，其中a为晶格常数。空穴560中的一行由短轴约为0.66a、长轴约为1.48a的椭圆形空穴562取代。缺陷空穴515的半径约为0.41a。图5C示出沿着光子晶体波导520透射率随频率的变化以及从光子晶体结构500平面的顶部泄漏出的光学信号的曲线图599。在缺陷空穴515的工作频率0.254c/a处，其中c为真空中的光速，590线表明沿光子晶体波导520的透射率有大约8dB的下降，591线指出了从平面泄漏出的功率峰值。大约8％的泄漏进入了下方的SiO2衬底，大约7％的泄漏向上离开平面进入了空气。
对于图5B，缺陷空穴525、535、545的次序通常排列为使与光子晶体波导520耦合更强的缺陷空穴设在光子晶体波导520的下方更远处，该处的透射信号较弱。这是因为输出效率取决于平面内的质量因子与垂直于平面的质量因子的比值。当该比值为1时输出效率最大。质量因子取决于缺陷空穴525、535、545的形状和尺寸、缺陷空穴525、535、545与光子晶体波导520之间的间隔、光子晶体板562的厚度以及光子晶体板562和衬底(图5B中未示出)的折射率。因为光子晶体波导550有损耗，所以缺陷空穴525、535、545中输出效率较低的缺陷空穴设在靠近光子晶体波导550的输入处，缺陷空穴525、535、545中输出效率较高的缺陷空穴设在靠近光子晶体波导550的末端处。关于输出效率的详细内容可以在M.Imada等人在Journal of Lightwave Technology，20，873，2002的文章中找到，该文章通过引用而结合于此。
如图6A的简化形式所示，根据本发明的一种实施例，可以在传感器芯片600上布置光子晶体传感器610的阵列。波导615的阵列可以设在传感器芯片600的边缘，每个光子晶体传感器610对应于一个波导615。波导615阵列的间距通常约为4μm。根据本发明的高NA聚焦透镜的焦距通常为1mm，聚焦透镜的孔径通常为0.5mm。阵列中可处理的波导615的数目实际上是由这样的因素限定的，即对于固定的输入功率，在维持进入波导615的透射率足够(参见图2A和2b)的同时可以获得多大的入射角。
可以用衍射阵列发生器640处理光子晶体传感器610的阵列以同时处理或耦合进波导615的阵列。衍射阵列发生器例如衍射阵列发生器640在例如Gmitro，A.F.和Coleman，C.L.，Optoelectronic Interconnects andPackaging，Proceeding SPIE，v.CR62，88，1996中有说明，该文章通过引用而结合于此。商用衍射阵列发生器能产生20个衍射级次，效率约为95％。衍射阵列发生器640设计为在相邻的衍射级次或子束(beamlet)之间提供预定的角度间隔。例如，如果焦距约为1mm，波导615的阵列间距为4μm，则需要的角度间隔为0.004弧度。衍射阵列发生器640通常被划分为衍射超晶胞690。角度间隔确定了衍射超晶胞690的尺寸(参见图6B)，该尺寸由λ/sinθ确定，其中λ为光波长，θ为角度间隔。对于θ＝0.004、λ＝1500nm，衍射超晶胞690的尺寸约为375μm。衍射超晶胞690通常被划分为若干个象素695，其中每个象素695加入一段相位延迟。由每个象素695产生的相位延迟由衍射超晶胞690的表面687中的刻蚀深度d确定，该相位延迟由(n1-n2)2dπ/λ给出，其中n1为衍射超晶胞690的折射率，n2为周围介质的折射率，λ为光波长。
象素695的数目越多，可以处理的衍射级次就越多，各衍射级次上的功率均匀度就越好。设象素695的尺寸约为1μm，衍射超晶胞690的尺寸为375μm，这样可以使光衍射到约100级，每个级次的强度相等，差别在20％以内。
当波长改变时，需要考虑可调谐光源的效果。例如，假设可调谐光源的调谐范围约10nm，中心波长为1500nm，则在1500nm处，第50个衍射级以约为11.57度的角度衍射，在1510nm处，第50个衍射级以约为11.62度的角度衍射。那么，衍射级的横向位移在1500nm处约为200μm，在1510nm处约为201μm。尽管耦合效率降低了，但在可调谐光源的整个10nm调谐范围中很大部分仍然耦合进波导615。对于在存在水的情况下对粘附到光子晶体传感器610的生物分子进行检测，10nm的调谐范围通常足以覆盖光子晶体传感器610的整个动态范围。为了获得更宽的调谐范围，通常必须减小衍射级次的数目，并因此减小可处理的波导615的数目。用于衍射阵列发生器640的静态衍射元件通常由例如石英的介质材料或者例如聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯的聚合物制成。
