集成等离子激元感测装置和设备制造方法及图纸

集成等离子激元感测装置被单片集成并提供无标记检测(消除对使用萤光或吸收标记的使用)并现场监测每一个检测区域处的条件。集成等离子激元感测装置包括设置在单片集成图像传感器(102)上的等离子激元底板(104)。一个或多个等离子激元散射区域(302)和与等离子激元散射区域横向偏离的一个或多个等离子激元过孔区域(304)设置在等离子激元感测装置中。导向等离子激元模态(414)调节通过等离子激元底板到一个或多个底层图像传感器像素的动力传输。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成等离子激元感测装置和设备相关申请的交叉引用本申请在35U.S.C.§ 119(e)下主张2011年4月5日提出申请的美国临时专利申请N0.61/472，188和2011年4月5日提出申请的美国临时专利申请N0.61/472，154的权益，其中这些临时申请通过引用在此全文并入供参考。
本专利技术涉及等离子激元传感器和光学传感器的领域，具体地涉及集成光谱等离子激元传感器装置、用于核苷酸和蛋白质分析的集成等离子激元生物传感器装置、以及集成等离子激元传感器，具体地，用于核酸和蛋白质分析的集成等离子激元微阵列装置。
技术介绍
光谱计是用于在电磁光谱的一部分上测量光的特性的装置。测量的光的特性包括光的光强度和极化状态。独立变量通常是光的波长或光的光子能量的测量值。光谱计通常采用电磁能源、作为用于将光分散到检测器的光学干涉滤光器的诸如反射镜和光栅的各种光学装置、和检测作为波长的函数的光子能量或光强度的检测器。用于检测光特性的现有装置包括诸如电荷耦合装置(CCD)、CMOS有源像素传感器阵列或焦平面阵列的电子光电检测器。现有光谱计被发现在许多区域中使用，包括分析未知材料的成分。用于表达剖面(expressing profiling)的微排列技术是公知的并且当前在染色体研究中被广泛使用。近年来，越来越多的兴趣已经集中在例如由Hacia等人所述的基于高密度核苷酸阵列和荧光分析对DNA芯片的研制。(G.Hacia, L.C.Brody, M.S.Chee.S.P.A.Fodor F.S.Collins in Nature Geneticsl4, Dec.1996)。这种技术的商业化不例中的一个已经是Affymetrix的“基因芯片”,其被研制以处理大量基因信息。Affymetrix技术依赖于光刻处理以在单个芯片上产生数千个检测区域。可选的技术包括自动定位和喷墨印刷，尽管这些技术在微阵列内获得稍微较小的检测区域密度。对于共同使用的微阵列共来说，通常通过获取所关心的特定的生物物质或系统、提取其mRNA、并形成这种mRNA的荧光示踪cDNA副本来开始。这种示踪cDNA副本(通常称作目标)然后被杂交(hybridized)到含有由单串DNA(ssDNA)形成的网格或阵列的被称作探头的滑动装置，所述探头已经被安装或放置(即，不能移动)在该网格上的特定检测区域中。类似于普通杂交原理，目标将仅与其互补的探针杂交，即，在双串结构中核酸串往往与其互补物成对。因此，单串cDNA目标分子将在含有大量其它核酸分子的ssDNA的复杂混合物中找出其互补物。因此，核酸探针(例如，基因探针)检测方法专门用于DNA序列。影响两个互补DNA串的杂交或重新缔合(re-association)的因素包括温度、接触时间、盐浓度、基础对序列之间的不匹配度、和目标和探针序列的长度和浓度。假定最简单的程序，对附于诸如消化纤维或尼龙膜或玻璃板的固体表面上的固定探针分子执行杂交。萤光标记通常以以下两种方式中的一种被添加给目标:⑴当形成mRNA的cDNA副本时使用萤光核苷基料；或(?)生物素化核苷酸首先被合并，然后施加萤光标记标识链亲和素，上述链亲和素将结合到生物素(S.Kohane^Microarrays for integrated genomics〃MIT Press, 2002)。基于制造商的具体协议，对微阵列目标探针杂交处理通常发生持续多个小时。所有没有被杂交的对象然后被冲洗掉，并且用激光照射微阵列，并使用共焦显微镜扫描所述对象。数字图像扫描记录对应于具体探针物质的微阵列上每一个网格位置处的亮度水平。亮度水平与原始样品中的HiRNA的绝对数量有关，并通过延伸，基因的表达水平与该mRNA相关联。DNA和蛋白质微阵列技术还没有被成功地发展到单片集成的单个芯片装置中，所述芯片装置便利且低成本地捕获、输送和解释信息。当前要理解的是术语“生物芯片”通常为具有检测区域阵列的玻璃载片，且每一个区域都包括具体的探针分子，这需要用于外部激光激发、光学信号的扫描和成像的复杂且笨重的设备。除了与该设备相关联的成本之外，还需要由被高度训练且熟练的技术人员来操作所述设备以确保采集的数据的无误差解释以及发现并修理故障。与生物芯片技术的现有情况相关联的成本和空间的限制当前阻止DNA和蛋白质分析在医院、床边护理和有限资源环境中的广泛使用。