專利名稱：用于聚光機(jī)制的方法、系統(tǒng)和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及光聚集或者增強(qiáng)機(jī)制，較為特殊地涉及根據(jù)外 圍共振空洞的表面等離子體振子使用光聚集機(jī)制來產(chǎn)生高能量場(chǎng)的方 法、裝置和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在使用標(biāo)記核苷酸的非階梯式單個(gè)分子排序中，無論自由連續(xù)運(yùn) 行還是利用對(duì)于光不穩(wěn)定的雛模，必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的方法以便減少來自 標(biāo)記核苷酸的背景使得與被包含的核苷酸相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記可以被恰當(dāng)?shù)?觀察到。
一些先前描述的方法包括零模式波導(dǎo)、與淬滅光不穩(wěn)定銜接
物組合的等離子體振子的共振、在酶和核苷酸之間的FRET對(duì)、與TIRF 組合的擠出層和類似的其他技術(shù)。
傳統(tǒng)的方法存在不足和缺點(diǎn)。例如，典型的方法一般地需要在小 區(qū)域內(nèi)阻擋激發(fā)光。這個(gè)激發(fā)光一般地需要又大又貴的激光器。另外， 這個(gè)方法會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的背景噪聲，這會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
一個(gè)實(shí)施方案一般地涉及分析核酸的方法。該方法包括提供配置 成與一個(gè)或者多個(gè)焚光標(biāo)記的核酸相耦合的共振結(jié)構(gòu)，和將激發(fā)光從 源引導(dǎo)至該共振結(jié)構(gòu)。該方法還包括在共振結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生等離子體振 子，而分析物則被固定在該處的共振結(jié)構(gòu)的一個(gè)能量集中點(diǎn)上。
另一個(gè)實(shí)施方案一般地涉及分析分析物的方法。該方法包括提供 與分析物相耦合的共振結(jié)構(gòu)，和將激發(fā)光從源引導(dǎo)至該共振結(jié)構(gòu)。該 方法還包括在共振結(jié)構(gòu)的表面產(chǎn)生等離子體振子，而該分析物則通過 光敏銜接物與固定在共振結(jié)構(gòu)能量集中點(diǎn)的分子相組合。
而另一個(gè)實(shí)施方案一般地涉及等離子體振子結(jié)構(gòu)。該等離子體振 子結(jié)構(gòu)包括由金屬材料實(shí)現(xiàn)的納米天線，該納米天線被配置為在臨近 它的一部分沉積阻擋層并且生成增強(qiáng)區(qū)。該阻擋層被配置為基本上減 少增強(qiáng)區(qū)外的熒光激發(fā)。


參考下面實(shí)施例的詳細(xì)描述并考慮結(jié)合附圖，可以更加全面地了
解和更好地理解本發(fā)明，其中
圖1描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性納米米粒， 一種類型的納 米粒子；
圖2描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的示例性納米半月體 (nanocrescent) j
圖3A描述了納米半月體的強(qiáng)度圖3B描述了傳統(tǒng)的零模式波導(dǎo)；
圖3C描述了根據(jù)實(shí)施例的共振結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施例；
圖4描述了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的次波長(zhǎng)空洞陣列；
圖5描述了次波長(zhǎng)空洞陣列能量模式的近場(chǎng)掃描顯微鏡圖像；
圖6描繪了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的鈍頭光纖；
圖7描述了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的平面光子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