衍射阵列发生器的替换物包括可用作动态可重构衍射阵列发生器的空间光调制器(SLM)，参见例如Kirk，A.等，Optical Communications，vol.105，302-308，1994，以及基于MEMS的动态可重构反射镜阵列，参见例如Yamamoto，T等，IEEE Photonics Technology Letters，1360-1362，2003。SLM通常可以对每个波导615按时间顺序进行单独处理。
图7示出根据本发明使用了材料堆叠700的一种实施例。高折射率芯层710由包层720和730包围，所述芯层710的折射率在从3到4的范围，例如Si或Ge单晶材料或者例如GaAs或InP的化合物半导体材料。包层720和730通常由折射率约为1.5的材料制成，例如SiO2、Al2O3或旋涂玻璃(spin on glass)。在使用Si单晶材料时，顶部和底部的包层720和730通常由折射率约为1.5的材料形成，例如SiO2或旋涂玻璃。在使用化合物半导体材料例如III-IV族元素材料时，底部包层720通常是Al2O3(折射率约为1.76)，因为用含铝化合物易于形成外延层。此后用横向氧化对铝层进行氧化。如果要将光耦合出材料堆叠200的平面，则上面的包层730通常比下面的包层720折射率更高，可以由SiO2、Si3N4或折射率小于2的其他适当材料制成。
根据本发明，用于二维光子晶体传感器的通常初始结构是绝缘体上硅(SOI)晶片、GaAs/AlxOy或InGaAsP/AlxOy材料。二维光子晶体传感器可以使用为垂直腔面发射激光器(VCSEL)开发的湿式氧化技术用例如GaAs/AlxOy或InGaAsP/AlxOy材料实现，也可以用折射率差异较小的材料例如基于InGaAsP/InP或GaAs/AlGaAs的材料实现，这需要在深度刻蚀的同时维持垂直的侧壁以减小传播损耗。
根据本发明的实施例，参考图8A，二维光子晶体传感器由SOI晶片制造，其中厚度约为1μm的SiO2层810将厚度约为260nm的Si板801与Si衬底816隔开。图8A示出了用低温等离子辅助化学气相沉积在SOI晶片810上沉积的100nm厚的SiO2硬掩模815。选择Si板816的厚度以提供较大的光子带隙，如Johnson，S.G.等，Physical Review B，vol.60，8，p.5751，1999中所述。用有效折射率法可以发现Si板816的厚度大于260nm将导致多模波导。因此用不同的包层来对Si板816的厚度进行调整。
用电子束光刻机在一次光刻步骤中形成光子晶体晶格结构110和脊形波导175(参见图1)的图样。通常以约5nm网格的高精度模式对光子晶体晶格结构110进行限定，而通常以约50nm的较粗糙网格对脊形波导175进行限定。通过将光子晶体晶格结构110和脊形波导175都对之前的光刻步骤中产生的金属对准标记(未示出)进行定位来保持光子晶体晶格结构110与脊形波导175对准。空穴118通常由垂直于脊形波导175中传播方向的2到4个晶格周期包围。通常通过使用CHF3/He/O2化学物质的反应离子刻蚀(RIE)将电子束光刻图样转移到SiO2硬掩模815中(参见图8B)。用HBr化学物质对Si板816进行刻蚀(参见图8c)以产生高度垂直和光滑的侧壁，参见Painter等，Journal of Lightwave Technology，17(11)，p.2082，1999，该文章通过引用而结合于此。为了在光子晶体晶格结构110上获得质量良好的端面，光子晶体晶格结构110的顶面由热稳定的有机介质(通常是光刻胶)保护，所述有机介质在沉积之后对光子晶体晶格结构110进行切割和抛光时易于除去。抛光通常用SYTON硅胶抛光剂来进行。
缺陷空穴118和空穴115的适当尺寸是通过将布局结构方面的考虑与电子束剂量进行均衡而获得的。在对纳米尺度构件的剂量限定(dosedefinition)实验中，必须考虑邻近效应。剂量与SiO2和Si刻蚀处理之后的最终空穴外形尺寸有关。空穴115和缺陷空穴118的最终外形尺寸通常小于电子束光刻所限定的构件，这表明刻蚀处理产生的侧壁通常并非垂直的。
