TWI817240B - 使用x射線螢光進行生物分析物研究的裝置和方法 - Google Patents

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Abstract

本文公開了一種裝置，所述裝置包括：X射線源；X射線檢測器；其中所述X射線源被配置成以掠射角將X射線束導向一表面，在所述掠射角處所述X射線束被所述表面進行全外反射；其中第一生物分析物被固定於所述表面上，並且第一元素被附接於所述第一生物分析物上；其中所述X射線束能夠引起所述第一元素的特徵X射線的發射；其中所述X射線檢測器被配置為接收所述第一元素的所述特徵X射線，但不接收被所述表面反射的所述X射線束。

Description

使用X射線螢光進行生物分析物研究的裝置和方法
本發明是有關於一種進行生物分析物研究的裝置和方法，且特別是有關於一種使用X射線螢光進行生物分析物研究的裝置和方法。
X射線X 射線螢光 (XRF) 是從已通過例如暴露於高能 X 射線或伽馬射線而被激發的材料發射特徵 X 射線。如果原子暴露於光子能量大於電子電離勢的 X 射線或伽馬射線，則原子內軌道上的電子可能會被彈出，從而在內軌道上留下空位。當原子外軌道上的電子弛豫以填充內軌道上的空位時，會發射 X 射線（螢光 X 射線或二次 X 射線）。發射的 X 射線的光子能量等於外軌道和內軌道電子之間的能量差。
對於給定的原子，可能的弛豫數是有限的。如圖 1A 所示，當 L 軌道上的電子弛豫以填充 K 軌道上的空位 (L→K)時，螢光 X 射線稱為 Kα。來自 M→K 弛豫的螢光 X 射線稱為 Kβ。如圖 1B 所示，來自 M→L 弛豫的螢光 X 射線稱為 Lα，依此類推。
分析螢光 X 射線光譜可以識別樣品中的元素，因為每種元素都具有特徵能量的軌道。可以通過對光子的能量進行分類（能量色散分析）或通過分離螢光 X 射線的波長（波長色散分析）來分析螢光 X 射線。每個特徵能量峰的強度與樣品中每種元素的含量直接相關。
在能量色散分析中可以使用比例計數器或各種類型的固態檢測器（PIN二極體、Si(Li)、Ge(Li)、矽漂移檢測器SDD)。這些探測器基於相同的原理：入射的X 射線光子電離大量的檢測器原子，產生的電荷載流子的數量與入射的X 射線光子的能量成正比。對電荷載流子進行收集和計數以確定入射的X 射線光子的能量，並且對於下一個入射的X 射線光子，該過程會重複進行。在檢測到許多 X 射線光子之後，可以通過計數 X 射線的光子數作為其能量的函數來編制光譜。
本文公開了一種裝置，所述裝置包括：X射線源；X射線檢測器；其中所述X射線源被配置為以掠射角將X射線束導向一表面，在所述掠射角處所述X射線束被所述表面進行全外反射；其中第一生物分析物被固定於所述表面上，並且第一元素被附接於所述第一生物分析物上；其中所述X射線束能夠引起所述第一元素的特徵X射線的發射；其中所述X射線檢測器被配置為接收所述第一元素的所述特徵X射線，但不接收被所述表面反射的所述X射線束。
根據實施例，所述裝置還包括所述表面。
根據實施例，所述表面是基底的外表面。
根據實施例，所述表面是厚度小於10微米的膜的外表面。
根據實施例，所述膜是金屬膜。
根據實施例，所述膜是外延矽膜。
根據實施例，來自所述X射線源的入射到所述表面上的X射線束無不在所述表面處發生全外反射。
根據實施例，所述裝置還包括位於所述X射線源前方的狹縫或准直器。
根據實施例，導向所述表面的所述X射線束是扇形束。
根據實施例，導向所述表面的所述X射線束是准直束。
根據實施例，所述X射線檢測器被配置為通過確定所述第一元素的所述特徵X射線的光子能量來檢測所述第一元素。
根據實施例，所述X射線檢測器被配置為對所述第一元素的所述特徵X射線的光子數進行計數。
根據實施例，所述表面不在與液體的介面處。
根據實施例，所述第一生物分析物是蛋白質或核酸。
根據實施例，所述第一元素通過配體被附接於所述第一生物分析物上。
根據實施例，所述裝置還包括所述第一生物分析物。
