УСТРОЙСТВО МИКРОЭЛЕКТРОННОГО ДАТЧИКА Российский патент 2013 года по МПК G01N21/64 G01N21/55 

Область техники

Изобретение относится к устройству микроэлектронного датчика для регистрации целевых компонентов.

Уровень техники

В негомогенном анализе концентрацию целевых биомолекул можно определять путем измерения поверхностной концентрации целевых биомолекул или шариков [которые представляют целевую биомолекулу], связанных на поверхности датчика. В порядке примера, можно предусмотреть конкурентный анализ, где поверхность связывания (подложка) покрыта целевыми молекулами. Шарики могут быть покрыты специфичными [для целевой молекулы] антителами и рассеяны в жидкости, которая содержит целевые молекулы. Свободная целевая молекула в образце конкурирует с иммобилизованной целевой молекулой на поверхности датчика для связывания с шариком, покрытым антителами. В случае низкой концентрации, вероятность того, что антитело свяжется с целевой молекулой на поверхности датчика, выше, чем вероятность того, что антитело свяжется с целевой молекулой в растворе. Путем измерения поверхностной концентрации шариков, связанных на подложке, можно определить концентрацию целевых молекул. Однако, для точного измерения концентрации необходима схема регистрации с высокой поверхностной специфичностью, которая довольно нечувствительна к шарикам в растворе. Традиционный датчик использует нераспространяющуюся полевую моду, которая генерируется путем освещения отверстий, близких к дифракционному пределу, на поверхности датчика, в частности, так называемой проволочной сетки, которая имеет структуру, образующую отверстие, задающую наибольший плоскостной размер отверстия, который больше дифракционного предела, и наименьший плоскостной размер отверстия, который меньше дифракционного предела. Обычно, объем регистрации шариков обеспечен между структурами, образующими отверстие - так что шарики, благодаря электромагнитному взаимодействию с нераспространяющейся полевой модой, обеспечивают регистрируемое излучение - например, люминесцентное излучение или изменение отражающей/пропускающей способности датчика вследствие присутствия шариков.

В общем случае, чувствительность биосенсора на основе проволочной сетки зависит от доли входной/возбуждающей мощности, которая поступает в объем регистрации с нераспространяющейся модой. В режимах освещения, где освещение падает на поверхность под прямым углом, мощность, поступающая в объем регистрации, будет снижаться. Существует потребность в увеличении эффективности возбуждения, без необходимости использовать более высокие интенсивности для регистрации целевых компонентов.

Сущность изобретения

Согласно аспекту, предусмотрено оптическое устройство для обеспечения нераспространяющегося излучения, в ответ на падающее излучение, в объеме регистрации, который содержит целевой компонент в среде, причем, по меньшей мере, один плоскостной размер (W1') объема регистрации меньше дифракционного предела. Дифракционный предел определяется длиной волны излучения и средой; нераспространяющееся излучение обеспечивается структурами, образующими отверстие, причем наименьший плоскостной размер отверстия W1 меньше дифракционного предела, и объем регистрации обеспечен между структурами, образующими отверстие. Структуры, образующие отверстие, дополнительно определяют наибольший плоскостной размер отверстия W2; причем наибольший плоскостной размер отверстия больше дифракционного предела. Предусмотрено оптическое направляющее устройство для направления пучка излучения, имеющего длину волны, таким образом, что направление падения отличается от внеплоскостного нормального направления, для обеспечения нераспространяющегося излучения в объеме регистрации, в ответ на излучение, падающее на оптическое устройство. Оптическое направляющее устройство предназначено для обеспечения плоскости падения, заданной направлением наибольшего плоскостного размера отверстия и внеплоскостным нормальным направлением.

Согласно другому аспекту, предусмотрен способ регистрации целевого компонента в объеме регистрации, сформированном в отверстии, содержащий этапы, на которых: излучают пучок излучения, имеющий длину волны, падающий на оптическое устройство, направление падения которого отличается от внеплоскостного нормального направления, и обеспечивают нераспространяющееся излучение, в ответ на падающее излучение, в объеме регистрации, который содержит целевой компонент в среде, причем, по меньшей мере, один плоскостной размер (W1) объема регистрации меньше дифракционного предела, дифракционный предел определяется длиной волны излучения и средой, причем нераспространяющееся излучение обеспечивается структурами, образующими отверстие, причем наименьший плоскостной размер отверстия W1 меньше дифракционного предела, и объем регистрации обеспечен между структурами, образующими отверстие, причем структуры, образующие отверстие, дополнительно определяют наибольший плоскостной размер отверстия W2; причем наибольший плоскостной размер отверстия больше дифракционного предела. Излучение от целевого компонента, присутствующего в объеме регистрации, регистрируется, в ответ на излучаемое падающее излучение от источника. Плоскость падения определяется направлением наибольшего плоскостного размера отверстия и внеплоскостным нормальным направлением.