在过去几年中，已经进行了一些努力以通过将生物芯片与相关联的激光激发和图像扫描设备集成在一起来减少生物芯片的成本和尺寸(Vo-Dinh等人2002年9月的美国专利 N0.6, 448, 064 中的Integrated circuit biochip microsystem; Duvenecket等人 2002 年 10 月的美国专利 N0.6，469，785 中的〃Optical detection device basedon semiconductor laser array〃;Bruno-Raimondi 等人在 2002 年 8 月的美国专利 N0.6,437, 345 中的Sensing unit provided with separated detection lightguiding ；Neuschafer 等人在 2000 年 6 月的美国专利 N0.6, 078, 705 中的Sensorplatform and method for parallel detection of a plurality of analytes usingevanescently excited luminescence)。这些文献提出了一种集成电路生物芯片微系统，所述集成电路生物芯片微系统将激光器、检测器、聚焦光学和生物感测元件合并到单个微组件中。在微电子学中，这类集成通常被限定为混合集成，即，通过处理多个单独的基板/晶片然后切割出所述基板/晶片并将其微组装在一起而单独地制造单个元件。虽然相对于笨重的台式装置是有利的，但是这种混合集成生物芯片仍然缺少实际单片集成的成本和性能优点。另外，这些装置需要使用萤光标记，其中萤光标记不必要地使分析过程复杂化并且理想地应该在简单的床边装置(point-of-care )中应该被避免。先前已经提出了一种使用光源以用于基于单片集成的介电波导部件确定分子识别事件的光电生物芯片传感器(Bazylenko等人的2010年8月3日的美国专利N0.7，768，650 中的〃Integrated circuit biochip microsystem)。虽然这种传感器通常会满足所使用的传感器的灵敏度要求，但是所述传感器的尺寸受限于所使用的介电波导部件中的衍射效果。这种传感器因此对于与小于数倍的硅基电子部件(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)电路)的集成没有吸引力。没有显示与使用光源以确定具体的结合事件相关联的缺陷的激发是所谓的表面等离子极化激元或等离子激元模态激发，即金属-介电界面处的电磁激发。可以使用比同样频率的光量子的波长小得多的结构引导这些激发。例如从Walters等人在2009年12月 6 日的 Nature Materials 中的文章〃Asilicon-based electrical source本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.04.05 US 61/472,154;2011.04.05 US 61/472,1881.一种等离子激元感测装置，包括: 设置在单片集成图像传感器上的等离子激元底板，其中等离子激元底板包括等离子激元散射区域和等离子激元过孔区域， 其中等离子激元散射区域包括第一金属层的至少一部分，而等离子激元过孔区域包括第一金属层的至少一部分和在第一金属层上方的第二金属层的至少一部分，以及其中等离子激元过孔区域还包括在第一金属层的所述一部分与第二金属层的所述一部分之间的介电层。2.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括多个等离子激兀散射特征。3.根据权利要求2所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元过孔区域包括多个等离子激兀散射特征。4.根据权利要求3所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域的等离子激元散射特征形成在第二金属层中。5.根据权利要求3所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射特征具有选自由圆形、正方形、椭圆和矩形构成的组的覆盖区。6.根据权利要求3所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元过孔区域的等离子激兀散射特征形成在第一金属层中。7.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括束缚到第一金属层的金属纳米颗粒。8.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括在第一金属层上方的第二金属层和束缚到第二金属层的金属纳米颗粒。9.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子过孔区域包括束缚到第二金属层的金属纳米颗粒。10.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括束缚到第一金属层的发光催化剂。11.