根據實施例，所述裝置還包括濾波器，所述濾波器被配置為防止具有高於閾值的能量且由所述X射線源發射的X射線光子到達所述表面。
根據實施例，所述X射線檢測器被配置為不區分所述X射線束的光子和所述第一元素的所述特徵X射線的光子。
根據實施例，所述第一元素具有大於20的原子數。
根據實施例，所述第一元素具有大於26的原子數。
根據實施例，所述X射線束能夠引起被附接到固定於所述表面的第二生物分析物的第二元素的特徵X射線的發射。
根據實施例，所述X射線檢測器被配置為接收所述第一元素的所述特徵X射線和所述第二元素的所述特徵X射線的組合。
根據實施例，所述X射線檢測器被配置為通過確定所述第二元素的所述特徵X射線的光子能量來檢測所述第二元素。
本文公開了一種方法，所述方法包括：將 X 射線束以掠射角導向一表面，使得所述X 射線束被所述表面進行全外反射，其中第一生物分析物被固定於所述表面上，並且所述第一元素被附接於所述第一生物分析物上，並且其中所述X射線束引起所述第一元素的特徵X射線的發射；用X射線檢測器接收所述第一元素的所述特徵X射線，但不接收被所述表面反射的所述X射線束。
X 射線螢光 (XRF) 可用於通過檢測被附接於生物分析物上的元素來研究生物樣品。圖2示意性地示出了被配置為使用具有全外反射(TER)配置的XRF來研究生物分析物的裝置200。裝置200可以包括X射線檢測器100和X射線源101。
根據實施例，X射線源101被配置為以掠射角108將X射線束102導向表面104，在該掠射角108處X射線束102被表面104進行全外反射。掠射角108是X射線束102和表面104之間的角度，如圖2所示。掠射角108的大小上限可取決於X射線束102的波長和表面104的特徵(例如，材料)。當掠射角108的大小小於上限時，X射線束102發生全外反射。在一方面，X射線源101被配置為使得來自X射線源101的X射線束無不在表面104處發生全反射。裝置200可以包括位於 X射線源101前方的狹縫或准直器107。X射線束102可以是扇形束或准直束。裝置200還可以包括濾波器199，該濾波器199被配置為防止具有高於閾值的能量且由X射線源101發射的X射線光子到達表面104。
表面104可以是基底106的外表面。表面104可以是厚度小於10微米的膜105的外表面。例如，膜105可以是金屬膜或外延矽膜。表面104可以是裝置200的一部分。在一方面，表面104不在與液體的介面處。在一方面，第一生物分析物910被固定於表面104上，並且第一元素911被附接於第一生物分析物910上。第一元素911可以通過配體被附接於第一生物分析物910上。第一元素911的原子數可以大於20或大於26。第一生物分析物910可以是裝置200的一部分。第一生物分析物910可以是蛋白質或核酸。
在一方面，X射線束102能夠使第一元素911發射其特徵X射線109。X射線檢測器100被配置為接收特徵X射線109但不接收被表面104反射的X射線束103，如圖2所示。X射線檢測器100的位置不一定是固定的。例如，X射線檢測器100可以朝向和遠離表面104移動，或者可以相對於表面104旋轉。在一方面，X射線檢測器100被配置為如果 X 射線檢測器 100接收X射線束 102的光子和特徵 X 射線 109 的光子則不對二者進行區分。X射線檢測器100可以被配置為通過確定特徵X射線109的光子的能量來檢測第一元素911，或者被配置為對特徵X射線109的光子數進行計數。
可以存在固定於表面 104上 的第二生物分析物 920 和附接於第二生物分析物 920 上的第二元素 921。第二生物分析物 920 可以不與第一生物分析物 910 在空間上分開。如果存在第二生物分析物920，則X射線束102能夠使第二元素921發射其特徵X射線。X射線檢測器100可以佈置在距第一生物分析物910和第二生物分析物920大約相同距離或不同距離處。X射線檢測器100可以接收第一元素911的特徵X射線和第二元素921的特徵X射線的組合。X射線檢測器100可以通過確定第二元素921的特徵X射線的光子能量來檢測第二元素。