Эти и другие аспекты изобретения явствуют из и поясняются со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанные ниже.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схема устройства микроэлектронного датчика.

Фиг.2 - подробная схема распределения поля, падающего на устройство датчика, показанное на фиг.1.

Фиг.3 - схема варианта осуществления согласно изобретению.

Фиг.4 - иллюстративный график эффективности возбуждения в зависимости от плоскости падения.

Фиг.5 - схема хода луча падающего света согласно предпочтительному варианту осуществления.

Фиг.6 - графики мощностных коэффициентов отражения для поляризованного света, падающего на границу раздела стекло-воздух.

Фиг.7 - схема предпочтительного варианта осуществления согласно аспекту изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления

Устройство микроэлектронного датчика, отвечающее настоящему изобретению можно использовать для качественной или количественной регистрации целевых компонентов, причем целевыми компонентами могут быть, например, биологические субстанции, как то биомолекулы, комплексы, клеточные фракции или клетки. Термин "маркер и/или частица" означает частицу (атом, молекулу, комплекс, наночастицу, микрочастицу и т.д.), обладающую некоторым свойством (например, оптической плотностью, магнитной восприимчивостью, электрическим зарядом). Например, целевые компоненты могут люминесцировать или обеспечивать показатель преломления, отличный от показателя преломления среды, что можно зарегистрировать и, таким образом, косвенно выявить присутствие соответствующего целевого компонента.

"Целевой компонент" и "маркерная частица" могут быть одним и тем же объектом. Дополнительно, устройство микроэлектронного датчика, согласно аспекту изобретения может содержать следующие компоненты:

a) Датчик снабжен совокупностью структур, образующих отверстие, для которых первый наименьший плоскостной размер отверстия (W1) меньше дифракционного предела, причем дифракционный предел (W_min) задается средой, содержащей целевые компоненты, согласно

W_min=λ/(2*n_medium), (1)

где λ - длина волны в вакууме, и n_medium - показатель преломления среды перед проволочной сеткой.

В предпочтительном варианте осуществления, структура, образующая отверстие, задает первый и второй плоскостные векторы, которые параллельны листу непрозрачного материала (примерами являются металлы, такие как золото (Au), серебро (Ag), хром (Cr), алюминий (Al)). Первый (наименьший) плоскостной размер отверстия параллелен первому плоскостному вектору, и второй (наибольший) плоскостной размер отверстия параллелен второму плоскостному вектору.

Дополнительно, отверстия задают второй плоскостной размер W2, который больше дифракционного предела, и существует плоскость пропускания, образованная первым плоскостным вектором и третьим вектором, нормальным к первому и второму плоскостным векторам, и плоскость отражения, образованная вторым плоскостным вектором и вышеупомянутым третьим вектором. R-поляризованный падающий свет, т.е. свет, электрическое поле которого ортогонально плоскости пропускания, по существу, отражается структурой, образующей отверстие, и генерирует нераспространяющееся поле внутри отверстия. T-поляризованный свет, падающий на структуру, образующую отверстие, отвечающую настоящему изобретению, т.е. свет, электрическое поле которого параллельно плоскостям пропускания одного или нескольких отверстий, по существу, пропускается структурой, образующей отверстие, и генерирует распространяющееся поле в отверстии.

В некоторых вариантах осуществления датчик содержит носитель, имеющий поверхность связывания, на которой можно собирать целевые компоненты. Термин "поверхность связывания" выбран здесь, в основном, как уникальная ссылка на конкретную часть поверхности носителя, и хотя целевые компоненты во многих приложениях фактически будут связываться с поверхностью, это не является обязательным условием. Необходимо только, чтобы целевые компоненты могли достигать поверхности связывания для сбора на ней (обычно в концентрациях, определяемых параметрами, связанными с целевыми компонентами, их взаимодействием с поверхностью связывания, их подвижностью и т.п.). Носитель предпочтительно обладает высокой прозрачностью для света данного спектрального диапазона, в частности, света, излучаемого источником света, который будет описан ниже. Носитель может быть выполнен, например, из стекла или какого-либо прозрачного пластика. Носитель может быть проницаемым; он обеспечивает функцию переноса для структур, образующих отверстие, предусмотренных на носителе, причем наименьший плоскостной размер отверстия (W1) меньше дифракционного предела.

