專利名稱：亞波長孔口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在檢測體積中檢測發(fā)光團(tuán)存在的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
US2005244863公開了 一種利用隱失波來激發(fā)發(fā)光團(tuán)的配置。隱失波為快速衰減的電磁場，由于亞波長孔口，所以其不能傳播。在此公開內(nèi)容中，提供激發(fā)輻射以作為隱失波穿透包含生物分子的混合物。隱失波由具有亞波長孔口的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。但是，該孔口僅允許透射所產(chǎn)生的輻射中的 一小部分。這使得有限量的發(fā)光用于檢測目的。

發(fā)明內(nèi)容
因而存在對(duì)于增加發(fā)光輻射量的需要。因此，在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種在檢測體積中檢測發(fā)光團(tuán)存在的方法，該方法包括在所述檢測體積中提供激發(fā)輻射；在所述檢測體積中提供位于介質(zhì)中的發(fā)光團(tuán)，該發(fā)光團(tuán)可由激發(fā)輻射來激發(fā)以發(fā)出發(fā)光輻射；以及，由檢測器來檢測穿過所述檢測體積的孔口的所述發(fā)光輻射的至少 一偏振分量，所述孔口具有平面內(nèi)最小尺寸；其中，所述發(fā)光團(tuán)被選擇成在所
述介質(zhì)中發(fā)出在所述介質(zhì)中的波長大于所述最小尺寸兩倍的發(fā)光輻射；以及，其中，所述發(fā)光團(tuán)被選擇成由在所述介質(zhì)中的波長小于所述最小尺寸兩倍的激發(fā)輻射來激發(fā)。
在本發(fā)明的另 一方面，提供一種用于在檢測體積中檢測發(fā)光團(tuán)存在的裝置，包括檢測體積；該檢測體積包括具有平面內(nèi)最小尺寸的孔口且被布置成在介質(zhì)中包括所述發(fā)光團(tuán)；輻射源，其用于在所述檢測體積中提供激發(fā)輻射，該發(fā)光團(tuán)可由所述激發(fā)輻射來激發(fā)以發(fā)出發(fā)光輻射；以及，檢測器，其被布置和構(gòu)造成檢測所述發(fā)光輻射的至少一偏振分量，所述檢測器被選擇成檢測在所述介質(zhì)中的波長大于所述最小尺寸兩倍的發(fā)光輻射；以及，其中所述輻射源被選擇成提供在所述介質(zhì)中的波長小于所述最小尺寸兩倍的激發(fā)輻射。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，該孔口限定其中可激發(fā)發(fā)光團(tuán)的平面內(nèi)界面。作為使用激發(fā)光的隱失尾部來限制激發(fā)體積的替代，此處可通過檢測形成于孔口界面上的熒光來限制檢測體積。因此，可改進(jìn)激發(fā)效率，同時(shí)保持有限的檢測體積。參看下文描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其它方面將會(huì)顯然且被闡明。


圖l說明了根據(jù)本發(fā)明的一方面的基本實(shí)施例；
圖2說明了激發(fā)和熒光檢測效率的組合效果；
圖3說明了根據(jù)本發(fā)明的一方面的發(fā)光輻射的透射檢測；
圖4說明了使用狹縫的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的替代實(shí)施例；以
及
圖5說明了示出圖4所說明的實(shí)施例的檢測效率的示意曲線圖
具體實(shí)施例方式