圖3A示意性地示出了根據實施例的X射線檢測器100的剖視圖。X射線檢測器100可以包括X射線吸收層110和用於處理或分析入射的X射線在X射線吸收層110中產生的電信號的電子器件層120（例如，ASIC）。X射線吸收層110可以包括諸如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或其組合之類的半導體材料。半導體對於感興趣的X射線能量可以具有高品質衰減係數。
如圖3B中的X射線檢測器100的詳細剖視圖所示，根據實施例，X射線吸收層110可以包括由第一摻雜區111，第二摻雜區113的一個或多個離散區114形成的一個或多個二極體（例如， p-i-n或p-n）。第二摻雜區113可以通過可選的本徵區112與第一摻雜區111分離。離散區114通過第一摻雜區111或本徵區112彼此分離。第一摻雜區111和第二摻雜區113具有相反的摻雜類型（例如，區域111是p型且區域113是n型，或者，區域111是n型且區域113是p型）。在圖3B的示例中，第二摻雜區113的每個離散區114與第一摻雜區111和可選的本徵區112形成二極體。即，在圖3B的示例中，X射線吸收層110具有多個二極體，其具有第一摻雜區111作為共用電極。第一摻雜區111還可以具有離散的部分。
當X射線光子撞擊包括二極體的X射線吸收層110時，X射線光子可以通過多種機制被吸收並產生一個或多個電荷載流子。X 射線光子可以產生 10 到 100000 個電荷載流子。電荷載流子可以在電場下漂移到二極體之一的電極。該場可以是外部電場。電觸點119B可以包括離散部分，每個離散部分與離散區114電接觸。在實施例中，電荷載流子可以在各方向上漂移，使得由單個X射線光子產生的電荷載流子基本上不被兩個不同的離散區114共用（這裡“基本上不……共用”意指相比於其餘的電荷載流子，這些電荷載流子中小於2％、小於0.5％、小於0.1％或小於0.01％的電荷載流子流向一個不同的離散區114）。由入射在這些離散區114之一的覆蓋區周圍的X射線光子產生的電荷載流子基本上不與這些離散區114中的另一個共用。與離散區114相關聯的像素150可以是離散區114周圍的區域，其中由入射到其中的X射線光子產生的基本上全部（大於98％，大於99.5％，大於99.9％，或大於99.99％）的電荷載流子流向離散區114。即，這些電荷載流子中小於2％、小於1％、小於0.1％或小於0.01％的電荷載流子流過該像素。
如圖3C中的X射線檢測器100的可替代的詳細剖視圖所示，根據實施例，X射線吸收層110可以包括諸如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或其組合之類的半導體材料的電阻器，但不包括二極體。半導體對於感興趣的X射線能量可以具有高品質衰減係數。
當X射線光子撞擊包括電阻器但不包括二極體的X射線吸收層110時，它可以通過多種機制被吸收並產生一個或多個電荷載流子。X 射線光子可以產生 10 到 100000 個電荷載流子。電荷載流子可以在電場下漂移到電觸點119A和119B。該場可以是外部電場。電觸點119B包括離散部分。在實施例中，電荷載流子可以在各方向上漂移，使得由單個X 射線光子產生的電荷載流子基本上不被電觸點119B的兩個不同的離散部分共用（這裡“基本上不……共用”意指相比於其餘的電荷載流子，這些電荷載流子中小於2％，小於0.5％，小於0.1％或小於0.01％的電荷載流子流向一個不同的離散部分）。由入射在電觸點119B的這些離散部分之一的覆蓋區周圍的X 射線光子產生的電荷載流子基本上不與電觸點119B的這些離散部分中的另一個共用。與電觸點119B的離散部分相關聯的像素150可以是離散部分周圍的區域，其中由入射到其中的X 射線光子產生的基本上全部（大於98％，大於99.5％，大於99.9％，或大於99.99％）的電荷載流子流向電觸點119B的離散部分。即，這些電荷載流子中小於2％、小於0.5％、小於0.1％或小於0.01％的電荷載流子流過與電觸點119B的一個離散部分相關聯的像素。