圖8顯示了平面光子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剖面；
圖9描述了二維光子晶體的實(shí)施例；
圖IO描述了根據(jù)實(shí)施例的示例性納米天線；
圖ll描述了示例性蝴蝶結(jié)形天線；
圖12描述了一系列的分形納米天線；以及
圖13A-B描述了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的有涂層的蝴蝶結(jié)形天線。
定義
下列術(shù)語用于描述下面詳述的各種實(shí)施例。
等離子體振子共振可以定義為在光頻處的自由電子或者等離子體 振子的集體振動(dòng)。
表面等離子體振子是那些被約束在表面并且和光強(qiáng)烈相互作用產(chǎn) 生偏振子的等離子體振子。它們發(fā)生在正介電常數(shù)材料與負(fù)介電常數(shù) 材料(通常為金屬或者摻雜電介質(zhì))的界面。
共振結(jié)構(gòu)可以指采用等離子體共振和集中光能量的結(jié)構(gòu)形狀一起 來建立小區(qū)域的高局域場(chǎng)，例如納米天線或者納米粒子。
熒光增強(qiáng)比率(FER)可以指從與共振結(jié)構(gòu)元素有關(guān)的激發(fā)區(qū)收集的熒光光子相對(duì)于從不具有共振結(jié)構(gòu)元素而其余變量保持不變的相 等大小區(qū)域可能收集到的光子的比率。
術(shù)語"多核苷酸，，或者"寡核苷酸，，或者"核酸"可以交互使用， 并且包括核苷酸單體的單股或者雙股聚合體，它們包括由核苷酸間磷
酸二酯鍵合物、或者核苷酸間類似物、以及諸如H+， NH4+，三烷基 銨，Mg2+， Na+之類相關(guān)的抗衡離子聯(lián)接的2，脫氧核糖核普酸(DNA) 和核糖核苷酸(RNA)。多核普酸可以完全由脫氧核糖核苷酸，完全 由核糖核苷酸或者其混合物構(gòu)成。多核苷酸可以由核酸基體和糖類似 物構(gòu)成。通常多核苷酸的大小范圍，可以從幾個(gè)單體單元，例如當(dāng)它 們經(jīng)常在本領(lǐng)域被稱為寡核普酸時(shí)的5-40，到幾千個(gè)單體核苷酸單元。 除非另有指示，只要表示多核苷酸序列，應(yīng)理解為核苷酸從左到右為5，
到3，順序，并且除非另有定義，"A"表示脫氧腺苷，"C"表示脫氧 胞苦，"G"表示脫氧鳥苷，和"T"表示胸腺嘧啶核普。標(biāo)記多核苷 酸可以包括在5，端、3，端、核基、核苷酸間鍵合、糖、氨基、硫化物、 氫氧基或者羧基等處的修改。例如，見Lee等人的美國(guó)專利No. 6316610B2,其在此處^皮參考引用。類似地，當(dāng)認(rèn)為合適時(shí)可以在指示 的位置作其它的修改。
具體實(shí)施例方式
為了簡(jiǎn)化和描述的目的，主要通過參考其中的示例性實(shí)施例來描 述本發(fā)明的原理。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到同樣的原理同樣 適用于所有類型的檢測(cè)系統(tǒng)和在所有類型的檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并且任 何變化沒有脫離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍。另外，在下面的詳細(xì)說明 中，對(duì)描述具體實(shí)施例的附圖做出了參考標(biāo)記。不脫離本發(fā)明的精神 和范圍的情形下可以對(duì)實(shí)施例做出電的、機(jī)械的、邏輯和結(jié)構(gòu)變化。 因此，下面詳細(xì)的說明不被認(rèn)為是本發(fā)明的限制，其中本發(fā)明由所附 的權(quán)利要求及其等價(jià)定義。
一些實(shí)施例一般地涉及通過使用表面等離子體振子產(chǎn)生高能量場(chǎng) 的系統(tǒng)，裝置和方法，其中表面等離子體振子位于共振空洞外圍。尤 其是，共振空洞可由金屬納米粒子實(shí)現(xiàn)。例如，納米米?？梢苑旁诜?析物溶液內(nèi)并且有助于檢測(cè)在限定空間內(nèi)的事件。激發(fā)光可以產(chǎn)生等 離子體振子，即，納米米粒表面上的局域化高能量場(chǎng)，然后這個(gè)可以應(yīng)用于分析物。金屬納米粒子的其它例子可以為納米桿，納米環(huán)，納 米體，納米殼和納米半月體。納米粒子可以在尺寸和形狀上變化，這 使得能夠調(diào)節(jié)納米粒子來改變納米粒子的吸收頻譜和生成的等離子體 振子的能量。產(chǎn)生局部等離子體振子共振的實(shí)施例可以用于諸如單分
