ХИМИЧЕСКИЙ СЕНСОР, МОДУЛЬ ХИМИЧЕСКОГО СЕНСОРА, УСТРОЙСТВО ОБРАРУЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА
CHEMICAL SENSOR, CHEMICAL SENSOR MODULE, DEVICE FOR DETECTION OF CHEMICAL SUBSTANCE AND METHOD FOR DETECTION OF CHEMICAL SUBSTANCE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к химическому сенсору, модулю химического сенсора, устройству обнаружения химического вещества и к способу обнаружения химического вещества для обнаружения химического вещества с использованием излучения света на объекте с детектируемой мишенью.
Уровень техники
Исследован химический сенсор для обнаружения химического вещества путем использования светового излучения, вызванного химической связью. В частности, материал зонда, который специфически связывается с детектируемым материалом мишени, прикрепляется к сенсору, и образец, содержащий материал мишени, подается на сенсор. В результате, материал мишени связывается с материалом зонда. Например, флуоресцентную метку вводят в связанный материал, полученный при связывании материала мишени, и материал зонда, и флуоресценция генерируется в связанном материале при облучении возбуждающим светом. В результате, флуоресценция детектируется фотоэлектрическим преобразователем и таким образом можно подтвердить наличие материала мишени в образце.
В таком химическом сенсоре, если свет возбуждения для возбуждения флуоресцентной метки обнаруживается фотоэлектрическим преобразователем, свет возбуждения невозможно отличить от определяемой флуоресценции, поэтому необходимо отделить свет возбуждения от света флуоресценции и устранить свет возбуждения.
Например, патентный документ 1 раскрывает полупроводниковый элемент для детектирования органических молекул, снабженный пленкой оптического фильтра и иммобилизатора ДНК, которая блокирует свет возбуждения и позволяет проходить через нее только свету флуоресценции. Пленка оптического фильтра и иммобилизатора ДНК представляет собой многослойный пленочный оптический фильтр, сформированный наложением пленки диоксида кремния, слоя оксида алюминия, пленки оксида магния и т.п., и она устраняет ультрафиолетовый свет (свет возбуждения) за счет интерференции света.
Патентный документ 1: JP 2002-202303 (Пункт [0039], Фиг. 1)
Сущность изобретения
Задача, решаемая изобретением
Однако многослойный пленочный оптический фильтр, как описано в патентном документе 1, требует определенного количества слоев, чтобы в достаточной степени блокировать свет возбуждения, так что существует опасение, что могут возникать перекрестные помехи (смесь света от соседнего фотоэлектрического преобразователя) из-за большой толщины. Кроме того, поскольку используется интерференция света, считается, что свет возбуждения, который входит в многослойный пленочный оптический фильтр в наклонном направлении, не может быть эффективно блокирован. Кроме того, требуется большое число операций для формирования многослойной пленки, и необходимо регулировать толщину, поэтому необходимо оценивать эффективность.
С учетом вышеописанных обстоятельств целью настоящего изобретения является создание химического сенсора, снабженного спектральным фильтром с превосходными спектральными характеристиками, а также модуля химического сенсора, устройства обнаружения химического вещества и способа обнаружения химического вещества.
Средства решения проблемы
Для достижения вышеуказанной задачи химический сенсор согласно настоящему изобретению включает подложку и слой плазмонного поглощения.
В подложке сформирован блок фотодетектирования.
Слой плазмонного поглощения нанесен на подложку, и слой плазмонного поглощения имеет металлическую наноструктуру, которая создает плазмонное поглощение.
При такой структуре падающий свет может быть рассеян слоем плазмонного поглощения, нанесенным сверху слоя подложки, и только свет детектируемой мишени достигает блока фотодетектирования. При использовании плазмонного поглощения металлической наноструктуры можно уменьшить толщину слоя плазмонного поглощения, который действует как спектральный фильтр, и предотвратить флуоресцентное излучение (автофлюоресценцию) слоя плазмонного поглощения. Кроме того, слой плазмонного поглощения легче в изготовлении, чем многослойный пленочный фильтр, который обычно является спектральным фильтром химического сенсора, поэтому можно увеличить эффективность химического сенсора.
Химический сенсор может дополнительно включать поверхностный слой, нанесенный на слой плазмонного поглощения, поверхностный слой имеет фиксирующую поверхность, на которой удерживается объект с детектируемой мишенью.
При такой структуре за счет рассеяния света слоем плазмонного поглощения, можно осуществить обнаружение блоком фотодетектирования света, испускаемого детектируемой мишенью, удерживаемой на фиксирующей поверхности поверхностного слоя.
Слой плазмонного поглощения может блокировать свет, которым облучается объект с детектируемой мишенью, и может обеспечить прохождение через него света мишени, генерируемого объектом с детектируемой мишенью.
В такой структуре за счет рассеяния света слоем плазмонного поглощения, можно обеспечить рассеяние света облучения и обнаружение света мишени. Если свет облучения достигает блока фотодетектирования, свет облучения накладывается на свет детектируемой мишени и регистрируется блоком фотодетектирования, что приводит к снижению точности обнаружения. Блокирование света облучения слоем плазмонного поглощения может предотвратить регистрацию света облучения блоком фотодетектирования.
Свет облучения может быть светом возбуждения, а свет детектируемой мишени может быть флуоресценцией.