電子器件層120可以包括適合於處理或解釋由入射在X 射線吸收層110上的X 射線光子產生的信號的電子系統121。電子系統121可以包括諸如濾波器網路、放大器、積分器和比較器之類的類比電路，或者諸如微處理器和記憶體之類的數位電路。電子系統121可以包括由各像素共用的元件或專用於單個像素的元件。例如，電子系統121可以包括專用於每個像素的放大器和在所有像素之間共用的微處理器。電子系統121可以通過通孔131電連接到像素。通孔之間的空間可以被填充材料130填充，這可以增加電子器件層120與X 射線吸收層110的連接的機械穩定性。其它接合技術可以在不使用通孔的情況下將電子系統121連接到像素。
圖4示意性地示出了根據實施例的具有像素150的陣列的X射線檢測器的一部分的俯視圖。該陣列可以是矩形陣列、蜂窩陣列、六邊形陣列或任何其他合適的陣列。每個像素150可以被配置為檢測入射在其上的X射線光子並確定X射線光子的能量。例如，每個像素150被配置為在一時間段內檢測並計數入射在其上的由第一元素911和第二元素921發射的X射線的特徵光子的數量，但不對能量不同於所述特徵 X 射線的光子的光子進行計數。所有像素150可以被配置為在同一時間段內對多個能量區間內的入射在其上的X射線光子的數量進行計數。根據實施例，基於第一元素911的特徵X射線檢測第一生物分析物910的特徵和基於第二元素921的特徵X射線檢測第二生物分析物920的特徵包括接收第一元素911的特徵X射線和第二元素921的特徵X射線的組合，以及確定該組合中的X射線光子的能量。每個像素150可以各自具有模數轉換器（ADC），該模數轉換器被配置為將表示入射X射線光子的能量的類比信號數位化為數位信號。對於 XRF 應用，具有 10 位或更高解析度的 ADC 很有用。每個像素150可以被配置為測量其暗電流，例如在每個X射線光子入射到其上之前或同時測量其暗電流。每個像素150可以被配置為從入射在其上的X射線光子的能量中減去暗電流的貢獻。像素150可以被配置為平行作業。例如，當一個像素150測量入射的X射線光子時，另一個像素150可能正在等待X射線光子到達。像素150可能不必是可單獨定址的。
X射線檢測器100可具有至少100、2500、10000或更多像素150。X射線檢測器100可被配置為將所有像素150計數的相同能量範圍的各區間的X射線光子的數量相加。例如，X射線檢測器100可以將存儲在70KeV到71KeV的能量倉中的像素150的數量相加，將存儲在71 KeV 到 72 KeV的能量區間中的像素150的數量相加，依此類推。在一個實施例中，來自第一元素911和第二元素921的能量在第一範圍內的特徵X射線光子被計數並被添加到相關的區間中。X射線檢測器100可以將各區間的相加數量編制為入射在X射線檢測器100上的特徵X射線光子的強度譜。
圖5A和圖5B均示出了根據實施例的電子系統121的元件圖。電子系統121可以包括第一電壓比較器301、第二電壓比較器302、計數器320、開關305、可選的電壓表306、積分器309和控制器310。
根據實施例，第一電壓比較器301被配置為將至少一個電觸點119B的電壓與第一閾值進行比較。第一電壓比較器301可以被配置為直接監視電壓，或者通過在一時間段內對流過電觸點119B的電流進行積分來計算電壓。第一電壓比較器301可以由控制器310可控地啟動或去啟動。第一電壓比較器301可以是連續比較器。即，第一電壓比較器301可以被配置為連續啟動並連續監視電壓。第一電壓比較器301可以是時鐘控制比較器。第一閾值可以是一個入射的X射線光子可以在電觸點119B上產生的最大電壓的5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。