子檢測(cè)和熒光關(guān)聯(lián)能譜法(FCS )的應(yīng)用中。其它應(yīng)用包括單分子排序 和多分子排序。
另一個(gè)實(shí)施例一般地涉及適當(dāng)厚度和材料的次波長(zhǎng)空洞陣列使得 等離子體振子共振產(chǎn)生在圍繞著空洞陣列中的一個(gè)空洞的外圍表面 上，因此，增強(qiáng)了可能得到的能量和將其置于小的容積里。激發(fā)光被 引導(dǎo)至空洞陣列的表面。 一些光被反射或者會(huì)進(jìn)入空洞陣列的某個(gè)空 洞中，但是大部分的能量與從照射到空洞的表面外圍的光耦合。光的 耦合穿過空洞和/或在空洞上方的平面表面處，在空洞中產(chǎn)生等離子體 振子共振。類似的實(shí)施例會(huì)包括維持等離子體振子共振的適當(dāng)?shù)碾娊?質(zhì)材料。
另一個(gè)實(shí)施例一般地涉及用作次波長(zhǎng)波導(dǎo)的光子晶體。尤其是， 類似的次波長(zhǎng)空洞陣列會(huì)包含目標(biāo)分析物。光子晶體波導(dǎo)引導(dǎo)激發(fā)光， 允許昂貴的激光器的光的再循環(huán)。
另一個(gè)實(shí)施例一般地涉及將等離子體振子能量聚焦在局部點(diǎn)的納 米天線。例如，可以制作環(huán)形納米天線。環(huán)形納米天線的一個(gè)特性是 它們將能量聚焦于中心，因此增加了局部區(qū)域的等離子體振子強(qiáng)度。 納米天線的另一個(gè)例子是蝴蝶結(jié)形天線。納米天線也可以用作接收器。 同樣，它們可以用于對(duì)分子淬滅和收集輻射。如果熒光團(tuán)足夠近，所 有的這些金屬結(jié)構(gòu)對(duì)熒光淬滅。為了防止不需要的淬滅，可以使用薄 的(大約5-20mn)介電體層把熒光團(tuán)從金屬隔開。這個(gè)層可以由玻璃， 塑料或者諸如PEG的化學(xué)涂層。厚度應(yīng)當(dāng)足夠到隔開熒光團(tuán)使得該熒 光團(tuán)即使沒有被完全地隔開，也不會(huì)離聚集的等離子體振子的容積外 部4艮遠(yuǎn)。如圖13A和13B所示可以選擇性地通過提供在遠(yuǎn)離納米天線 覆蓋表面區(qū)域提供較大的厚度來覆蓋表面。這可以通過在漸逝波激發(fā) 區(qū)域的指數(shù)衰減的陡峭部分放置熒光材料來最小化背景。漸逝波區(qū)域 可以由SPR或者TIRF建立，如在2006年5月16日提交的美國(guó)臨時(shí) 申請(qǐng)60/800,440所教導(dǎo)的。其在此處被全文引用包含。
本發(fā)明實(shí)施例一般地用于在小容積內(nèi)建立高能量場(chǎng)，即 波長(zhǎng)空間。 一個(gè)實(shí)施例使用納米粒子。已知固態(tài)金屬納米粒子(即，納米尺 寸和均勻合成的固態(tài)的，單個(gè)的金屬球形)具有獨(dú)特的光學(xué)特性。具 體地是金屬納米粒子(特別是鑄幣金屬)顯示了顯著的光學(xué)共振。這 個(gè)所謂的等離子體振子共振是由于從金屬球體到入射電磁場(chǎng)的引導(dǎo)電 子的共同組合。根據(jù)與入射電磁射線的波長(zhǎng)相關(guān)的納米粒子的半徑， 通過吸收或者散射來控制這個(gè)共振。與這個(gè)等離子體振子共振相關(guān)的 是在金屬納米粒子表面上的強(qiáng)局部場(chǎng)增強(qiáng)。
然而，實(shí)現(xiàn)固態(tài)金屬納米粒子多種應(yīng)用的嚴(yán)重的實(shí)際限制是不能
在技術(shù)上重要的那些波長(zhǎng)處定位等離子體振子共振。例如，直徑10nm 的固態(tài)金納米粒子具有中心在520nm處的等離子體振子共振。這個(gè)等 離子體振子共振不能通過改變粒子直徑或者特地嵌入介質(zhì)來可控地遷
移超過大約30納米。
相應(yīng)地，制造出合成納米粒子來允許集中在預(yù)期的波長(zhǎng)的等離子 體振子共振。圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性納米米粒， 一種 類型的納米粒子。
如圖1所示，納米米粒100的形狀類似于一粒米。納米米粒100 可以在被稱為赤鐵礦的非導(dǎo)電金屬氧化鐵上覆蓋金層來實(shí)現(xiàn)?？梢钥?制殼的厚度、納米米粒的長(zhǎng)度和核的寬度來產(chǎn)生特定頻率的等離子體 振子共振。制造納米米粒100的方法在Hui Wang等人的Nano Lett, 6(4), 827-837, 2006， Narorice: A Hybrid Plasmonic Nanostructure，中描述， 其在此處被全文引用包含。