用于将图样转移到SiO2层815中的具体的刻蚀处理对空穴115和缺陷空穴118的直径有影响。根据具体的刻蚀条件，可以增加或减小空穴115和缺陷空穴118的直径。在刻蚀处理期间，较小的反应器压力使空穴115和缺陷空穴118的最终外形尺寸相对于设计外形尺寸的直径改变较小。从初始的光刻图样到光子晶体晶格结构110，通常的制造公差小于2％。保留下面的SiO2层810可以提供附加的机械支撑。
根据本发明，可以实现单纳米颗粒检测。为了本申请的目的，纳米颗粒定义为这样的颗粒，例如有效半径在1到250纳米量级的分子。对于例如用于测量薄膜的光子晶体传感器303-304，与用于测量固定体积(例如单一纳米颗粒)的光子晶体传感器相比，工作波长的选择不同。通常，二维光子晶体传感器的灵敏度为Δλ/λ(或者Δv/v)，它与被分析物体积除以光学模式体积成比例。光学模式体积与工作波长的立方(λ3)成比例，其中光学模式的体积可以定义为涵盖了90％光强度的体积。在测量薄膜时，被分析物体积与工作波长的平方(λ2)成比例，所以测量的响应度(Δλ)与厚度成比例，而与工作波长无关。但是，对于单纳米颗粒检测，被分析物体积是固定的。所以，测量的绝对响应度Δλ与λ2成反比。因此，测量的绝对波长响应度Δλ随着工作波长的减小而增大。在减小工作波长方面，物理上的障碍通常包括材料的吸收以及适当的可调谐光源。例如，Si吸收光源中小于约1μm的波长。通过改用在短于1μm的波长处透明的材料(例如GaN或GaAs)，以及将检测方案改为上述无需可调谐光源的检测方案之一，可以解决这个问题。
图9示出了根据本发明的光子晶体传感器900，它可以进行单纳米颗粒检测。通常在整个光子晶体板918上从头到尾刻蚀相同半径的空穴905，光子晶体板918通常是Si、GaN、InP或GaAs，或者其他适当的高折射率材料。光子晶体板918光耦合到用于将光输入光子晶体传感器900中的波导(图9中未示出)。光子晶体传感器900由二维光子晶体晶格结构形成，通过将单一空穴结构改为其他形式的均匀二维周期性晶格来产生缺陷空穴910。区域915示出了有效感测体积。三维光学限制通常是通过低折射率支撑物920(通常是SiO2)以及衬底922(通常是Si)上方的空气层925来提供的。光子晶体传感器900可以用来测量是否有纳米颗粒存在于缺陷空穴910中或者从其穿过。根据本发明，纳米颗粒通常悬浮在载液中，例如水中。
随着空穴905和空穴910内材料的有效折射率或平均折射率增大，光子晶体传感器90的工作频率减小。光子晶体传感器900的响应度定义为相应于折射率改变Δn的波长改变。对于用绝缘体上硅(SOI)材料制造的光子晶体传感器900，响应度Δλ/Δn通常在约150nm到约300nm的范围。当折射率只在缺陷空穴910中改变时，响应度Δλ/Δn通常在约75nm到约150nm的范围。根据本发明的光子晶体传感器900的一种实施例晶格常数a约为440nm，对于空穴905，半径r在约0.25a到约0.4a的范围内；对于缺陷空穴910，半径r’在约0.15a到约0.25a的范围内；对于光子晶体板918，厚度t约为0.6a。对于缺陷空穴910，通常体积在1×10-17L或者6×106nm3量级。因此，直径10nm的纳米颗粒(例如分子)占据的体积比例约为10-4。最常见的有机分子，例如蛋白质、抗体或病毒，具有约1.5的折射率，而水的折射率约为1.3。因此，缺陷空穴910中存在10nm的分子提供了约2×10-5的折射率改变，给光子晶体传感器900的工作波长造成约3pm的改变。上面讨论的采用波长可调谐激光器的检测方案就具有所需的灵敏度。
通常，通过改变r/a和r’/a并且针对于仅仅在缺陷空穴910中发生的折射率变化确定工作频率的变化(对于缺陷空穴910的体积归一化)，来调整光子晶体传感器900的设计以获得单纳米颗粒的响应度，其中r和r’分别为空穴905和缺陷空穴910的半径，a为晶格常数。如上所述，随着空穴905和缺陷空穴910的尺寸增大，工作波长也增大，对于可调谐光源的调谐范围固定的情况，这点很重要。为了将工作波长保持在光源的固定调谐范围内，需要对晶格常数也进行调整。调谐的一个例子是减小缺陷空穴910的半径，以增大对固定波长进行感测时工作波长的漂移。例如，计算表明，在对半径约10nm的单纳米颗粒进行感测时，对于缺陷空穴910的半径r’从约107nm减小到约67.5nm的情况，工作波长的测量响应增加了约50％，从Δλ～0.012nm到～0.018nm。