最大電壓可取決於入射的X射線光子的能量、X射線吸收層110的材料和其他因素。例如，第一閾值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二電壓比較器302被配置為將電壓與第二閾值進行比較。第二電壓比較器302可以被配置為直接監視電壓或者通過在一時間段內對流過二極體或電觸點的電流進行積分來計算電壓。第二電壓比較器302可以是連續比較器。第二電壓比較器302可以由控制器310可控地啟動或去啟動。當第二電壓比較器302被去啟動時，第二電壓比較器302的功耗可以小於在第二電壓比較器302被啟動時的功耗的1％、5％、10％或者20％。第二閾值的絕對值大於第一閾值的絕對值。如本文所使用的，實數 的術語“絕對值”或“模數” 是不考慮其符號的 的非負值。即， 。第二閾值可以是第一閾值的200％-300％。第二閾值可以是一個入射的X射線光子可以在電觸點119B上產生的最大電壓的至少50％。例如，第二閾值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二電壓比較器302和第一電壓比較器310可以是同一元件。即，系統121可以具有一個電壓比較器，其可以在不同時間將電壓與兩個不同的閾值進行比較。
第一電壓比較器301或第二電壓比較器302可以包括一個或多個運算放大器或任何其他合適的電路。第一電壓比較器301或第二電壓比較器302可以具有高速以允許電子系統121在高通量的入射的X射線光子下操作。然而，具有高速通常以功耗為代價。
計數器320被配置為至少記錄入射在像素150上的X射線光子的數量。計數器320可以是軟體元件（例如，存儲在電腦記憶體中的數量）或硬體元件（例如，4017 IC和7490 IC）。當入射的X射線光子的能量被控制器310確定為在與計數器320相關聯的區間中時，將在計數器320的區間中記錄的數量加一。
控制器310可以是硬體元件，例如微控制器和微處理器。根據實施例，控制器310被配置為從第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值（例如，電壓的絕對值從低於第一閾值的絕對值增加為等於或超過第一閾值的絕對值的值）的時間開始時間延遲。這裡可以使用絕對值的原因是因為電壓可以是負的或正的，這取決於是使用二極體的陰極還是陽極的電壓或者使用的是哪個電觸點。控制器310可以被配置為在第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值的時間之前，將第二電壓比較器302、計數器320和第一電壓比較器301的操作不需要的任何其他電路保持為去啟動。時間延遲可以在電壓變得穩定即電壓的變化率基本上為零之前或之後期滿。“電壓的變化率基本上為零”的短語意指電壓的時間變化小於 0.1%/ns。“電壓的變化率基本上不為零”的短語意指電壓的時間變化至少為 0.1%/ns。
控制器310可以被配置為在時間延遲期間（包括開始和期滿）啟動第二電壓比較器。在實施例中，控制器310被配置為在時間延遲開始時啟動第二電壓比較器。術語“啟動”意指使元件進入操作狀態（例如，通過發送諸如電壓脈衝或邏輯電平之類的信號，通過提供電力等）。術語“去啟動”意指使元件進入非操作狀態（例如，通過發送諸如電壓脈衝或邏輯電平之類的信號，通過切斷電力等）。操作狀態可以具有比非操作狀態更高的功耗（例如，為非操作狀態的10倍，100倍，1000倍）。控制器310本身可以被去啟動，直到當電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值時第一電壓比較器301的輸出啟動控制器310為止。
控制器310可以被配置為如果在時間延遲期間，第二電壓比較器302確定電壓的絕對值等於或超過第二閾值的絕對值，則使由計數器320記錄的至少一個數量加1。