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括在第一金属层上方的第二金属层和束缚到第二金属层的发光催化剂。12.根据权利要求1所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元过孔区域包括束缚到第二金属层的发光催化剂。13.一种在图像传感器上制造等离子激元感测装置的方法，所述方法包括以下步骤: 在图像传感器上形成第一金属层； 在第一金属层上形成介电层； 在介电层上形成第二金属层；和 在第一金属层和第二金属层中形成多个等离子激元散射特征。14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤:将金属纳米颗粒束缚到第一金属层。15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤:将金属纳米颗粒束缚到第二金属层。16.根据权利要求15所述的方法，其中金属纳米颗粒被束缚到第二金属层的等离子激元散射特征。17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤:将发光催化剂束缚到第一金属层。18.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤:将发光催化剂束缚到第二金属层。19.根据权利要求18所述的方法，其中发光催化剂被束缚到第二金属层的等离子激元散射特征。20.一种测试物质的方法，包括以下步骤: 将物质设置在等离子激元感测装置上，所述等离子激元感测装置包括集成图像传感器和等离子激元底板； 接收到达物质上的入射光； 及时地改变入射光的照射条件； 检测通过底板传输到图像传感器的功率； 根据检测到的功率产生图像传感器信号； 根据检测到的功率检测图像传感器信号；以及 基于包含在图像传感器信号 中的信息确定分子识别事件， 其中被及时改变的照射条件选自由极化状态、入射角、波长和照明强度构成的组。21.根据权利要求20所述的方法，其中检测步骤进一步包括分子识别事件的现场检测。22.根据权利要求21所述的方法，其中所述信息包括与分子识别事件相关联的折射率的变化。23.根据权利要求21所述的方法，其中所述信息包括与分子识别事件相关联的发光。24.根据权利要求21所述的方法，其中所述信息包括与分子识别事件相关联的吸收。25.一种等离子激元感测装置，包括: 设置在单片集成图像传感器上的等离子激元底板，其中等离子激元底板包括等离子激元散射区域和等离子激元过孔区域， 其中等离子激元散射区域包括第一金属层的至少一部分，而等离子激元过孔区域包括第一金属层的至少一部分和在第一金属层上方的第二金属层的至少一部分， 其中等离子激元过孔区域进一步包括在第一金属层的所述一部分与第二金属层的所述一部分之间的介电层，和 其中等离子激元散射区域的至少一部分不与等离子激元过孔区域重叠。26.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域不与等离子激元过孔区域重叠。27.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元底板还包括多个等离子激元散射区域。28.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元底板还包括多个等离子激元过孔区域。29.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括第二金属层的至少一部分。30.根据权利要求29所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域还包括在第一金属层的所述一部分与第二金属层的所述一部分之间的介电层。31.根据权利要求29所述的等离子激元感测装置，其中散射区域的第一金属层接触散射区域的第二金属层。32.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元散射区域包括多个等离子激元散射特征。33.根据权利要求25所述的等离子激元感测装置，其中等离子激元过孔区域包括多个等离子激元散射特征。34.一种在图像传感器上制造等离子激元感测装置的方法，所述方法包括以下步骤: 在图像传感器上形成第一金属层； 在第一金属层上形成介电层； 在介电层上形成第二金属层； 在第一金属层中形成多个等离子激元过孔； 在第一金属层和第二金属层中形成多个等离子激元散射特征，其中第二金属层中的等离子激元散射特征中的至少一些没有与多个等离子激元过孔中的任一个重叠。35.一种等离子激元感测装置，包括:设置在单片集成图像传感器上的等离子激元底板，等离子激元底板包括等离子激元过孔区域，所述等离子激元过孔区域包括第一金属层的至少一部分和形成在第一金属层中的多个等离子激元散...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·约瑟夫·华特丝，
申请(专利权)人：集成等离子光子学公司，
类型：
国别省市：