b) Источник для излучения пучка излучения, именуемого ниже "падающий световой пучок", в вышеупомянутый носитель, так что он, по меньшей мере, частично отражается, по меньшей мере, в зоне исследования на поверхности связывания носителя. Источником света может быть, например, лазер или светодиод (СИД), в необязательном порядке снабженный какой-либо оптикой для формирования и направления падающего светового пучка. "Зоной исследования" может быть подобласть поверхности связывания или полная поверхность связывания; она обычно имеет форму пятна, освещаемого падающим световым пучком. Структура, образующая отверстие, отражает, по меньшей мере, R-поляризованный свет. В ответ на R-поляризованный компонент излучения, падающего на структуру, в объеме регистрации, сформированном между отверстиями, генерируется нераспространяющееся излучение. В необязательном порядке, объем регистрации может проходить в объем, сформированный между структурами, образующими отверстие, и носителем.

c) Детектор для определения излучения от целевого компонента, присутствующего в объеме регистрации, в ответ на излучаемое падающее излучение от источника. Детектор может содержать любой подходящий датчик или совокупность датчиков, позволяющих регистрировать свет данного спектра, например, фотодиод, фоторезистор, фотоэлемент или фотоумножитель. Когда в данном описании изобретения используется термин «свет» или «излучение», он подразумевает все типы электромагнитного излучения, в частности, в зависимости от контекста, как видимое, так и невидимое электромагнитное излучение.

Устройство микроэлектронного датчика можно использовать для качественной регистрации целевых компонентов, дающей, например, простой двоичный отклик в отношении конкретной целевой молекулы ("присутствует" или "отсутствует"). Однако, предпочтительно, устройство датчика содержит модуль оценки для количественного определения количества целевых компонентов в зоне исследования на основании зарегистрированного отраженного света. Это определение может, например, базироваться на том факте, что количество света в нераспространяющейся световой волне, которое поглощается или рассеивается целевыми компонентами, пропорционально концентрации этих целевых компонентов в зоне исследования. Количество целевых компонентов в зоне исследования может, в свою очередь, указывать концентрацию этих компонентов в жидком образце, который сообщается с отверстием согласно кинетике соответствующих процессов связывания.

На фиг.1 показана общая схема устройства микроэлектронного датчика 100. Центральным компонентом этого устройства является носитель 11, который может быть выполнен, например, из стекла или прозрачного пластика наподобие полистирола. Носитель 11 располагается после камеры 2 образцов, в которой можно обеспечивать жидкий образец с целевыми компонентами, подлежащими регистрации (например, лекарства, антитела, ДНК и т.д.). Камера 2 может дополнительно образовываться вертикальными стенками 111, которые, в предпочтительном варианте осуществления, непрерывно повторяются для формирования совокупности соседних стенок 111, образующих луночный планшет, например, для микробиологических анализов. Образец дополнительно содержит частицы 10, например, электрически заряженные или флуоресцентные частицы, причем эти частицы 10 обычно функционализированы сайтами связывания (например, антителами) для специфичного связывания вышеупомянутых целевых компонентов (для простоты, на фигуре показаны только частицы 10). Можно использовать и другие маркерные частицы, например, суперпарамагнитные шарики.

В этом варианте осуществления, граница раздела между носителем 11 и камерой образцов 2 образована поверхностью, именуемой "поверхностью связывания" 12. Эта поверхность связывания 12, в необязательном порядке, может быть покрыта элементами захвата, например, антителами, лигандами, которые могут специфично связывать целевые компоненты.

Устройство датчика 100 дополнительно содержит источник света 21, например, лазер или СИД, который генерирует падающий световой пучок 101, который проникает в носитель 11. Падающий световой пучок 101 достигает поверхности связывания 12. Излучение от целевого компонента 102 достигает носителя 11 и регистрируется детектором света 310, например, фотодиода. Альтернативно, детектор света 310 может определять мощность/энергию отраженного светового пучка 102 (например, выражаемую интенсивностью света этого светового пучка во всем спектре или в определенной части спектра). Результаты измерений оцениваются и, в необязательном порядке, отслеживаются в течение периода наблюдения с помощью модуля 32 оценивания и записи, который подключен к детектору 310. На несущей поверхности 12, лист непрозрачного материала, предпочтительно, металла (например, золота (Au), серебра (Ag), хрома (Cr), алюминия (Al)) обеспечен в виде полосок 20, образующих проволочную сетку, причем наименьший плоскостной размер отверстия (W1) меньше дифракционного предела, дифракционный предел, определяемый как длина волна, деленная на удвоенный показатель преломления среды 2, содержащей целевые компоненты 10. Угол падения α2 может, в принципе, варьироваться от 0 до 90°. Заметим, что плоскость падения находится в плоскости бумаги, как показано на фиг.1. Вследствие дифракционно-ограниченной природы отверстия, в объеме исследования 13 (см. фиг.2) создается нераспространяющееся поле, которое может избирательно распределяться в силу присутствия частиц, которые связаны несущей поверхностью 12, или, по меньшей мере, в пределах нераспространяющегося поля, генерируемого структурами 20, образующими отверстие, в объеме регистрации 4.

