用于单纳米颗粒检测的装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于单纳米颗粒检测的装置。
技术介绍
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。
技术实现思路
根据本专利技术，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示出了根据本专利技术的一种实施例。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示出对于根据本专利技术的一种实施例，波长改变随折射率的变化。图2D示出对于根据本专利技术的一种实施例，归一化透射谱随波长的变化。图2E示出对于根据本专利技术的一种实施例，工作波长的改变Δλ随膜厚度的变化。图2F示出对于根据本专利技术的一种实施例，工作波长/折射率的改变随时间的变化。图2G示出根据本专利技术的一种实施例中的抖动系统。图2H示出根据本专利技术的一种实施例中的同步扫描系统。图2I示出根据本专利技术的一种实施例中的宽带多元件非可调谐光源系统。图2J示出根据本专利技术的一种实施例中的基于斜率的峰值检测系统。图3A示出根据本专利技术的一种实施例。图3B示出根据本专利技术的一种实施例。图3C示出根据本专利技术的一种实施例。图3D示出根据本专利技术的一种实施例。图3E示出根据本专利技术的一种实施例。图4A-图4B示出根据本专利技术的一种实施例。图5A示出根据本专利技术的一种实施例。图5B示出根据本专利技术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示出根据本专利技术的一种实施例。图6B示出根据本专利技术的衍射超晶胞的一种实施例。图7示出根据本专利技术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专利技术的一种实施例的步骤。图9示出根据本专利技术的一种实施例。图10示出对于根据本专利技术的一种实施例的面外场。图11示出根据本专利技术用于对单纳米颗粒进行差动测量的一种系统。具体实施例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。根据本专利技术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。根据本专利技术，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。在根据本专利技术的一种实施例中，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。根据本专利技术的实施例，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。根据本专利技术的一种实施例，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，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安纳特斯C格洛特，劳拉威尔斯米尔卡里米，米哈伊尔M西加拉斯，周启祥，
申请(专利权)人：安捷伦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]