控制器310可以被配置為使可選的電壓表306在時間延遲期滿時測量電壓。控制器310可以被配置為將電觸點119B連接到電接地，以便使電壓重定並對在電觸點119B上累積的任何電荷載流子進行放電。在實施例中，電觸點119B在時間延遲期滿之後連接到電接地。在實施例中，電觸點119B在有限的復位時間段內連接到電接地。控制器310可以通過控制開關305將電觸點119B連接到電接地。該開關可以是諸如場效應電晶體（FET）之類的電晶體。
在實施例中，系統121不具有類比濾波器網路（例如，RC網路）。在實施例中，系統121沒有類比電路。
電壓表306可以將其測量的電壓作為類比或數位信號饋送到控制器310。
電子系統121可以包括電連接到電觸點119B的積分器309，其中積分器被配置為從電觸點119B收集電荷載流子。積分器309可以在放大器的回饋路徑中包括電容器。這樣配置的放大器稱為電容互阻抗放大器（CTIA）。CTIA通過阻止放大器飽和而具有高動態範圍，並通過限制信號路徑中的頻寬來提高信噪比。在一時間段（“積分期”）內來自電觸點119B的電荷載流子累積在電容器上。積分期期滿後，對電容器電壓進行採樣，然後通過重定開關使電容器電壓重定。積分器309可包括直接連接到電觸點119B的電容器。
圖6示意性地示出了由入射在包圍電觸點119B的像素150上的X射線光子產生的電荷載流子所引起的流過電觸點119B的電流的時間變化（上部曲線），以及電觸點119B的電壓的相應時間變化（下部曲線）。電壓可以是電流相對於時間的積分。在時間t 0，X射線光子撞擊像素150，電荷載流子開始在像素150中產生，電流開始流過電觸點119B，並且電觸點119B的電壓的絕對值開始增加。在時間 t 1，第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值V1的絕對值，控制器310開始時間延遲TD1，並且控制器310可以在TD1開始時去啟動第一電壓比較器301。如果控制器310在t 1之前被去啟動，則控制器310在t 1被啟動。在TD1期間，控制器310啟動第二電壓比較器302。如這裡使用的術語“在……期間”意指開始和期滿（即結束）以及它們之間的任何時間。例如，控制器310可以在TD1期滿時啟動第二電壓比較器302。如果在TD1期間，第二電壓比較器302在時間t 2確定電壓的絕對值等於或超過第二閾值V2的絕對值，則控制器310等待電壓穩定而穩定。當由X射線光子產生的所有電荷載流子漂移到X射線吸收層110之外時，電壓在時間 t e穩定。在時間t s，時間延遲TD1期滿。在時間t e或之後，控制器310使電壓表306數位化電壓並確定X射線光子的能量落入哪個區間中。然後，控制器310使計數器320對應於該區間記錄的數量加1。在圖6的示例中，時間t s在時間t e之後；即，在X射線光子產生的所有電荷載流子漂移到X射線吸收層110之外之後，TD1期滿。如果不能容易地測量時間t e，則可以憑經驗選擇TD1以允許有足夠的時間來收集基本上所有由該X射線光子產生的電荷載流子，但不要太久，以免有另一個入射的X射線光子的風險。即，可以憑經驗選擇TD1，使得憑經驗確定時間t s在時間t e之後。時間t s不必一定在時間t e之後，因為控制器310可以在達到V2時就忽視TD1並且等待時間t e。因此，電壓與暗電流對電壓的貢獻之間的差異的變化率在t e處基本上為零。控制器310可以被配置為在TD1期滿時或在t2或在其間的任何時間去啟動第二電壓比較器302。
在時間t e的電壓與由X射線光子產生的電荷載流子的量成比例，該電荷載流子的量與X射線光子的能量相關。控制器310可以被配置為使用電壓表306確定X射線光子的能量。
在TD1期滿或電壓表306數位化（以較晚為准）之後，控制器310在復位期RST內將電觸點119B連接到電接地，以允許累積在電觸點119B上的電荷載流子流到地並使電壓重定。在RST之後，電子系統121準備好檢測另一個入射的X射線光子。如果第一電壓比較器301已經被去啟動，則控制器310可以在RST期滿之前的任何時間啟動它。如果控制器310已經被去啟動，則可以在RST期滿之前啟動它。
