专利名称：分析器和使用该分析器进行感测的方法
分析器和使用该分析器进行感测的方法
背景技术：
本公开总体上涉及一种分析器。在这里还公开了使用该分析器进行感测的方法。在化学、生化、医药以及环境领域中已经使用了分析系统和其它感测系统来检测一种或多种化学物质的存在和/或浓度。近来，已经将光学波导并入这种感测系统。在一些情况下，光学波导已被用于逝场的生成或被用于以期望的方式引导光。


通过参照如下的具体描述和附图，本公开的实施例的特征和优点将变得显而易见，其中相同的附图标记与可能不完全相同但是相似的部件相对应。为了简洁起见，具有前述功能的附图标记或特征可以结合它们出现的其它附图进行描述，或也可以不结合它们出现的其它附图进行描述。图1为包括多个V-沟槽和多个流体通道的分析器的实施例的半剖视示意图；图2为包括多个V-沟槽、多个流体通道以及多个光输入和输出光纤的分析器的另一实施例的俯视示意图；图3为包括多个V-沟槽、多个流体通道以及集成的光源和检测器的分析器的再一实施例的俯视示意图；以及图4为示出了使用分析器实施例的方法的实施例的流程图。
具体实施例方式在这里公开的分析器的实施例有利地将波导和流体通道集成到单个衬底中，从而提供了芯片实验室传感器设计。引导光的V形沟槽(在这里还称为V-沟槽)被配置为与流体通道的一部分相符，流体流经该V-形沟槽。V形沟槽和流体通道的集成有利地向光提供了与流体样本相互作用(interact)的实体空间。据报道在分析器内发生的光和流体相互作用的量有利地导致等离子增强和增加的信号输出。此外，分析器可以配置有多种不同的光学检测技术，从而能够实现设计多样性。例如，单个装置中可以使用单个检测技术，或多种检测技术可以一起被集成到单个装置中。分析器还可以用于多种感测应用，包括气体感测、化学感测、生化或生物感测等。现在参考图1，描述了分析器10的实施例。分析器10包括其中形成有V-沟槽和流体通道Ie1Uf^的衬底12。衬底12可以由任意适合的材料组成，所述材料包括绝缘体(例如玻璃、石英、陶瓷(氧化铝)等)、聚合材料(例如聚碳酸酯、聚酰胺、丙烯酸树脂等)、金属 (例如 Au、Ag、Ti、Pt、Pd 等)、半导体(如硅、InP、GaAs、hAs、InfahASyPh)(其中 0 < χ < 1,0 < y < 1)、绝缘体上硅结构(SOI)衬底、或SOI衬底上的硅上的III-V族半导体。如图1所示，多个分立的(distinct) V-沟槽14形成在衬底12的表面S中。在这里使用的术语“分立的V-沟槽”指的是在衬底表面S中形成的多个分离V-形凹陷，每个分离V-形凹陷被配置为耦合到相应的光源和检测器(例如图2和图3中的附图标记18和20 所示)。多个V-沟槽14可以基本彼此平行(如图1所示)，或只要多个沟槽14不彼此交叉就可以被定为成相对于彼此具有任意期望的角度，并且与流体通道Ie1Uf^的每个通道进行流体连通。在一个实施例中，V-沟槽14经由纳米压印光刻、热成型工艺、热压印工艺、聚集离子束、光刻、蚀刻或经由紫外线(UV)压印而形成在衬底12中。每个V-沟槽14的角度θ 和深度d可以至少部分根据将被引导通过该V-沟槽14的波长、待检测的物种、待检测的信号类型等而发生改变。在一个非限制性实例中，沟槽角度θ的范围从接近0(例如大于0° 并小于1° )到约60°，并且沟槽深度d的范围从约100纳米到约10微米。每一个V-沟槽14的长度L可以根据形成V-沟槽14的方向而等于衬底12的长度或宽度。如果在衬底12中对角地形成V-沟槽14，则V-沟槽14的长度L将相应地改变。在一个非限制性实例中，每一个V-沟槽14的长度L的范围从约IOOnm(士 Inm)到约 Imm (士0. 25mm)。