На фиг.1 показано, что поверхность снабжена совокупностью структур (20), образующих отверстие. В частности, в показанном варианте осуществления, эти структуры могут быть обеспечены металлическими проволоками или полосками (20), образующими отверстиями W1. Обычно, эти полоски сформированы в виде периодической структуры удлиненных параллельных проволок (20). Такую структуру обычно называют проволочной сеткой. Хотя изобретение можно применять к периодической структуре (структуре дифракционной решетки), это не обязательно, в действительности, структура также может быть апериодической или квазипериодической. Размер отверстия (W1) наименьшего размера, или, если применимо, период дифракционной решетки Λ, обычно меньше дифракционного предела, причем дифракционный предел определяется основной длиной волны или диапазоном длин волны падающего светового пучка и средой, содержащей целевые компоненты. Предпочтительно, падающий световой пучок состоит исключительно из излучения, имеющего длины волны, превышающие дифракционно-ограниченную длину волны, которая определяется как удвоенный наименьший размер отверстия (W1), умноженный на показатель преломления среды (2), содержащий целевые компоненты (10). Полезное свойство структур, образующих отверстие, например, выполненных по технологии проволочной сетки, состоит в том, что свет внутри отверстия может весьма легко переключаться от нераспространяющейся моды (см. фиг.2) к распространяющейся моде путем переключения поляризации входящего света, что обеспечивает поверхностно-специфические и объемные измерения.

Типичные размеры шариков 10 составляют порядка 10-1000 нм. Типичные параметры для проволочной сетки, выполненной из алюминия, используемой для красного света возбуждения (например, HeNe лазера, имеющего длину волны 632.8 нм) представляют собой период 140 нм (50% дифракционного предела в воде для этой длины волны); коэффициент заполнения 50% и высоту 160 нм. Для этих параметров, (1/e) длина затухания по интенсивности в отверстии, заполненном водой, составляет только 17 нм. Максимальный размер шарика (т.е. шарики, которые 'в точности' входят в зазор между проволоками) ограничен величиной чуть менее 70 нм для этих параметров.

В порядке примера рассмотрим случай шариков диаметром 200 нм. Для этого диаметра, период 580 нм и коэффициент заполнения 2/3 является разумным выбором; зазор между проволоками 387 нм. Во избежание распространения дифракционных порядков для пропущенного света, период дифракционной решетки должен быть ниже дифракционного предела в воде (показатель преломления 1.33): для периода 580 нм, это означает, что длина волна падающего света составляет, по меньшей мере, 1540 нм. Для длины волна 1600 нм и толщины 600 нм, получаем (1/e) длину затухания по интенсивности 109 нм и фоновое подавление (для объема поверх проволочной сетки) равное 250.

На фиг.2 более подробно показана зона исследования 13, указанная на фиг.1. Отсюда следует, что близкая к оптимальной интенсивность нераспространяющегося возбуждения обусловлена тем фактом, что фазовый фронт входящего света не обязательно параллелен фазовому фронту нераспространяющейся моды, распространяющемуся через щель(и) проволочной сетки. Эффективность возбуждения (т.е. доля мощности падающего света, преобразованной в нераспространяющуюся моду щели) примерно пропорциональна интегралу перекрытия между проекцией падающего электрического поля (E1; которая является плоской волной, которая распространяется под углом (α2) относительно нормали к границе раздела подложка-проволочная сетка) на входной грани проволочной сетки и электрического поля фундаментальной нераспространяющейся моды щели (E2), что подразумевает, что эффективность возбуждения пропорциональна cos(α2) и пропорциональна префактору, меньшему единицы, который выражает изменение фазы проекции падающего поля в направлении плоскостного размера W1. Таким образом, эффективность возбуждения снижается с увеличением угла α2.