在一些實(shí)施例中，激發(fā)光源(未示出)可以被引導(dǎo)至納米米粒IOO。 激發(fā)光源可以是激光器，激光二極管，發(fā)光二極管(LED)，紫外線 燈泡，和/或白色光源。等離子體振子是穿越納米米粒100的金屬表面 的自由電子在光學(xué)頻率處的集體振動(dòng)。當(dāng)光的頻率與等離子體振子共 振的頻率共振時(shí)，納米米粒100表面的等離子體振子將光轉(zhuǎn)換為電能。 這種共振效應(yīng)可以產(chǎn)生在粒子周圍放射的高強(qiáng)度局部電場(chǎng)。相應(yīng)地， 圖1也顯示了靠近一粒納米米粒100的端部等離子體振子共振所產(chǎn)生 的強(qiáng)電場(chǎng)。與在先前以桿形和球形粒子所測(cè)量的場(chǎng)相比，納米米粒的 獨(dú)特形狀允許更強(qiáng)的場(chǎng)。
因此，納米米粒100可以位于分析物內(nèi)。激發(fā)光可以被引導(dǎo)至納 米粒子以產(chǎn)生在小容積的等離子體振子。這種產(chǎn)生等離子體振子的方
8法具有副作用，那就是漂白不會(huì)和通常方法一樣快地發(fā)生。納米粒子 使熒光團(tuán)的發(fā)熒光壽命降低，這增加了漂白之前發(fā)熒光光子的放射率 和發(fā)射光子的總數(shù)。
在其它實(shí)施例中，其它的納米結(jié)構(gòu)可以用來代替納米米粒。例如， 根據(jù)用戶要求可以使用納米桿、納米環(huán)、納米塊和納米殼。每一個(gè)納 米結(jié)構(gòu)顯示了它們自身的共振波長(zhǎng)、場(chǎng)強(qiáng)和產(chǎn)生的場(chǎng)的數(shù)目等等。
圖2顯示了示例性納米半月體200的兩個(gè)視圖。圖200A表示納米 半月體200的三維視圖，圖200B表示被軸205分開的納米半月體的側(cè) 視圖。納米半月體200可以包括從一邊去除環(huán)形部分的金屬殼體210。 金屬殼體210由金、鐵、銀和它們的混合物實(shí)現(xiàn)。在制造納米半月體 200的過程中，金屬沉積在大部分的介電體核上。然后去除介電體核。
介電體核被去除之后，納米半月體200會(huì)是從殼體去除環(huán)形區(qū)域 215的球形物體。在200B的視圖中，納米半月體200的橫截面看起來 到尖銳點(diǎn)(sharp point)。但是，從200A的視圖來看，尖銳點(diǎn)實(shí)際上 是圓的一部分。
根據(jù)各種實(shí)施例，激發(fā)光可以被引導(dǎo)至環(huán)形區(qū)域215，其中環(huán)形區(qū) 域215外圍上的表面等離子體振子可以和激發(fā)光耦合并產(chǎn)生共振場(chǎng)。 本質(zhì)上納米半月體200可以用作共振結(jié)構(gòu)，然后它可以應(yīng)用于諸如單 分子排序、雜化的應(yīng)用和其它目的在于檢測(cè)小粒子的應(yīng)用，相比于傳 統(tǒng)系統(tǒng)具有減少的背景干擾。另外，激發(fā)光的角度或者納米半月體200 的取向會(huì)影響產(chǎn)生的等離子體振子的數(shù)量和等離子體振子的效率和位 置。
納米半月體200可以由Liu等人的Advanced Materials 2005， 17， 2131-2134 的 Magnetic Nanocrescents As Controllable Surface-Enhanced Raman Scattering Nanoprobes For Biomolecular Imaging和UC Berkeley Luke P. Lee等人的Advanced Materials 2005， 17， 2683-2688，其在此處被全文引用包含。
圖3A描述了納米半月體的強(qiáng)度圖像。如圖3所示，當(dāng)金屬形成圓 形時(shí)，場(chǎng)是最大的。
圖3B描述了用于產(chǎn)生小激發(fā)容積的裝置305。如圖3B所示，裝 置305接受從激發(fā)源穿過基底315的能量310。能量產(chǎn)生了覆蓋分析物 320的漸逝區(qū)域(未示出)。小激發(fā)區(qū)域通過阻擋激發(fā)光的阻擋材料
9圍。這個(gè)裝置305可能需要使用高功率激光 器，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的背景和相關(guān)的噪聲。