应理解，相互作用长度L1与V-沟槽14的长度L在引导至V-沟槽14的光与引导至V-沟槽14的流体相互作用的部分相对应。因此，交叉长度L1从输入点P1 (即， 输入通道Iei与相应V-沟槽14相遇或交叉的区域)延伸到输出点P^即，输出通道1 与相应V-沟槽14相遇或交叉的区域)。当衬底12不是由金属形成时，应理解每一个V-沟槽14在其表面上可构建有金属层(未示出)。然而，在某些情况下，可以不包括金属层。适用于金属层的金属的非限制性实例包括银或金。当分离金属层包括在V-沟槽14中时，层的厚度范围一般从5nm到约 300nm。用于构建金属层的适合的沉积技术包括蒸发、溅射以及镀膜等。V-沟槽14还可以至少部分根据将经由分析器10进行分析的样本而被功能化。在实施例中，V-沟槽14表面可以利用受体分子而功能化，该受体分子与待检测的分子相结合。例如，V-沟槽14表面可以利用单链DNA(single strain of DNA)而功能化，该单链DNA 对待检测的DNA序列进行补充。如上所述，衬底12中还具有形成于其中的流体通道16^1^。流体通道Ie1U^可以经由与用于形成V-沟槽14相同的技术来形成。流体通道Ie1Uf^还可以与制造ν-沟槽 14同时制造，或在V-沟槽14之前或之后制造。流体通道Ie1Uf^可以具有任意期望的形状，包括V-形、圆形、矩形或方形、或任意其它规则或不规则的几何形状。在实施例中，流体通道Ie1Uf^具有范围从约100纳米到约ι微米的宽度和深度尺寸。应理解，分析器10至少包括输入通道Ie1和输出通道16。。输入通道Ie1具有入口 I，其被配置为将流体从流体源(未示出)引入分析器10。输出通道1 具有出口 0，其被配置为将流体从分析器10引出至例如废物容器(也未示出)。输入通道Ie1和输出通道16。 二者与每个ν-沟槽14流体连通。在这里使用的术语“流体连通”意味着流体(例如气体和/或液体)能够从输入通道Ie1自由地移动到V-沟槽14，并从每个V-沟槽14自由地移动到输出通道16。。流体在相应输入点P1处从输入通道Ie1流入每个ν-沟槽14，并在相应输出点Ptj处从每个ν-沟槽 14流入输出通道16『应理解，流体流动可以是主动或被动的。在一个实施例中，可以通过入口 I施加正压以将流体推入分析器10、可以从出口 0汲入负压以将流体抽出分析器10、 或可以使用正压和负压二者沿期望的方向引导流体通过分析器10。可以通过在每个端&处可操作地定位停止机构(未示出)而将流体流动限制在 V-沟槽14的多个端&处，该停止机构对于通过V-沟槽14发射的期望波长以及对于所生
5成的光学信号而言是可穿透的。这种停止机构的实例包括玻璃、二氧化硅或适当的聚合物。 在某些情况下，还可以期望在通道Ie1Uf^的端&处(如图2和图3所示)处也限制流体流动。如图1所示，输入通道1 在输入I处开始，并在第二 V-沟槽14处(该处二者形成了 T-形交叉)停止；输出通道1 在第一 V-沟槽14处(该处二者形成了 T-形交叉)开始，并在输出0处停止。在这种情况下，由于期望具有经由输入I流入并经由输出0流出的流体，从而没有其它停止机构用于限制流体流动。然而，在制造期间，可能更期望构建如图 2和图3所示的通道16工、叫，其中输入通道Iei和输出通道叫二者在与相应输入I和输出 0相对的端&处打开。在这种情况下，停止机构在这些其它开口处可以固定到衬底12或通道Ie1Uf^内，从而流体在除了出口 0处之外的任意点处不能离开分析器10。图2和图3中的箭头示出了当这种停止机构被并入分析器10时的流体流动。尽管图1中并未示出，然而应理解在这里公开的分析器10的实施例还包括光源18 和检测器20。包括这种部件18、20的分析器10’的一个实施例如图2所示，并且包括这种部件的分析器10”的另一实施例如图3所示。