生物分子的通常尺寸，对于蛋白质约为2nm到4nm，对于抗体约为4nm到10nm，对于病毒约为40nm到100nm。可以用微流体通道将一个个的分子发送到缺陷空穴910。微流体通道可以在各种材料上制造，所述材料例如玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺或其他可以光限定的(photodefinable)有机物。如果需要，可以通过除去低折射率支撑物925，将光子晶体传感器900转换为膜结构。在需要被分析物进入光子晶体传感器900的缺陷空穴910中时，制成膜结构有利于控制被分析物的流动。使流动重定向为流经膜结构而不是在传感器之上流动，有利于液体流入缺陷空穴910。被分析物与传感器场的相互作用增大了，但是液体流动所经过的直径减小了，直径减小减缓了微流体通道中的总体流动，或者说需要更大压力来获得相同的总流速。
在根据本发明的某些实施例中，对经过或进入空穴905的流动进行阻挡，使得可以流经或流入缺陷空穴910。折射率在约1到约1.7之间的材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅，可以用于填充空穴905，同时仍然使光子晶体传感器900具有满意的性能。根据本发明一些实施例，光子晶体传感器900对于经过空穴905颗粒的响应度通常比光子晶体传感器900对于经过缺陷空穴910的颗粒的响应度小至少两倍。因此，通常只有在被分析物颗粒的浓度较高时才需要填充空穴905。
根据本发明，空穴905和缺陷空穴910都可以用低折射率材料填充，因为如图10所示，缺陷空穴910附近的光场既向光子晶体板918上方延伸，也向其下方延伸。图10示出了根据本发明，对于λ～1350nm，通常的面外光场分布1000，它以缺陷空穴910的中心轴附近为中心。因此，当颗粒放在缺陷空穴910上方时，光子晶体传感器900的工作频率也会改变。由于水与被分析物之间的折射率差，这种检测模式通常不需要被分析物上的任何标记或标签，因此便于样品制备工作，但是降低了专用性(specificity)。
可以用非常小的颗粒对特定的分子进行标签，所述颗粒是半径在约1nm到5nm量级的高折射率材料，例如Au或Ag。详细情况可以参见例如J.F.Hainfeld，“Labeling with nanogold and undecagold：techniques andresults”，Scanning Microscopy Supplement，10，309-325，1996以及J.F.Hainfeld and R.D.Powell，“New Frontiers in gold Labeling”，Journal ofHistochemistry and Cytochemistry，48，471-480，2000，这些文章通过引用而结合于此。这里，光子晶体传感器900对于作为标签的高折射率颗粒的存在作出响应，从而可以对被标签的特定分子进行检测。因为根据本发明可以对非常小的折射率改变进行检测，所以可以使用许多不同的标签，实现高度的复用。通常用于标签的高折射率材料包括CdS、InP或者前述例如Au或Ag的金属。
可以对直径约30nm到100nm的小珠子进行功能化，以允许具体的生物分子粘附到珠子表面。通常，珠子是水溶液中的聚苯乙烯胶乳珠。聚苯乙烯胶乳珠通常涂敷有用CVD(化学气相沉积)沉积的SiO2薄膜，薄膜厚度通常在约10A到约50A量级。这种涂敷之后，通常用CVD沉积憎水硅烷化合物，例如全氟癸烷三氯硅烷(FDTS)或癸基三氯硅烷(C-10)。珠子表面通常用例如蛋白质、生物素化的蛋白质或抗体来进行官能化。如果用蛋白质对珠子表面进行官能化，则与用于具体蛋白质的抗体发生键合。如果用抗体对珠子表面进行官能化，则与用于具体抗体的蛋白质发生键合。如果用生物素化的蛋白质对珠子表面进行官能化，则与蛋白质表面上的生物素发生键合。用于具体蛋白质的抗体可以固化到所得的憎水表面上，能够得到对于具体珠子尺寸的具体键合信息。在珠子尺寸得到良好控制的情况下，随着珠子经过光子晶体传感器900的缺陷空穴910，可以测量键合到珠子表面的生物分子数目。工作波长的改变Δλ或工作频率的改变Δv与缺陷空穴910的体积或折射率的改变比例成比例：Δλ～αρ3，其中α包含了传感器的响应度，ρ为球半径。这样得到了对珠子半径的响应度为Δλ/Δρ～3αρ2。例如，设珠子直径为50nm，则工作波长的改变相对于由于生物分子的粘附造成的半径改变为Δλ/Δρ～0.23，于是半径每改变1nm，对应于工作波长改变0.23nm。可以用不同的化学物质对含有不同直径珠子的溶液进行官能化，从而在溶液中进行多种不同的键合实验，然后通过使珠子经过光子晶体传感器900的缺陷空穴910来分析结合系数(binding coefficient)。