在本技術(shù)中，使用孔口生物傳感器來檢測諸如熒光團(tuán)的發(fā)光團(tuán)以確定被研究的生物分子的具體類型。 一般而言，這些孔口使用針孔或狹縫概念來允許激發(fā)光作為進(jìn)入檢測體積內(nèi)的隱失輻射。但是，對(duì)于孔口生物傳感器，激發(fā)和熒光檢測效率的組合效果顯著地減小了生物傳感器的總效率。另一問題在于在針孔生物傳感器處于透射模式的特定情況下，在生物傳感器的整個(gè)深度上的總效率相同。優(yōu)選地，總效率在某些部分較高，因?yàn)檫@將有效地得到更小的激發(fā)/檢測體積。在一個(gè)方面，本發(fā)明提出一種亞波長孔口來僅限制檢測體積。這可通過與孔口(生物)傳感器組合地使用在激發(fā)與熒光之間具有非常大的波長差(斯托克斯位移)的發(fā)光團(tuán)來實(shí)現(xiàn)。以此方式，激發(fā)光可基本上不受阻礙地穿過檢測體積的孔口 1進(jìn)入，顯著地增加了激發(fā)效力。所述發(fā)光團(tuán)被選擇成發(fā)出具有一定波長的發(fā)光輻射使得發(fā)光輻射在孔口內(nèi)產(chǎn)生隱失場。因此，除了存在于孔口 1界面20上的部分之外，發(fā)光輻射被阻擋避免從孔口 1逸出，使得檢測體積101保持較小以減小背景熒光的效果(effect of background fluorescent)，并因此通過改進(jìn)生物傳感器的信噪比來增加檢測的選擇性，在本發(fā)明的另一方面，為了改進(jìn)激發(fā)和檢測效率，可使用狹縫來代替孔。使用狹縫的優(yōu)點(diǎn)在于抑制變成依賴偏振，且因此，所產(chǎn)生的熒光的50%可不受抑制地離開狹縫。在本發(fā)明的一方面，孔口的最小尺寸經(jīng)選擇大于所述介質(zhì)中激發(fā)
光波長的一半；且小于即將由激發(fā)光所激發(fā)的發(fā)光團(tuán)所發(fā)出的發(fā)光在所述介質(zhì)中的波長的一半。在此方面，所使用的發(fā)光團(tuán)類型被選擇成可由在所述介質(zhì)中波長基本上小于最小孔口尺寸兩倍的輻射來激發(fā)；而所發(fā)出的發(fā)光基本上大于最小孔口尺寸的兩倍，使得除了基本上形成于孔口界面20上的發(fā)光之外，發(fā)光輻射被捕獲于孔口內(nèi)。具體而言，當(dāng)在熒光4的行進(jìn)方向觀察時(shí)，由孔口 l所限定的外平面形成界面20。因此，在一個(gè)方面，本發(fā)明的提出了使用在激發(fā)與熒光之間具有(非常)大波長差(斯托克斯位移)的發(fā)光團(tuán)。為此目的，可使用諸如量子點(diǎn)的發(fā)光團(tuán)(參考"Quantum Dots Lend Simplicity" ， B.D. Butkus，Biophotonics International,第34-40頁，2004年5月)。舉例而言，可利用330 nm的波長來照射這種量子點(diǎn)且其可得到610 nm的發(fā)射熒光。但是，這種發(fā)射熒光也可改變以允許利用不同的熒光發(fā)射波長來進(jìn)行復(fù)用(例如，在330nm激發(fā)和在510、 555、 590和610 nm發(fā)射，允許同時(shí)測量4種分析物)。具有大斯托克斯位移的發(fā)光團(tuán)的另一實(shí)例為LaF3:Nd納米粒子。這些納米粒子包括氟化鑭(LaF3 )晶體，其中大約5%的鑭離子(La3+)被釹離子(Nd3+)置換。這些納米粒子具有6 rnn的典型直徑且防止激發(fā)態(tài)結(jié)束。每個(gè)納米粒子由60個(gè)釹離子、1200個(gè)鑭離子和3780個(gè)氟離子(F-)組成。以大約575 nm的波長抽運(yùn)(pump )導(dǎo)致以大約880 nm、 1050 nm和1330 nm波長的發(fā)射。在圖1中，概述了根據(jù)本發(fā)明的基本實(shí)施例，示出在材料2內(nèi)的孔口 1。在圖中，孔口 l將垂直于紙張的、限定檢測體積101下側(cè)的界面平面20的寬度102定義為平面內(nèi)最小尺寸。檢測體積101進(jìn)一步由孔口寬度102界定?？卓?1的大小足夠大以允許激發(fā)輻射3基本上不被抑制地穿過孔口行進(jìn)。特別地，發(fā)光團(tuán)5被選擇成可由在所述介質(zhì)中的波長小于所述孔口寬度102兩倍的激發(fā)輻射3激發(fā)。但是，由熒光團(tuán)5和6所產(chǎn)生的熒光4被抑制，因?yàn)闊晒獠ㄩL基本上大于孔口寬度102。因此，限制了檢測體積101，至少對(duì)于在橫向于孔口寬度102的方向中偏振的熒光4而言。由位于界面20附近的(不依賴于偏振)熒光團(tuán)5所產(chǎn)生的熒光4可離開孔口 1且到達(dá)檢測器(未圖示)。例如，由熒光團(tuán)6進(jìn)一步產(chǎn)生的進(jìn)入孔口 1內(nèi)的熒光4在其可到達(dá)孔口 1的出口之前被抑制，因?yàn)闊晒鈭F(tuán)6被選擇成發(fā)出在所述介質(zhì)中波長大