Плоскость падения падающего пучка (101) на фиг.2 лежит в плоскости бумаги, для ясности, отраженный пучок не показан. Плоскость падения, соответственно, параллельна наименьшему размеру по ширине структур, образующих отверстие - металлических проволок (20), и параллельна третьему вектору, указывающему в направлении, нормальном к первому вектору, указывающему в направлении наименьшей ширины и второму вектору, указывающему в направлении наибольшей ширины отверстия. Поскольку плоскость падения ортогональна наибольшему плоскостному размеру отверстия W2 (который ориентирован в направлении, перпендикулярном плоскости бумаги, см. фиг.3) и параллельна наименьшему плоскостному размеру отверстия W1, эффективность возбуждения нераспространяющейся моды (E2), сформированной между отверстиями (20), снижается в соответствии с умножением на функцию косинса и вышеупомянутый префактор, зависящий от угла падения (α2), сформированного между фазовым фронтом (E1) падающего излучения (101) и фазовым фронтом нераспространяющейся моды (E2). Плоская волна (распределение поля, E1) падает через подложку (1) на проволочную сетку с проволоками (20). Каждая щель между проволоками 20 поддерживает нераспространяющуюся моду (распределение поля, E2), которая возбуждается падающей плоской волной, которая распространяется под углом (α2).

На фиг.3 показан первый вариант осуществления согласно аспекту изобретения. На этом схематическом чертеже, шарик (10), находящийся в объеме регистрации (не показан) между полосками (20) показан полупрозрачным. В этом варианте осуществления измеряется увеличенное рассеяние вследствие присутствия шариков (10) в нераспространяющемся объеме. Альтернативно, можно измерять другие типы излучения от целевого компонента (10), например, его люминесценцию. В этом варианте осуществления детектор (22) предназначен для регистрации излучения (105) от целевого компонента (10). Пучок (105) проходит через линзу (21) и достигает поверхности (22) детектора, и, соответственно, отделяется от зеркально отраженного светового пучка (102), для указания присутствия целевого компонента (10). В частности, присутствие шарика (10) в нераспространяющемся поле приводит к рассеянию (105, 106). В частности, благодаря ориентации отверстия (22) регистрации от зеркально отраженного пучка (102), отраженный свет пространственно отделяется от рассеянного света (105), за счет освещения проволочной сетки под углом, превышающим цифровую апертуру (ЧА) линзы (21). При использовании проволочной сетки в этом режиме отражения, т.е. при освещении образца проволочной сетки не под прямым углом к нормали к подложке и имеет угол, который находится вне ЧА линзы (21) для сбора сгенерированного рассеянного или флуоресцентного излучения, фазовый фронт входящего света (101) параллелен фазовому фронту нераспространяющейся моды, поддерживаемой щелью, в силу того, что пучок 101 падает на носитель 11 и структуру 20, генерирующую нераспространяющееся поле, в плоскости падения, параллельной наибольшему плоскостному размеру отверстия (W2) и параллельной третьему вектору, нормальному к наименьшему (W1) и наибольшему (W2) плоскостным размерам. В результате, зарегистрированная мощность/интенсивность нераспространяющегося возбуждения увеличивается.

Проблему снижения эффективности возбуждения из-за угла между падающей волной и нераспространяющейся модой щели, соответственно можно решить, исходя из того, что волновые фронты падающей волны и нераспространяющейся моды щели, по существу, параллельны и имеют поляризацию, поперечную плоскости пропускания (заданной первым вектором в направлении W1 и третьим вектором, нормальным к направлениям W1 и W2) структуры, образующей отверстие. Это сводится к плоскости падения, которая, по существу, параллельна плоскости отражения структуры, образующей отверстие, и поляризации, по существу, параллельной плоскости падения.

Дополнительное преимущество этой конфигурации в том, что падающий свет является TM-поляризованным относительно границы раздела между подложкой и средой перед подложкой (каковой обычно является воздух).

Угол Брюстера на границе раздела выражается [2]:

$$$$ (2).

n_substrate и n_incident - это показатели преломления подложки и среды падения (в большинстве случаев, воздуха). Используя закон Снелла, можно показать, что при падении света под углом Брюстера свет в подложке распространяется под углом Брюстера для границы раздела подложка-воздух. Другими словами, освещение под углом Брюстера приводит к нулевому отражению на границах раздела среда падения (воздух)-подложка и подложка-среда падения (воздух). Соответственно, оптическое направляющее устройство (21, 31) предназначено для обеспечения плоскости падения, заданной направлением наибольшего плоскостного размера отверстия и внеплоскостным нормальным направлением. Термин 'заданный направлением' используется в том смысле, что направления, по существу, параллельны наибольшему плоскостному размеру отверстия и внеплоскостному нормальному направлению, т.е., предпочтительно в пределах 10 градусов, более предпочтительно, в пределах 5 градусов, наиболее предпочтительно, в пределах 1 градуса от указанных направлений.