圖3C顯示了使用圖l-3A所描述的共振結(jié)構(gòu)的通用實(shí)施例。具體 而言，共振裝置330可以被配置成通過在未示出的增強(qiáng)共振結(jié)構(gòu)的周 邊強(qiáng)烈地增強(qiáng)激光激發(fā)產(chǎn)生小激發(fā)容積335。 FER可以顯示相比于裝 置305的改進(jìn)。另外，對(duì)激發(fā)源的功率要求降低，減少了背景和相關(guān) 的噪聲的數(shù)量。
圖4顯示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的次波長(zhǎng)空洞陣列400。如圖4所示， 空洞陣列400可以由本領(lǐng)域人員公知的厚度和材料制成使得等離子體 振子可以通過空洞陣列400的空洞產(chǎn)生。例如具有60nm空洞直徑的在 488nm處的等離子體振子共振。激發(fā)源可以是在488nm處的Argon-Ion激光器。
在一些實(shí)施例中，諸如納米米粒或者納米半月體的納米粒子或者 諸如蝴蝶結(jié)形的納米天線也可以放在空洞的外圍上，或者在空洞之間 的共振點(diǎn)處以便進(jìn)一步增強(qiáng)陣列400內(nèi)的等離子體振子共振輸出?？?以實(shí)現(xiàn)這個(gè)來進(jìn)一步在小區(qū)域內(nèi)集中或者增強(qiáng)等離子體振子。為了進(jìn) 一步聚集等離子體振子的目的，納米粒子或者納米天線也可以放在填 充或者部分填充空洞的介電體材料上，也可以放在沒有填充或者部分 填充空洞的介電體上的空洞的內(nèi)部。
圖5描述了陣列400的能量模式的近場(chǎng)掃描顯微鏡圖像500。如圖 5所示，圖像500將空洞505顯示為亮光并且背景510基本上為黑色。
圖6描述了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的鈍頭光纖600。這種鈍頭的結(jié)構(gòu)在 US5，812，724中描述，其在此處被引用包含。如圖6所示，鈍頭光纖600 在光纖600的一端具有與包覆層(未示出)相平的尖頭605。在其它實(shí) 施例中，如圖6所示，尖頭605會(huì)超出包覆層，但是會(huì)被鈍化。光纖 600具有覆蓋層610和防腐蝕覆蓋層615，其中覆蓋層610在尖頭605 的表面，防腐覆蝕蓋層615在光屏蔽覆蓋層610表面的一個(gè)區(qū)域而不 是在光屏蔽覆蓋層610表面的前面部分。尖頭605的前面部分具有從 光屏蔽覆蓋層610和防腐蝕覆蓋層615被暴露的孔620。例如光屏蔽覆 蓋層610由鋁構(gòu)成并且具有800nm階數(shù)的厚度。孔620具有例如40nm 的直徑。
在各種實(shí)施例中，鈍頭光纖600可以位于包含納米粒子的目標(biāo)分析物之外。然后，由激發(fā)光引起的來自等離子體振子的漸逝波會(huì)經(jīng)過
目標(biāo)分析物。在其它實(shí)施例中，鈍頭光纖600會(huì)被具有突起尖頭和被 配置成在錐形光纖陣列內(nèi)的光纖替代。
圖7描述了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的平面光子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)700。如圖7所 示，平面光子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)700可以〗象Maier等人的SPIE第8410巻的方 法或者Loncar等人的Journal of Lightwave Technology第18巻第10 號(hào)的Design and Fabrication of Photonics Crystal waveguides中所描述 的那樣來實(shí)現(xiàn)，其在此處被全文引用包含。平面光子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)700可 以被配置成線源，而不是用于一些前面描述的實(shí)施例的點(diǎn)光源。例如， 納米粒子或者空洞陣列。
圖8顯示了平面光子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)側(cè)面的強(qiáng)度?？梢酝ㄟ^使用光阻材 料在相反的軸內(nèi)的條內(nèi)圖案形成開口來實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例 中，也可以使用空洞。作為丟失的光阻材料和等離子體振子波導(dǎo)交叉 的后果，發(fā)生了附件的光活化。