6于所述最小尺寸兩倍的發(fā)光輻射。這是有利的，因?yàn)槔缭谏飩鞲?br> 器測定中，信號(hào)熒光團(tuán)一定會(huì)在檢測體積101中俘獲探針，使得熒光團(tuán)6為背景粒子，而發(fā)光團(tuán)5為信號(hào)粒子?？商峁V波器(未圖示)，其阻擋激發(fā)并透射熒光輻射4，從而可防止激發(fā)輻射3由檢測器檢測到。
在優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置孔口 1的最小尺寸的寬度102，使得
激發(fā)光3能(基本上)不受抑制地穿過孔口l行進(jìn)；
熒光4在穿過孔口 1行進(jìn)時(shí)基本上至少在由孔口寬度102所限定的尺寸中受到抑制。
當(dāng)孔口大小大于激發(fā)輻射在所述介質(zhì)中的衍射極限時(shí)并且當(dāng)該大小同時(shí)小于熒光輻射在所述介質(zhì)中的衍射極限時(shí)，可滿足上述條件(應(yīng)當(dāng)指出的是這種衍射極限取決于填充孔口的介質(zhì)的折射率)。
在一個(gè)實(shí)例中，激發(fā)波長為575 nm且所產(chǎn)生的熒光為880 nm;孔口被折射率為1.3的水填充，使用最小尺寸為250nm和深度為400 nm的孔口來計(jì)算可示出這樣的結(jié)果當(dāng)行進(jìn)穿過整個(gè)孔口時(shí)可導(dǎo)致激發(fā)光大約84.4°/。的透射率和熒光大約0.7%的透射率。
圖2針對(duì)如圖1的典型配置，示出了激發(fā)與熒光檢測效率的組合效果；即，激發(fā)光行進(jìn)到孔口 1內(nèi)。X軸以任意單位示出孔口 1的深度參數(shù)，其中激發(fā)輻射3的效率被示出在穿過孔口 1行進(jìn)時(shí)大體上不受阻礙，得出激發(fā)效率隨著距離略微減?。坏湫托首詌降低到0.8。但是，波長通常大于孔口 1的熒光4相應(yīng)地受到孔口 1的強(qiáng)烈抑制，且因此靠近孔口的出口的檢測效率增加。應(yīng)當(dāng)指出的是，在此情況下，在透射模式下使用孔口。當(dāng)組合時(shí)，總效率仍高，基本上僅受到熒光檢測效率的限制。當(dāng)從孔口出口 (即，在被檢測之前發(fā)光輻射逸出所經(jīng)過的端部)觀察時(shí)，熒光檢測隨著距離減小，提供小檢測體積，該小檢測體積基本上由孔口出口前方附近的孔口之間的體積形成，且因此僅包括有限數(shù)目的發(fā)光團(tuán)。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，如在這個(gè)附圖中可以看出，激發(fā)/檢測體積受到檢測體積限制，因?yàn)橹挥锌拷隹诘臒晒?可離開孔口 1。
圖3示出一種實(shí)施例，其中諸如玻璃板的襯底7定位于孔口 1的界面20處。因此，玻璃板7的頂層形成界面20，其防止熒光團(tuán)5、 6存在于檢測體積101與檢測器IO之間的體積中。因此，在檢測體積101與檢測器10之間的體積中的激發(fā)輻射3不能促成熒光團(tuán)激發(fā)，因?yàn)樵跈z測器與孔口的界面20 (在檢測器側(cè)部)之間不存在熒光團(tuán)。以此方式，防止激發(fā)束不經(jīng)意地照射熒光團(tuán)，這種不經(jīng)意地照射可能會(huì)促成背景熒光信號(hào)。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，使用玻璃板7作為孔口的襯底(作為圖5所示在孔口下方不使用襯底的實(shí)施例的替代)。這在圖3中示出，其示出在孔口下方的襯底7。該圖還示出透鏡8，使用透鏡8來將熒光聚焦到檢測器10上。使用檢測濾波器9來阻擋其余的激發(fā)輻射。