На фиг.4 показан график, демонстрирующий эффективность возбуждения нераспространяющейся моды для плоскостей падения, которые, по существу, параллельны нормали к границе раздела подложка - проволочная сетка и нормальны проволокам (пунктирная линия) и, по существу, параллельны проволокам (сплошная линия) проволочной сетки. В этом примере проволочная сетка сформирована из алюминиевых проволок, имеющих период 140 нм и коэффициент заполнения 50%. Проволочная сетка обеспечена на стеклянной подложке; с водой поверх проволочной сетки и освещается излучением, имеющим длину волны 632.8 нм. Известно, что эффективность возбуждения оптимальна для плоскости падения, по существу, параллельной нормали к границе раздела между проволочной сеткой и подложкой и, по существу, параллельной проволокам проволочной сетки и, конечно, электрического поля, по существу, параллельного плоскости падения. Для угла падения, примерно равного углу Брюстера (α2=34,5 градусов), плоскость падения, параллельная проволокам и нормали, дает эффективность возбуждения 57%, что фактически чуть больше коэффициента заполнения проволочной сетки.

На фиг.5 показан вариант осуществления, где паразитные отражения минимизируются для падающего пучка 101. Для этого, предпочтительно задавать угол падения между направлением падения и нормальным направлением для обеспечения поляризованного излучения, где вектор электрического поля ориентирован в плоскости падения, т.е., предпочтительно, угол между электрическим полем поляризованного излучения и плоскостью падения меньше 10 градусов; более предпочтительно, меньше 5 градусов; наиболее предпочтительно, меньше 1 градуса. Обычно это приводит к тому, что, относительно плоскости падения, интенсивность внеплоскостного вектора электрического поля составляет меньше 2% полной интенсивности, что обычно обеспечивается углом падения, равным углу Брюстера или в пределах 7° от него. Соответственно, за счет того, что угол падающего света α1 примерно равен углу Брюстера относительно границы раздела воздух-подложка, за счет того, что плоскость падения, по существу, параллельна проволокам и нормали к границе раздела между структурой, образующей отверстие (проволоками), и за счет того, что поляризация падающего света, по существу, параллельна плоскости падения, паразитные отражения минимизируются, и интенсивность света возбуждения оптимизируется. Паразитные множественные отражения на границе раздела между подложкой и средой перед подложкой, которые иначе происходили бы, можно подавлять, исходя из того, что для TM-поляризованного света (т.е. электрическое поле лежит в плоскости падения, сформированной между падающим пучком 101 и отраженным пучком 102), и данного набора показателей преломления существует угол (так называемый угол Брюстера), при котором отражение равно нулю. Таким образом, способ подавления паразитных отражений состоит в освещении образца проволочной сетки светом под углом Брюстера и поляризованным так, что электрическое поле ориентировано в плоскости падения. Для генерации нераспространяющихся полей в пространстве между проволоками проволочной сетки необходимо, чтобы компоненты электрического поля были, по существу, параллельны плоскости отражения проволочной сетки. Это подразумевает, что паразитные отражения можно устранить с помощью конфигурации, где плоскость падения (плоскость падения, по существу, параллельна волновым векторам падающего, отраженного (102) и пропущенного света), по существу, параллельна нормали к границе раздела между проволочной сеткой и подложкой (11) и, по существу, параллельна наибольшему размеру (W2) структуры, образующей отверстие (т.е. проволокам 20) проволочной сетки.

Пунктирные стрелки указывают ориентацию электрического поля, которое находится в плоскости падения (плоскости бумаги, и проекции которого на плоскость, параллельную подложке (нормальную к плоскости бумаги), параллельны длинному (превышающему дифракционный предел) плоскостному направлению проволок (20) проволочной сетки.

На фиг.6 приведен пример мощностных коэффициентов отражения для TE- и TM-поляризованного света как функции угла падения для границ раздела воздух-стекло и стекло-воздух. Для подложки из стекла с показателем преломления (1,457) и света, падающего через воздух, получаем, что угол Брюстера на границе раздела воздух-подложка равен 55.7 градусов и на границе раздела подложка-воздух - 34,5 градусов. Исходя из того, что величины коэффициентов отражения на границах раздела среда падения-подложка и подложка-среда падения одинаковы для данных углов распространения в среде падения и подложке, можно видеть, что коэффициенты отражения очень малы (менее 1%) для углов падения α1 42-64 градусов. Для TE-поляризованного света, коэффициенты отражения значительно выше; 7-20% (для углов падения 42-64 градусов).