圖7示出了根據實施例的使用具有全外反射(TER)配置的XRF的方法的流程圖。在步驟710中，如圖2示意性所示，將X射線束102以掠射角108導向表面104，使得X射線束102被表面104進行全外反射。在步驟720中，用X射線檢測器100接收由第一元素911發射的特徵X射線109，但是X射線檢測器100不接收被表面104反射的X射線束103，如圖2所示。如果第二生物分析物920存在於表面104上，則X射線檢測器100接收第一元素911的特徵X射線和第二元素921的特徵X射線的組合。
雖然本文已經公開了各個方面和實施例，但是其他方面和實施例對於本領域技術人員而言將是顯而易見的。本文公開的各個方面和實施例是出於說明的目的而不意圖是限制性的，其中真正的範圍和精神由下述專利範圍指示。
100:X射線檢測器 101:X射線源 102:X射線束 103:反射的X射線束 104:表面 105:膜 106:基底 107:准直器 108:掠射角 109:特徵X射線 110:X射線吸收層 111:第一摻雜區 112:本徵區 113:第二摻雜區 114:離散區 119A、119B:電觸點 120:電子器件層 121:電子系統 130:填充材料 131:通孔 150:像素 199:濾波器 200:裝置 301:第一電壓比較器 302:第二電壓比較器 305:開關 306:電壓表 309:積分器 310:控制器 320:計數器 710、720:步驟 910:第一生物分析物 911:第一元素 920:第二生物分析物 921:第二元素 t 0、t 1、t 2、t e、t s:時間 V1:第一閾值 V2:第二閾值 TD1:時間延遲 RST:復位期
圖1A和圖1B示意性地示出了X射線螢光(XRF)的機制。 圖2示意性地示出了根據實施例的裝置。 圖3A至圖3C各自示意性地示出了根據實施例的X射線檢測器的剖視圖。 圖4示意性地示出了根據實施例的X射線檢測器的一部分的俯視圖。 圖5A至圖5B各自示意性地示出了根據實施例的X射線檢測器的電子系統的元件圖。 圖6示意性地示出了根據實施例的由入射的X射線光子產生的電荷載流子所引起的電流的時間變化以及電壓的相應時間變化。 圖7示出了根據實施例的方法的流程圖。
100:X射線檢測器
101:X射線源
102:X射線束
103:反射的X射線束
104:表面
105:膜
106:基底
107:准直器
108:掠射角
109:特徵X射線
199:濾波器
200:裝置
910:第一生物分析物
911:第一元素
920:第二生物分析物
921:第二元素

Claims (37)

  1. 一種使用X射線螢光進行生物分析物研究的裝置，包括：X射線源；濾波器；以及X射線檢測器；其中所述X射線源被配置成以掠射角將X射線束導向一表面，在所述掠射角處所述X射線束被所述表面進行全外反射；其中所述濾波器被配置為防止具有高於閾值的能量且由所述X射線源發射的X射線光子到達所述表面；其中第一生物分析物被固定於所述表面上，並且第一元素被附接於所述第一生物分析物上；其中所述X射線束能夠引起所述第一元素的特徵X射線的發射；其中所述X射線檢測器被配置為接收所述第一元素的所述特徵X射線，但不接收被所述表面反射的所述X射線束；其中導向所述表面的所述X射線束是扇形束。
  2. 如請求項1所述的裝置，所述裝置更包括所述表面。
  3. 如請求項1所述的裝置，其中，所述表面是基底的外表面。
  4. 如請求項1所述的裝置，其中，所述表面是厚度小於10微米的膜的外表面。
  5. 如請求項4所述的裝置，其中，所述膜是金屬膜。
  6. 如請求項4所述的裝置，其中，所述膜是外延矽膜。
  7. 如請求項1所述的裝置，其中來自所述X射線源的入射到所述表面上的X射線束無不在所述表面處發生全外反射。
  8. 如請求項1所述的裝置，所述裝置更包括位於所述X射線源前方的狹縫或准直器。