襯底7的額外的優(yōu)點(diǎn)在于熒光團(tuán)可結(jié)合到孔口內(nèi)的玻璃表面上，將熒光團(tuán)定位于具有最高的激發(fā)+檢測總效率的位置。
盡管圖3的實(shí)施例在透射模式下使用，替代地，在另一實(shí)施例中，孔口 1可用于反射模式。對(duì)于這種情況，激發(fā)和檢測的組合效率可類似于參考圖2所討論的透射模式實(shí)施例。在這種反射實(shí)施例中，激發(fā)束可穿過玻璃板7來照射孔口 。
而且，除了上文在圖1和圖3中所公開的針孔實(shí)施例之外，可使用由狹縫47來提供孔口的實(shí)施例，如圖4所示。雖然在圖4的實(shí)施例中，防止具有平行于狹縫方向的偏振分量的(背景)熒光42逸出狹縫47，但在此實(shí)施例中，具有沿著所述最小尺寸的偏振的焚光42 (其為電場的方向)可穿過由狹縫47所形成的孔口朝向檢測器46行進(jìn)。為了區(qū)分在狹縫中任何地方所產(chǎn)生的背景熒光與在狹縫端部所產(chǎn)生的焚光，可使用偏振濾波器5來選擇僅在狹縫端部所產(chǎn)生的熒光分量。這個(gè)實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于能在大檢測體積與小檢測體積之間進(jìn)行切換。圖4示出這種情況的實(shí)施例且圖5示出可如何使用在檢測器前方的偏振器來在大檢測體積與小檢測體積之間進(jìn)行切換。在圖4中激發(fā)光束(41)照射狹縫(47)(例如，線柵偏振器)。激發(fā)輻射可基本上不受抑制地穿過狹縫行進(jìn)，因?yàn)?TE偏振)激發(fā)波長太短而不會(huì)受到線柵的抑制，或者因?yàn)榧ぐl(fā)束為TM偏振，使得其不受線柵抑制。置于線柵后方的透鏡(43)用于收集所發(fā)出的熒光(42)并將熒光(42)聚焦到檢測器(46)上。在透鏡與檢測器之間放置檢測濾波器(44)(其阻擋激發(fā)光)和偏振器(45)(應(yīng)當(dāng)指出的是43、 44和45的次序可混合)。優(yōu)選地，偏振器(45)可旋轉(zhuǎn)，或者可容易地將其移除。
圖5示出移除線柵的后面的偏振器(45)的效果。頂圖示出線柵后面有偏振器的情況下檢測+激發(fā)的組合效率，偏振器被放置成使得其阻擋那些通常不受抑制地穿過線柵的偏振。在此情況下，最大檢測效
率為50%，因?yàn)槠衿鲗⒁种浦辽?0%的熒光。如在圖中可看出，檢測體積受到熒光抑制的限制，得到小檢測體積。
若需要，可通過移除偏振器來增加檢測體積。這導(dǎo)致如5中的下圖所示的效率，其中能夠看出總效率在整個(gè)距離范圍內(nèi)總效率都是高的。作為移除的替代，也能將偏振器旋轉(zhuǎn)90度，但在此情況下總效率大致降低50%?；蛘?，可選擇連續(xù)地旋轉(zhuǎn)偏振器以利用兩種狀態(tài)。
如果圖4的實(shí)施例僅用于實(shí)現(xiàn)小檢測體積，那么能完全移除檢測濾波器(44)，因?yàn)樵诖饲闆r下偏振器45將阻擋所有被偏振使得其可不受抑制地穿過狹縫行進(jìn)的光(且此可包括激發(fā)光)。
應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于此實(shí)施例，優(yōu)選地在狹縫的檢測側(cè)上設(shè)有玻璃板(未圖示)以防止在孔口出口與檢測器之間產(chǎn)生背景信號(hào)。
雖然在附圖和前文的描述中詳細(xì)地說明和描述了本發(fā)明，但這些說明和描述被認(rèn)為是說明性或示范性的且并非限制性的；本發(fā)明并不限于所公開的實(shí)施例。
舉例而言，能在其中熒光用作用于生物醫(yī)學(xué)目的的標(biāo)記或示蹤劑的實(shí)施例中操作本發(fā)明。