现在具体参考图2，分析器10’的该实施例包括分别将光引导至相应V-沟槽14 并将信号引导出相应V-沟槽14的输入光纤22 (或任意其它光学方式进入)和输出光纤 24 (或任意其它光学方式离开)。每个输入光纤22 (其一个非限制性实例为玻璃)可操作地在其两个相对端的一端处连接到相应V-沟槽，并可操作地连接到独立光源18。输入光纤 22可能未物理连接到V-沟槽14或光源18，而是被定位成使得来自光源的光被引导至光纤 22，接着从光纤22引导至V-沟槽14。在这种情况下，光纤22的中心与光源和V-沟槽14 对准。在其它实施例中，输入光纤22物理连接到V-沟槽14。由于每个光源18为不同V-沟槽14的光的来源，从而相同或不同波长的光可以被引入每个V-沟槽14。针对每个V-沟槽14选择的光的波长可以至少部分地取决于待分析的样本以及与这种V-沟槽一起使用的检测技术。适合的光源18的非限制性实例包括激光或发光二极管。与输入光纤22的配置类似，每个输出光纤M可操作地连接到V-沟槽14的两个相对端的另一端(即，在与相邻于输入光纤22的端相对的一端处)。在某些情况下，输出光纤24 (其一个非限制性实例为玻璃)可能未物理连接到V-沟槽14或相应检测器20，而是被定位成使得来自V-沟槽14的信号被引导至光纤M，接着从光纤M引导至检测器20。 因此，光纤M与V-沟槽和检测器20对准。由于每个检测器20与不同V-沟槽14相关联，从而相同或不同的检测技术可以用于相同分析器10、10’。针对每个V-沟槽14选择的检测器20可以至少部分取决于待分析的样本以及被引导至V-沟槽14的光。适当的检测器20的非限制性实例包括光电检测器，其可以单独使用或结合透镜和/或滤光器(例如波分复用(wavelength dimension multiplex, WDM)滤光器)。可以利用的光谱检测技术包括拉曼光谱和改进型拉曼光谱(例如表面增强型拉曼光谱)、顶光谱或光致发光技术。如上所述，图3示出了分析器10”的再一实施例。在本实施例中，光源18和检测器20被集成在衬底12上，因而为片上光源18 (例如片上激光器或光电二极管)以及片上检测器20 (例如片上光电检测器)。在这里公开的所有实施例中，可以在表面S上构建盖子(未示出)以基本上封住通道16工、160和V-沟槽14，从而光和流体不会以不期望的方式逸出。盖子可以选自与衬底 12相同的材料，并且可以经由晶片接合被固定到衬底12。现在参考图4，描述了使用分析器10、10’以及10”的方法。该方法通常包括将包括一个物种的样本引入输入流通道Ie1，从而i)样本在相应输入点P1处流入每个分立的 V-沟槽14 ；ii)样本在相应输出点Ptj处流出每个分立的V-沟槽14，如附图标记400所示； 将光引入每个分立的V-沟槽14，如附图标记402所示；以及检测表示该物种的至少一些光学信号，如附图标记404所示。该方法还包括基于所检测到的光学信号来识别该物种，如附图标记406所示。引入的样本可以是包括待识别的一个或多个未知物种(即，被分析物)的气体或液体。所述被分析物可以是分子、复合物、细胞、DNA等。样本经由输入流通道Ie1的输入ι而引入分析器10、10’、10”。由于样本流经ν-沟槽14，从而光从每个光源18引入相应V-沟槽14。相应V-沟槽14内的物种将与其中的光相互作用，这种相互作用生成从V-沟槽14引导至相应检测器20的光学信号。可以经由多种不同机制(例如经由光子的能量移转、经由光的吸收或传输、经由光子的吸收和再次辐射等)来识别光与物种的相互作用，这种机制可以经由适当的检测器20 (例如拉曼光谱仪、 顶光谱仪或光致发光检测器等)来检测。由于物种与其它物种的反应不同，从而所检测的信号可以用于识别物种。