Таким образом, предпочтительно, для конфигурации, где i) плоскость падения параллельна нормали к границе раздела между структурами, образующими отверстие, (т.е. проволоками) и подложкой и параллельна второму размеру структур, образующих отверстие (т.е. в длинном направлении проволок) проволочной сетки; ii) поляризация, при которой электрическое поле параллельно плоскости падения; и iii) угол падения близок к углу Брюстера, можно минимизировать паразитные отражения и можно оптимизировать эффективность возбуждения (для этого конкретного угла падения).

На фиг.7 показан альтернативный вариант осуществления, в котором дифракционная решетка используется для преобразования угла падающего света в угол, примерно равный углу Брюстера. В частности, дифракционная решетка (31) присоединена к верхней грани прозрачного носителя (11). Порядок дифракционной решетки соответствует углу Брюстера для границы раздела носителя 11. Таким образом, падающий пучок 101 направляется через дифракционную решетку 31 к структурам (20), образующим отверстие, установленным на противоположной стороне носителя (11). Для ясности, на фигуре показан только один порядок пропускания дифракционной решетки 31. Согласование порядка дифракционной решетки (m) с углом Брюстера задает период дифракционной решетки, предполагая нормальное падение света:

$$$$ (3)

Для падающего света с длиной волны λ=632.8 нм и стеклянной подложки с показателем преломления n_substrate=1,457, необходим период дифракционной решетки Λ=768 нм для согласования первого порядка с углом Брюстера дифракционной решетки. Регулируя толщину и форму дифракционной решетки, можно оптимизировать дифракционную картину таким образом, чтобы минимизировать основной порядок (m=0).

В порядке примера, для отражательной дифракционной решетки с высотой 1500 нм находим минимум дифракционной эффективности 27,5% основного порядка и максимум дифракционной эффективности положительного первого порядка (m=+1) 68,5% и только 4% в отрицательном первом порядке (m=-1).

Устройство и способ, отвечающие изобретению, можно использовать в качестве быстрых, надежных и простых в использовании биосенсоров для малых объемов образца, применяемых на месте наблюдения. Реакционная камера может быть расходным элементом для использования с компактным устройством чтения, содержащим одно или несколько средств генерации поля и одно или несколько средств регистрации. Кроме того, устройство, способы и системы, отвечающие настоящему изобретению, можно использовать в автоматическом высокопроизводительном тестировании. В этом случае, реакционная камера является, например, луночным планшетом или кюветой, вставляемым в автоматический прибор.

В ходе практического осуществления заявленного изобретения, изучив чертежи, описание и формулу изобретения, специалисты в данной области техники могут предложить и реализовать другие разновидности раскрытых вариантов осуществления. Наконец, нужно указать, что в данной заявке термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, что употребление названия элемента или этапа в единственном числе не исключает наличия совокупности таких элементов или этапов, и что один процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких средств. Изобретение заключается в каждом признаке новизны и каждой комбинации признаков новизны. Кроме того, условные обозначения, применяемые в формуле изобретения, не следует рассматривать в порядке ограничения ее объема.

Изобретение относится к оптическому устройству для обеспечения нераспространяющегося излучения, в ответ на падающее излучение, в объеме регистрации, который содержит целевой компонент в среде, причем, по меньшей мере, один плоскостной размер (W1) объема регистрации меньше дифракционного предела. Дифракционный предел определяется длиной волны излучения и средой. Нераспространяющееся излучение обеспечивается структурами, образующими отверстие, причем наименьший плоскостной размер отверстия W1 меньше дифракционного предела. Объем регистрации обеспечен между структурами, образующими отверстие. Структуры, образующие отверстие, дополнительно определяют наибольший плоскостной размер отверстия W2; причем наибольший плоскостной размер отверстия больше дифракционного предела. Источник предусмотрен для излучения пучка излучения, имеющего длину волны, падающий на оптическое устройство, направление падения которого не параллельно внеплоскостному нормальному направлению, для обеспечения нераспространяющегося излучения в объеме регистрации, в ответ на излучение, падающее на оптическое устройство. Плоскость падения параллельна наибольшему плоскостному размеру отверстия. Изобретение обеспечивает увеличение эффективности возбуждения без необходимости использовать более высокие интенсивности для регистрации целевых компонентов. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Микроэлектронный датчик, содержащий оптическое устройство (100), источник для обеспечения пучка падающего излучения (101) и детектор (310, 22) для регистрации излучения от целевого компонента, присутствующего в объеме регистрации, который содержит целевой компонент (10) в среде, в ответ на излучаемое падающее излучение от источника, причем оптическое устройство дополнительно содержит
структуры (20), образующие отверстие, предназначенные для обеспечения нераспространяющегося излучения (Е2) в объеме регистрации (4), в ответ на падающее излучение (101), причем отверстия структур, образующих отверстие, распределены в плоскости и имеют в этой плоскости наименьший размер отверстия (W1), который параллелен первому вектору и меньше дифракционного предела, и наибольший размер отверстия (W2), который параллелен второму вектору, перпендикулярному первому вектору, и больше дифракционного предела, причем дифракционный предел определяется длиной волны падающего излучения и средой, причем объем регистрации обеспечен между структурами (20), образующими отверстие,
оптическое направляющее устройство (31) для направления пучка излучения, имеющего длину волны, таким образом, чтобы он имел направление падения на оптическое устройство (100), для обеспечения нераспространяющегося излучения в объеме регистрации (4), в ответ на излучение, падающее на оптическое устройство, причем оптическое направляющее устройство (31) предназначено для обеспечения плоскости падения, вдоль второго вектора, и перпендикулярной первому вектору.