通過學(xué)習(xí)附圖、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求書，可由本領(lǐng)域技術(shù)人
;型。、在權(quán)利:求書中，詞語"包括，，i不排除其它元;或步驟，且不定冠詞"一，，并不排除為多個(gè)。單個(gè)處理器或其它單元可實(shí)現(xiàn)在權(quán)利要求書中所敘述的若干條目的功能。在彼此不同的權(quán)利要求中敘述某些措施的簡單事實(shí)并不表明不可利用這些措施的組合來取得有益結(jié)果。電腦程序可存儲(chǔ)/分布于合適的媒體上，諸如與其它硬件一起供應(yīng)或作為其它硬件的一部分的光學(xué)儲(chǔ)存媒體或固態(tài)媒體，但也可以其它形式分布，諸如經(jīng)由因特網(wǎng)或其它有線或無線電信系統(tǒng)。在權(quán)利要求書中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)認(rèn)為限制范疇。
權(quán)利要求
1.一種用于在檢測體積(101)中檢測發(fā)光團(tuán)(5，6)存在的方法，包括在所述檢測體積(101)中提供激發(fā)輻射(3)；在所述檢測體積(101)中提供位于介質(zhì)中的發(fā)光團(tuán)(5，6)，所述發(fā)光團(tuán)(5，6)可由所述激發(fā)輻射(3)激發(fā)來發(fā)出發(fā)光輻射(4)；以及由檢測器(10)來檢測穿過所述檢測體積(101)的孔口(1)的所述發(fā)光輻射(4)的至少一偏振分量，所述孔口(1)具有平面內(nèi)最小尺寸(102)；其中所述發(fā)光團(tuán)(5，6)被選擇成發(fā)出在所述介質(zhì)中的波長大于所述最小尺寸兩倍的發(fā)光輻射(4)；以及，其中所述發(fā)光團(tuán)(5，6)被選擇成可由在所述介質(zhì)中的波長小于所述最小尺寸兩倍的激發(fā)輻射(3)來激發(fā)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述體積被選擇成包括有限數(shù)目的發(fā)光團(tuán)(5,6)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述激發(fā)輻射(3)被提供用于透射穿過所述檢測體積(101)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述發(fā)光團(tuán)(5，6)選自量子點(diǎn)和LaF3:Nd粒子的組。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其還包括防止所述激發(fā)輻射(3)被檢測到的步驟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其還包括在所述檢測體積(101)與所述檢測器(10)之間的體積中防止所述激發(fā)輻射(3)激發(fā)所述發(fā)光團(tuán)(5，6)的步驟。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6述的方法，其特征在于，防止所述發(fā)光團(tuán)(5,6)在所述檢測體積(101)與所述檢測器(10)之間的體積中存在。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于，所述發(fā)光團(tuán)(5，6)被布置成與生物分子結(jié)合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述激發(fā)輻射(3)被偏振。