由于每个V-沟槽14均与分析器10、10’以及10”中的其它V-沟槽14分立，从而引入相应V-沟槽14的光可以相同或不同。在一个实施例中，每个V-沟槽14具有被引入其中的相同波长的光。例如，这可能在如下情况下特别适用i)当引入每个V-沟槽14的光具有横跨宽光谱的多个波长，并且每个V-沟槽14与被配置为检测光谱中的不同波长的检测器20相关联时；或ii)当每个V-沟槽14利用不同的受体而功能化时；或iii)当使用拉曼光谱或光致发光(技术，其中需要单个进入波长)并且检测器20被配置为检测不同波长的信号时。在另一实施例中，每个V-沟槽14具有引导至其中的不同波长的光。例如，一个 V-沟槽14可以与可见光相关联，另一 V-沟槽14可以与红外(IR)光相关联，再一 V-沟槽 14可与紫外(UV)光相关联。在分析器10、10’以及10”包括几个V-沟槽14的一个实例中，可以期望每个V-沟槽14与峰值位置相关联(例如一个V-沟槽14与700nm相关联，另一 V-沟槽14与750nm相关联，再一 V-沟槽14与800nm相关联)。在另一实例中，可以更期望包括数百个V-沟槽14 (与几个V-沟槽14相对)。例如，一百零一个平行的V-沟槽 14可与以Inm分隔开的相应单个波长相关联，从而分析器10、10’以及10”用作光谱仪。在本实例中，第一 V-沟槽14例如与700nm波长相关联，相邻V-沟槽14例如与701nm波长相关联，并且每个相邻V-沟槽14的波长均增大Inm直到最后一个V-沟槽14为止，所述最后一个V-沟槽14例如与SOOnm波长相关联。当期望检测多个不同物种时，这些实例可能尤其适用，每个物种与不同波长的光相互作用，或者单个物种与多个波长的光相互作用。在再一实施例中，每个V-沟槽14具有引导至其中的多个不同波长的光。例如，每个V-沟槽14可以具有引导至其中的可见光、红外(IR)光、紫外(UV)光。在这种实施例中，所生成的光学信号一经离开V-沟槽14并且在被检测之前将为多路复用的。当期望检测与多个波长相互作用的一个物种或与多个不同波长相互作用的不同物种时，这可能尤其
7适用。在一个非限制性实例中，当期望看到“峰值位置”而不是强度时，此技术可能是适用的，因而将期望比较来自相邻波长的多个信号。在另一非限制性实例中，当来自单个波长的信号不能提供识别感兴趣的物种的足够信息时，此技术可能适用，因而可以测试多个波长。
尽管已经详细描述了多个实施例，然而对本领域普通技术人员而言显而易见地， 可以对所公开的实施例进行修改。因此，仅将上述说明作为示例性的，而不作为限制。
权利要求
1.一种分析器(10，10，，10”)，包括:衬底(12)，具有表面⑶；多个分立的V-沟槽(14)，形成在所述衬底表面(S)中；输入流通道(16》，被配置为在相应输入点(P1)处与所述多个分立的V-沟槽(14)中的每一个沟槽交叉并且流体连通；以及输出流通道(1 )，被配置为在相应输出点(Ptj)处与所述多个分立的V-沟槽(14)中的每一个沟槽交叉并且流体连通。
2.如权利要求1所限定的分析器(10，10，，10”)，还包括输入光纤(22)，可操作地连接到所述多个分立的V-沟槽(14)中的相应一个V-沟槽 (14)，所述输入光纤02)被配置为将光引导至所述多个分立的V-沟槽(14)中的所述相应一个V-沟槽(14)；以及输出光纤(M)，可操作地连接到所述多个分立的V-沟槽(14)中的相应一个V-沟槽 (14)，所述输出光纤04)被配置为将光引导出所述多个分立的V-沟槽(14)中的所述相应一个V-沟槽(14)。
3.如权利要求2所限定的分析器(10，10’，10”)，还包括光源(18)，所述光源(18)可操作地定位成将光发射至所述输入光纤0 中的相应一个输入光纤。
4.如权利要求3所限定的分析器(10，10’，10”)，其中从一个光源(18)发射的光的波长与从另一光源(18)发射的光的波长不同。