另外，納米天線、納米粒子、膠體微?；蛘吡孔狱c(diǎn)可以被放置成 接近諸如波導(dǎo)700的等離子體振子波導(dǎo)，因此允許波導(dǎo)和納米粒子之 間的直接耦合。光子晶體結(jié)構(gòu)允許光在轉(zhuǎn)角處轉(zhuǎn)彎，因此允許光在遠(yuǎn) 場(chǎng)顯微鏡的視場(chǎng)上來回地反射。這使得被導(dǎo)向視場(chǎng)的光能可以再循環(huán)。 另外，能量被局限在波導(dǎo)的路徑，減少了不需要的背景。可以使用多 個(gè)波導(dǎo)來有效地覆蓋大區(qū)域。
在其它實(shí)施例中，可以使用二維光子晶體來產(chǎn)生合適的二維強(qiáng)度 輪廓，其在2006年4月的IEEE LEOS Newsletter的Altug等人的Photo Crystal Nano-cavity Arrays中描述，其在此處凈皮全文引用包含。圖9 描述了 二維光子晶體卯0的實(shí)施例。
圖IO描述了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的示例性納米天線1000。如圖100所 示，納米天線IOOO是被配置成將等離子體振子能量集中在定域點(diǎn)的環(huán) 形納米天線。納米天線1000可以位于介電材料上。由于激發(fā)光被引導(dǎo) 至納米天線1000，納米天線IOOO將等離子體振子引導(dǎo)至天線1000的 中心。
這種類型的環(huán)形納米天線IOOO可以在基底材料交錯(cuò)放置一組同心 環(huán)形第一材料細(xì)長(zhǎng)條和第二材料的環(huán)形細(xì)長(zhǎng)條來實(shí)現(xiàn)。在圖IO所示的 實(shí)施例中，環(huán)形納米天線1000的中心由第一材料實(shí)現(xiàn)，沒有用第二材料。環(huán)形納米天線iooo的其它實(shí)施例會(huì)反轉(zhuǎn)材料的順序，其中
中心通過第二材料和第一材料交錯(cuò)來實(shí)現(xiàn)。其它實(shí)施例可以包括由會(huì) 阻擋任意激發(fā)光的第二材料實(shí)現(xiàn)，因此減少了背景和相關(guān)的噪聲。
圖11描述了蝴蝶結(jié)形納米天線1100。如圖11所示，蝴蝶結(jié)形納 米天線1100可以包括在其上支持納米結(jié)構(gòu)1110的電磁透明基底1105。 天線結(jié)構(gòu)1110包括分別包括傳導(dǎo)臂1115和1120的蝴蝶結(jié)形天線。在 端子1125和1130,傳導(dǎo)臂1115和1120被具有橫向尺寸d的間隙1135 分開。實(shí)質(zhì)上，傳導(dǎo)臂1115和1120形成了類偶級(jí)天線。本發(fā)明也可 以使用其它天線，例如對(duì)數(shù)周期形、螺旋形和縫隙形天線。蝴蝶結(jié)形 天線更加詳細(xì)的描述可以在此處被全文引用包含的美國(guó)專利NO. 5,696,372中得到。
間隙1135形成了在傳導(dǎo)臂1115和1120的端子1125和1130之間 的發(fā)射"區(qū)域"。相對(duì)于入射電磁能量的波長(zhǎng)，端子1125和1130之 間的橫向尺寸d是小的。
入射能量?jī)?yōu)選地具有在光學(xué)范圍的波長(zhǎng)，但是應(yīng)理解為本發(fā)明同 樣適用于非光學(xué)波長(zhǎng)應(yīng)用。
從圖11中可以看出被間隙1135隔開的端子1125和1130組成了電 容。為了更加有效地將間隙1135的電容阻抗匹配到天線結(jié)構(gòu)和提高其 上的能量耦合，優(yōu)選地將電感1140與區(qū)域1135并聯(lián)從而產(chǎn)生諧振電 路。本質(zhì)方法是將天線阻抗與在間隙1135處形成的偶級(jí)子輻射體的輻 射阻抗相匹配。根據(jù)預(yù)期的頻率，可以以多個(gè)角度來實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)臂1115 和1120的角度。
圖12描述了納米分形天線圖案的一系列選擇?？梢愿鶕?jù)用于用戶 預(yù)期的性能特征來選擇分形類型的類型。在其它實(shí)施例中，分形納米 天線也可以是線性偶極子。
在其它實(shí)施例中，納米天線1000、 1100、 1200也可以用作接收器。 同樣地，這些天線也可以用于淬滅分子和收集輻射。