  9. 如請求項1所述的裝置，其中，所述X射線檢測器被配置為通過確定所述第一元素的所述特徵X射線的光子能量來檢測所述第一元素。
  10. 如請求項9所述的裝置，其中，所述X射線檢測器被配置為對所述第一元素的所述特徵X射線的光子數進行計數。
  11. 如請求項1所述的裝置，其中，所述表面不在與液體的介面處。
  12. 如請求項1所述的裝置，其中，所述第一生物分析物是蛋白質或核酸。
  13. 如請求項1所述的裝置，其中所述第一元素通過配體被附接於所述第一生物分析物上。
  14. 如請求項2所述的裝置，所述裝置更包括所述第一生物分析物。
  15. 如請求項1所述的裝置，其中，所述X射線檢測器被配置為不區分所述X射線束的光子和所述第一元素的所述特徵X射線的光子。
  16. 如請求項1所述的裝置，其中，所述第一元素具有大於20的原子數。
  17. 如請求項1所述的裝置，其中，所述第一元素具有大於26的原子數。
  18. 如請求項1所述的裝置，其中，所述X射線束能夠引起被附接到固定於所述表面的第二生物分析物的第二元素的特徵X射線的發射。
  19. 如請求項18所述的裝置，其中，所述X射線檢測器被配置為接收所述第一元素的所述特徵X射線和所述第二元素的所述特徵X射線的組合。
  20. 如請求項18所述的裝置，其中，所述X射線檢測器被配置為通過確定所述第二元素的所述特徵X射線的光子能量來檢測所述第二元素。
  21. 一種使用X射線螢光進行生物分析物研究的方法，包括：將X射線源發射的X射線光子通過濾波器以形成X射線束；將所述X射線束以掠射角導向一表面，使得所述X射線束被所述表面進行全外反射，其中第一生物分析物被固定於所述表面上，並且第一元素被附接於所述第一生物分析物上，並且其中所述X射線束引起所述第一元素的特徵X射線的發射；以及用X射線檢測器接收所述第一元素的所述特徵X射線，但不接收被所述表面反射的所述X射線束， 其中所述濾波器被配置為防止具有高於閾值的能量且由X射線源發射的X射線光子到達所述表面，其中導向所述表面的所述X射線束是扇形束。
  22. 如請求項21所述的方法，其中，所述X射線檢測器被配置為通過確定所述第一元素的所述特徵X射線的光子能量來檢測所述第一元素。
  23. 如請求項21所述的方法，其中，所述X射線檢測器被配置為對所述第一元素的所述特徵X射線的光子數進行計數。
  24. 如請求項21所述的方法，其中，所述X射線檢測器被配置為不區分所述X射線束的光子和所述第一元素的所述特徵X射線的光子。
  25. 如請求項21所述的方法，其中，所述第一生物分析物是蛋白質或核酸。
  26. 如請求項21所述的方法，其中，所述第一元素通過配體被附接於所述第一生物分析物上。
  27. 如請求項21所述的方法，其中，所述第一元素具有大於20的原子數。
  28. 如請求項21所述的方法，其中，所述第一元素具有大於26的原子數。
  29. 如請求項21所述的方法，其中，所述表面不在與液體的介面處。
  30. 如請求項21所述的方法，其中，來自所述X射線源的入射到所述表面上的X射線束無不在所述表面處發生全外反射。
  31. 如請求項21所述的方法，其中，所述表面是基底的外表面。
  32. 如請求項21所述的方法，其中，所述表面是厚度小於10微米的膜的外表面。
  33. 如請求項32所述的方法，其中，所述膜是金屬膜。
  34. 如請求項32所述的方法，其中，所述膜是外延矽膜。
  35. 如請求項21所述的方法，其中，所述X射線束引起被附接到固定於所述表面的第二生物分析物的第二元素的特徵X射線的發射。
  36. 如請求項35所述的方法，其中，所述X射線檢測器接收所述第一元素的所述特徵X射線和所述第二元素的所述特徵X射線的組合。
  37. 如請求項35所述的方法，其中，所述X射線檢測器被配置為通過確定所述第二元素的所述特徵X射線的光子能量來檢測所述第二元素。
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