5.如权利要求3或4中的任一项所限定的分析器(10，10’，10”)，其中所述光源(18) 可操作地与所述衬底(1 集成。
6.如前述权利要求中的任一项所限定的分析器(10，10’，10”)，还包括构建在所述多个V-沟槽(14)中的每一个沟槽的每个表面上的金属层。
7.如前述权利要求中的任一项所限定的分析器(10，10’，10”)，其中所述多个输入流通道(Ie1)中的每一个通道和所述多个输出流通道(16。)中的每一个通道为微流体通道或纳流体通道。
8.如权利要求1所限定的分析器(10，10’，10”)，还包括检测器(20)，所述检测器(20) 可操作地定位成检测来自所述多个V-沟槽(14)中的相应一个沟槽的光。
9.如权利要求8所限定的分析器(10，10’，10”)，其中所述检测器(20)可操作地与所述衬底(12)集成。
10.如前述权利要求中的任一项所限定的分析器(10，10’，10”)，其中每个V-沟槽(14) 具有在其输入点和输出点之间延伸的相互作用长度(L1),并且其中所述相互作用长度(L1) 的范围为从约IOOnm到约1mm。
11.一种使用如权利要求1所述的分析器(10，10’，10”)来感测至少一个物种的方法， 所述方法包括将包含所述至少一个物种的样本引入所述输入流通道(Ie1)，从而使i)所述样本在相应输入点(P1)处流入所述多个分立的V-沟槽(14)中的每一个沟槽，ii)所述样本在相应输出点(Ptj)处流出所述多个分立的V-沟槽(14)中的每一个沟槽；将光引入所述多个分立的V-沟槽(14)中的每一个沟槽；以及检测表示所述至少一个物种的至少一些光学信号。
12.如权利要求11所限定的方法，其中所述至少一个物种包括至少两个物种，其中引入所述多个分立的V-沟槽(14)中的一个沟槽的光的波长与引入所述多个分立的V-沟槽 (14)中的另一沟槽的光的波长不同，并且其中检测包括经由可操作地定位于所述多个分立的V-沟槽(14)中的一个沟槽的输出处的第一检测器(20)，检测表示所述至少两个物种中的一个物种的光学信号；以及经由可操作地定位于所述多个分立的V-沟槽(14)中的另一沟槽的输出处的第二检测器(20)，检测表示所述至少两个物种中的另一物种的光学信号。
13.如权利要求11所限定的方法，其中引入所述多个分立的V-沟槽(14)中的每一个沟槽的光的波长相同。
14.如权利要求11所限定的方法，其中所述至少一个物种包括一个物种，其中引入所述多个分立的V-沟槽(14)中的一个沟槽的光的波长与引入所述多个分立的V-沟槽(14) 中的另一沟槽的光的波长不同，并且其中检测包括经由可操作地定位于所述多个分立的V-沟槽(14)中的一个沟槽的输出处以及所述多个分立的V-沟槽(14)中的另一沟槽的输出处的检测器(20)，检测表示所述一个物种的光学信号。
15.如权利要求11-14中的任一权利要求所限定的方法，还包括基于所述光学信号来识别所述一个物种。
全文摘要
本文公开了一种分析器(10，10’，10”)。该分析器(10，10’，10”)包含衬底(12)，该衬底(12)具有其中形成有多个分立的V-沟槽(14)的表面(S)。输入流通道(16I)被配置为在相应输入点(Pi)处与所述多个分立的V-沟槽(14)中的每一个沟槽交叉且液体连通，并且输出流通道(16O)被配置为在相应输出点(PO)处与所述多个分立的V-沟槽(14)中的每一个沟槽交叉且液体连通。
文档编号G01N33/48GK102341693SQ200980157921
公开日2012年2月1日 申请日期2009年3月7日 优先权日2009年3月7日
发明者S-Y·王, 吴蔚, 夏强飞, 李晶晶 申请人:惠普开发有限公司