圖13A-B描述了一般地涉及在整塊基底或者介電材料上，以及在 納米天線上使用覆蓋的實(shí)施例。如圖13A-B所示，如側(cè)視圖上示出的 覆蓋增強(qiáng)結(jié)構(gòu)1300包括基底1305。為了使用等離子體振子共振代替 TIRF，基底1305可以被實(shí)現(xiàn)為產(chǎn)生漸逝區(qū)域1325，或者可選擇地使 用金屬層(未示出)。厚覆蓋1310可以以它的一個(gè)區(qū)域被空閑的方式施加到基底1305上。厚覆蓋1310可以由比包括大部分漸逝波能量的 漸逝區(qū)域1325大的介電體材料實(shí)現(xiàn)。
可以在開放區(qū)域形成蝴蝶結(jié)形天線1315。在其它實(shí)施例中，可以 使用其它分形納米天線。在其它實(shí)施例中，先前描述的共振結(jié)構(gòu)可以 放置在開放區(qū)域。薄的覆蓋1320可以沉積在覆蓋共振結(jié)構(gòu)的開放區(qū)域。 可選地，在整個(gè)表面放置薄的覆蓋，厚一點(diǎn)的覆蓋稍后選擇性地加上。 薄的覆蓋1320可以是用于優(yōu)化淬滅和激發(fā)之間平衡的厚度相同的或者 其它的介電材料。
厚度為5到20mn的薄的覆蓋1320可以4皮配置成避開熒光團(tuán)從而 防止淬滅。厚的覆蓋1310可以由具有適當(dāng)?shù)驼凵渎?相對(duì)于基底)阻 擋到最高TIRF (總內(nèi)部反射熒光)強(qiáng)度的容積的路徑的材料制成。因
此減少了背景和相關(guān)噪聲但沒有消除。
對(duì)于所有公開的實(shí)施例，目標(biāo)DNA、引物或者酶可以附著在最高
能量強(qiáng)度的區(qū)域內(nèi)表面。 一種建立這個(gè)附著的方法可以使用諸如光敏 維生素H的光敏附著。在低強(qiáng)度光級(jí)處，分子優(yōu)選地附著在結(jié)構(gòu)上的 高能量點(diǎn)處。激發(fā)或者發(fā)射可以單獨(dú)地使用公開的方法或者和諸如遠(yuǎn) 場(chǎng)顯微鏡法，TIRF，等離子體振子共振的其它傳統(tǒng)方法組合使用或者 其它耦合方法來提供能量至結(jié)構(gòu)。使用TIRF或者等離子體振子共振將 激發(fā)最小化到非常薄的層，減少了不需要的背景。由TIRF激發(fā)產(chǎn)生的 漸逝波的貫穿深度是入射角度的函數(shù)，其中入射在臨界角最大，并且 隨著基底和激發(fā)光之間的角度的減小而減小。因此，為了最小化貫穿 深度和被漸逝波激發(fā)的溶液的體積，優(yōu)選最小化該角度。例如，這可 以通過使用高NATIRF目標(biāo)物，使用在目標(biāo)物的極端邊緣引入的激光 (器)來實(shí)現(xiàn)。
該裝置可以用于單個(gè)分子熒光。該裝置通過使用天線/納米粒子的 波長(zhǎng)代替激發(fā)波長(zhǎng)，可用于從染料中產(chǎn)生雙光子激發(fā)。雙光子激發(fā)需 要在激發(fā)光子之前用兩個(gè)光子來激發(fā)分子。伴隨著雙光子激發(fā)，產(chǎn)生 的熒光在比激發(fā)低的波長(zhǎng)處，能夠輕易地濾除光學(xué)元件和基底的背景 熒光和其它非特定的熒光。進(jìn)一步地，雙光子發(fā)射發(fā)生的概率是激發(fā) 功率平方的函數(shù)，因此，如果裝置有100的光學(xué)增強(qiáng)，那么共振增強(qiáng) 區(qū)域內(nèi)的熒光團(tuán)實(shí)際上是不在增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的熒光團(tuán)的10， 000倍，大 大減少了來自附近熒光團(tuán)的背景。同樣的，他們也用于DNA排序，但是也適用于預(yù)期小容量被激發(fā)的許多其它類型的應(yīng)用。
雖然參考示例性實(shí)施例描述本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠在不 脫離實(shí)際精神和范圍內(nèi)做出不同于所描述的實(shí)施例的各種修改。這里 所使用的術(shù)語和描述僅僅是為了描述并不意味限制。具體地，盡管通 過例子描述本方法，可以以和所描述的不同的順序或者同步地執(zhí)行本 方法的步驟。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到在由下面的權(quán)利要求和它們 的等價(jià)所定義的精神和范圍內(nèi)這些和其它變化是可能的。
1權(quán)利要求
1.一種分析核酸的方法，該方法包括提供被配置成與一個(gè)或者多個(gè)熒光標(biāo)記核酸耦合的共振結(jié)構(gòu)；將激發(fā)光從源引導(dǎo)至該共振結(jié)構(gòu)的表面；以及在該共振結(jié)構(gòu)的該表面上產(chǎn)生等離子體振子，其中該分析物固定在該共振結(jié)構(gòu)的能量集中點(diǎn)。