图11示出了根据本发明的一种实施例，其中光子晶体传感器1106、1107、1108和1109集成在单一的衬底1104上，从而可以进行差动测量。注意，对于光子晶体传感器1106、1107、1108和1109，光子晶体晶格不一定相同。光波导1110使得可以对光子晶体传感器1106和1107分别进行光学查询(interrogation)，而光波导1115使得可以对光子晶体传感器1108和1109分别进行光学查询。微流体通道1120、1121、1122和1123(示意性示出)分别将流体成分发送到光子晶体传感器1106、1107、1108和1109。用于产生被分析物或与期望的被分析物进行反应的结构1155和1150分别位于微流体通道1121和1122中光子晶体传感器1107和1108上游处。例如，如果结构1150和1155分别为正常细胞和异常细胞，则这些细胞在芯片上孵化和固化，参见例如H.Andersson and A.Van den Berg，“Microfabrication and microfluidics for tissue engineering：state of the art andfuture opportunities”，Lab on a chip，4，98-103，2004，该文通过引用而结合于此。微流体通道1120和1123分别与光子晶体传感器1106和1109一起提供参考信号，从而能够对温度漂移进行补偿，并提供载液中的缓冲剂和溶剂等。外部微流体输入口1199用于引入用于细胞的药品、水和培养基，光子晶体传感器1106、1107、1108和1109下游的相应输出口(未示出)用于收集过量的流体。光子晶体传感器1106、1107、1108和1109可以用于例如测量细胞的药品消耗量，或者对存在药品或其他分子的情况下，从细胞排出的蛋白质中的改变进行测量。

Claims (10)

1.一种用于检测单纳米颗粒的二维光子晶体传感器装置(900)，包括：
用于输入光的波导(920)；和
光耦合到所述波导(920)的光子晶体板(918)，所述光子晶体板(918)由二维周期性晶格形式的空穴(905)穿过，所述二维周期性晶格形式的空穴(905)包括晶格常数和缺陷空穴(910)，所述缺陷空穴(910)被调整为适于检测所述单纳米颗粒，所述光子晶体板(918)能够从所述波导(920)接收所述光，并能够在工作波长处将所述光限制在所述缺陷空穴(910)中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，除了所述缺陷空穴(910)之外的所述二维周期性晶格形式的空穴(905)由低折射率材料填充。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述缺陷空穴(910)由所述低折射率材料填充。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，包括了所述单纳米颗粒的载液流过所述缺陷空穴(910)上方。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，用所述光子晶体板(1104)上的微流体通道(1120、1121、1122、1123)使所述载液流到所述缺陷空穴(910)。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，包括了所述单纳米颗粒的载液通过所述缺陷空穴(910)。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，用所述光子晶体板(1104)上的微流体通道(1120、1121、1122、1123)使所述载液流到所述缺陷空穴(910)。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波导(920，1110)是传统的脊形波导。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述单纳米颗粒由高折射率颗粒进行标签作用。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，采用复用来对所述经过标签作用的单纳米颗粒进行检测。
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