2. Микроэлектронный датчик по п.1, в оптическом устройстве которого структуры (20), образующие отверстие, содержат непрозрачный материал.

3. Микроэлектронный датчик по п.1, в оптическом устройстве которого оптическое направляющее устройство (31) предназначено для обеспечения поляризованного излучения, имеющего вектор электрического поля в плоскости падения.

4. Микроэлектронный датчик по п.3, в оптическом устройстве которого оптическое направляющее устройство предназначено устанавливать угол падения между направлением падения и внеплоскостным нормальным направлением, в диапазоне +/-7 градусов от угла Брюстера.

5. Микроэлектронный датчик по п.1, в котором оптическое устройство дополнительно содержит прозрачный носитель (11), образующий грань (12), где смонтированы структуры (20), образующие отверстие, и образующий противоположную грань, где смонтировано направляющее устройство (31).

6. Микроэлектронный датчик по п.1, в оптическом устройстве которого направляющее устройство (31) представляет собой дифракционную решетку и/или устройство настройки источника для настройки источника для обеспечения падающего пучка излучения (101) относительно оптического устройства (100).

7. Микроэлектронный датчик по п.5, оптическое устройство которого размещено так, что объем регистрации (4) проходит в носитель (11).

8. Микроэлектронный датчик по п.1, в оптическом устройстве которого целевые компоненты (10) выбраны из группы, содержащей люминесцентные частицы, поглощающие частицы и частицы, показатель преломления которых отличается от показателя преломления среды.

9. Микроэлектронный датчик по п.1, в оптическом устройстве которого структуры (20), образующие отверстие, обеспечены металлическими проволоками или полосками, образующими проволочную сетку.

10. Микроэлектронный датчик по п.1, в оптическом устройстве которого поляризация поля падающего излучения такова, что электрическое поле параллельно плоскости падения.

11. Микроэлектронный датчик, содержащий оптическое устройство (100) по п.1, дополнительно содержащий источник для обеспечения пучка падающего излучения, и детектор (310, 22) для регистрации излучения от целевого компонента, присутствующего в объеме регистрации, в ответ на излучаемое падающее излучение от источника.

12. Микроэлектронный датчик по п.11, в котором детектор (310, 22) предназначен для сбора излучения от целевого компонента под углами сбора, меньшими угла падения между направлением падения и нормальным направлением.

13. Способ регистрации целевого компонента в объеме регистрации, сформированном в отверстии, содержащий этапы, на которых
направляют пучок излучения, имеющий длину волны и направление падения на оптическое устройство,
обеспечивают нераспространяющееся излучение, в ответ на падающее излучение, в объеме регистрации, который содержит целевой компонент в среде, причем объем регистрации имеет, по меньшей мере, один размер (W1) в первой плоскости, который меньше дифракционного предела, причем дифракционный предел определяется длиной волны излучения и средой, причем нераспространяющееся излучение обеспечивается структурами, образующими отверстия, которые распределены в первой плоскости и имеют в этой плоскости наименьший размер отверстия (W1), который параллелен первому вектору и меньше дифракционного предела, причем объем регистрации обеспечен между структурами, образующими отверстие, причем структуры, образующие отверстие, дополнительно задают в первой плоскости наибольший размер отверстия (W2), параллельный второму вектору, который перпендикулярен первому вектору, причем наибольший плоскостной размер отверстия больше дифракционного предела, и
регистрируют излучение от целевого компонента, присутствующего в объеме регистрации, в ответ на излучаемое падающее излучение от источника,
причем плоскость падения пучка излучения распространяется вдоль второго вектора и перпендикулярна первому вектору.