10. —種用于在檢測體積(101)中檢測發(fā)光團(tuán)(5，6)存在的裝置，包括檢測體積(101);所述檢測體積(101)包括具有平面內(nèi)最小尺寸(102)的孔口 (1)且被布置成在介質(zhì)中包括所述發(fā)光團(tuán)(5，6);輻射源，其用于在所述檢測體積(101)中提供激發(fā)輻射(3)，所述發(fā)光團(tuán)(5，6)可由所述激發(fā)輻射(3)激發(fā)以發(fā)出發(fā)光輻射；以及檢測器(10)，其被布置和構(gòu)造成檢測所述發(fā)光輻射(4)的至少一偏振分量；其中所述檢測器(10)被選擇成檢測在所述介質(zhì)中的波長大于所述最小尺寸兩倍的發(fā)光輻射(4);以及，其中所述輻射源被選擇成提供在所述介質(zhì)中波長小于所述最小尺寸兩倍的激發(fā)輻射(3 )。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的裝置，其特征在于，所述輻射源和所述檢測器(10)以透射配置提供。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的裝置，其特征在于，所述孔口 (1)由限定平面內(nèi)最大孔口尺寸的一或多個(gè)針孔形成；其中所述平面內(nèi)最大孔口尺寸小于所述介質(zhì)中的衍射極限。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的裝置，其特征在于，所述孔口 (1)由一或多個(gè)狹縫(47)形成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，其還包括阻擋光學(xué)元件，以防止所述激發(fā)輻射(3)由所述檢測器(10)檢測到。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述阻擋光學(xué)元件包括波長濾波器或偏振濾波器。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述阻擋光學(xué)元件被布置成防止所迷激發(fā)光自所述激發(fā)體積(101)出來。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括結(jié)合所述狹縫使用的偏振濾波器，以阻擋所述發(fā)光輻射(4)的部分。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述偏振濾波器可旋轉(zhuǎn)以選擇性地透射由所述狹縫(47)所偏振的發(fā)光輻射(4)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的裝置，其特征在于，所述偏振濾波器設(shè)于所述狹縫與所述檢測器(10)之間。
20. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，提供材料以封閉所述孔口 (1)以防止所述激發(fā)輻射(3)在所述檢測體積(101)與所述檢測器(10)之間的體積中激發(fā)所述發(fā)光團(tuán)(5，6)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在檢測體積中檢測發(fā)光團(tuán)存在的方法，其包括在所述檢測體積中提供激發(fā)輻射。發(fā)光團(tuán)提供于可由所述激發(fā)輻射激發(fā)的所述檢測體積中。檢測該發(fā)光輻射以確定所述發(fā)光團(tuán)在所述檢測體積中的存在。在本發(fā)明的一個(gè)方面，所述發(fā)光團(tuán)被選擇成發(fā)出在所述介質(zhì)中的波長大于所述最小尺寸兩倍的發(fā)光輻射；以及，其中所述發(fā)光團(tuán)被選擇成可由在所述介質(zhì)中的波長小于所述最小尺寸兩倍的激發(fā)輻射來激發(fā)。因此，除了存在于孔口界面上的部分之外，發(fā)光輻射被阻擋不能進(jìn)入檢測器。
文檔編號(hào)G01J3/44GK101568811SQ200780047833
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月21日
發(fā)明者D·J·W·克倫德, M·M·J·W·范赫彭 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司