2. —種分析分析物的方法，該方法包括 提供與分析物耦合的共振結(jié)構(gòu)； 將激發(fā)光從源引導(dǎo)至該共振結(jié)構(gòu)；以及在該共振結(jié)構(gòu)的該表面上產(chǎn)生等離子體振子，其中該分析物通過 光敏銜接物與固定在該共振結(jié)構(gòu)的能量集中點(diǎn)的分子組合。
3. 如權(quán)利要求2的方法，其中該等離子體振子用在單個(gè)分子排序。
4. 如權(quán)利要求2的方法，其中該等離子體振子用在熒光關(guān)聯(lián)能譜 法中。
5. 如權(quán)利要求2的方法，其中該共振結(jié)構(gòu)是納米粒子。
6. 如權(quán)利要求5的方法，其中該納米粒子是納米米粒、納米桿、 納米環(huán)、納米體、納米殼和納米半月體中的一個(gè)。
7. 如權(quán)利要求6的方法，其中該等離子體振子產(chǎn)生于該納米半月 體的該外圍。
8. 如權(quán)利要求2的方法，其中該共振結(jié)構(gòu)是空洞陣列。
9. 如權(quán)利要求8的方法，其中該等離子體振子產(chǎn)生于該空洞陣列 的空洞的表面，空洞陣列的上方和通過該空洞。
10. 如權(quán)利要求2的方法，其中該激發(fā)光源是鈍光纖頭。
11. 如權(quán)利要求10的方法，其中該激發(fā)光源位于該分析物外。
12. 如權(quán)利要求10的方法，其中該激發(fā)光源是光纖尖頭陣列。
13. 如權(quán)利要求2的方法，其中該共振結(jié)構(gòu)包括光子次波長(zhǎng)波導(dǎo)。
14. 如權(quán)利要求2的方法，其中該共振結(jié)構(gòu)包括二維光子晶體。
15. 如權(quán)利要求2的方法，其中該共振結(jié)構(gòu)是納米天線。
16. 如權(quán)利要求2的方法，其中該共振結(jié)構(gòu)是蝴蝶結(jié)形納米天線。
17. 如權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括在該蝴蝶結(jié)形天線上提供 覆蓋，其中該覆蓋被配置成具有合適的厚度基本上防止淬滅。
18. 如權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在該共振結(jié)構(gòu)的該能量集中點(diǎn)處提供光敏附著。
19. 如權(quán)利要求1的方法，其中該光敏附著是單分子排序的一部分。
20. —種等離子體振子結(jié)構(gòu)，包括納米天線，由金屬材料實(shí)現(xiàn)并且被配置成產(chǎn)生增強(qiáng)區(qū)域；以及 臨近該納米天線的一部分沉積的阻擋層，其中該阻擋層凈皮配置成 基本上減少在該增強(qiáng)區(qū)域外的熒光團(tuán)的激發(fā)。
21. 如權(quán)利要求20的等離子體振子結(jié)構(gòu)，其中該阻擋層由介電材 料制成。
22. 如權(quán)利要求20的等離子體振子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括金屬層，其 中該漸逝波激發(fā)區(qū)域由通過該金屬層的SPR產(chǎn)生。
23. 如權(quán)利要求20的等離子體振子結(jié)構(gòu)，其中該漸逝波激發(fā)區(qū)域 由TIRF產(chǎn)生。
全文摘要
本實(shí)施方案一般地涉及分析核酸的方法。該方法包括提供配置成與一個(gè)或者多個(gè)熒光標(biāo)記核酸相耦合的共振結(jié)構(gòu)和將激發(fā)光從源引導(dǎo)至該共振結(jié)構(gòu)。該方法還包括在共振結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生等離子體振子，其中分析物固定在共振結(jié)構(gòu)的能量集中點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N33/00GK101680864SQ200780042184
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2007年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日
發(fā)明者C·R·康奈爾, E·S·諾爾德曼, M·F·奧爾達(dá)姆, T·M·伍登伯格 申請(qǐng)人:應(yīng)用生物系統(tǒng)有限責(zé)任公司