В такой структуре можно детектировать флуоресценцию с высокой точностью. Обычно флуоресценция является слабой, так что необходима экспозиция в течение длительного времени с помощью блока фотодетектирования. Поэтому, для того чтобы улучшить точность обнаружения, необходимо детектировать блоком фотодетектирования только флуоресценцию от объекта с детектируемой мишенью. Слой плазмонного поглощения не генерирует автофлюоресценцию и поэтому подходит для обнаружения флуоресценции.
Слой плазмонного поглощения может содержать металлические наночастицы.
Диспергированием металлических наночастиц в синтетической смоле или нанесением только металлических наночастиц, можно сформировать металлическую наноструктуру, обладающую плазмонным поглощением. Существуют металлические наноструктуры с металлическими наноотверстиями в них, но необходимо выполнять фотолитографию и т.п.для создания металлического наноотверстия. В противоположность этому, при использовании металлических наночастиц, можно легко сформировать металлическую наноструктуру.
Металлическая наночастица - это частица с поверхностью, образованной поверхностью чистого металла, включающего по меньшей мере один металл из золота, серебра и меди и их сплава.
С использованием таких частиц можно осуществить плазмонное поглощение. Частица, имеющая поверхность, образованную поверхностью чистого металла, включающего по меньшей мере один металл из золота, серебра, меди и их сплава, является частицей из чистого металла: золота, серебра или меди, частицей, сформированной из сплава, включающего эти металлы, и частицей типа ядро-оболочка, в которой ядро, выполненное из некоторых материалов, покрыто оболочкой, сформированной из чистого металла: золота, серебра или меди или их сплава.
Металлическая наночастица может иметь диаметр 1 нм или больше и 150 нм или меньше.
В случае, когда диаметр металлической наночастицы составляет менее 1 нм, флуоресценция может возникать на слое плазмонного поглощения. В случае, когда диаметр частиц превышает 150 нм, оптический спектр может не подходить для спектрального фильтра. Таким образом, с диаметром частиц металлической наночастицы в диапазоне 1-150 нм, можно получить требуемые спектральные характеристики слоя плазмонного поглощения.
Химический сенсор может дополнительно включать слой цветного светофильтра, нанесенный между подложкой и слоем плазмонного поглощения, слой цветового светофильтра выполнен из материала на основе органического красителя.
При облучении светом возбуждения слой цветного светофильтра, выполненный из материала на основе органического красителя, сам дает флуоресценцию (автофлуоресценция), который приводит к снижению точности обнаружения света детектируемой мишени. Однако в структуре в соответствии с настоящим изобретением, слой цветного светофильтра расположен под слоем плазмонного поглощения, в результате чего свет возбуждения блокируется слоем плазмонного поглощения, предотвращая попадание в слой цветного светофильтра так, что автофлюоресценция не возникает. В то же время, цветной светофильтр имеет хорошую регулировку блокировки/пропускания длины волны, так что с помощью слоя цветного светофильтра можно интерполировать спектральные характеристики слоя плазмонного поглощения.
Химический сенсор может дополнительно включать слой многослойного пленочного фильтра, сформированного наложением нескольких типов материалов.
В такой структуре слой многослойного пленочного фильтра и слой плазмонного поглощения могут дополнять спектральные характеристики друг друга. Слой многослойного пленочного фильтра не дает автофлюоресценции и, следовательно, может быть расположен выше слоя плазмонного поглощения.
В химическом сенсоре фиксирующая поверхность удерживает материал зонда, который специфически связывается с материалом детектируемой мишени.
В такой структуре посредством размещения образца, содержащего материал мишени, на фиксирующей поверхности можно обеспечить связь материала мишени, соответствующего материалу зонда, с материалом зонда. В результате, свет детектируемой мишени детектируется с использованием связанного материала, полученного при связи материала мишени и материала зонда, в качестве объекта с детектируемой мишенью, обеспечивая тем самым возможность проверить факт присутствия материала мишени в образце.
Материал зонда может быть одним из ДНК, РНК, белка и антигенного вещества.
В такой структуре можно использовать эти вещества в качестве объекта измерения.
Для достижения вышеуказанной цели модуль химического сенсора включает химический сенсор и источник света облучения.
Химический сенсор включает подложку, на которой формируется блок фотодетектирования, слой плазмонного поглощения, нанесенный на подложку, и поверхностный слой, нанесенный на слой плазмонного поглощения, слой плазмонного поглощения имеет металлическую наноструктуру, которая обеспечивает плазмонное поглощение, поверхностный слой имеет фиксирующую поверхность, на которой удерживается объект с детектируемой мишенью.
Источник света облучения облучает фиксирующую поверхность светом облучения.
Для достижения вышеуказанной цели устройство обнаружения химического вещества включает химический сенсор и схему обработки сигналов.
Химический сенсор включает подложку, на которой формируется блок фотодетектирования, слой плазмонного поглощения, нанесенный на подложку, и поверхностный слой, нанесенный на слой плазмонного поглощения, слой плазмонного поглощения имеет металлическую наноструктуру, которая обеспечивает плазмонное поглощение, поверхностный слой имеет фиксирующую поверхность, на которой удерживается объект с детектируемой мишенью.
Схема обработки сигналов соединена с химическим сенсором и обрабатывает выходной сигнал блока фотодетектирования.
Для достижения вышеуказанной цели способ обнаружения химического вещества включает подготовку химического сенсора, включающего подложку, на которой формируется блок фотодетектирования, слой плазмонного поглощения, нанесенный на подложку, и поверхностный слой, нанесенный на слой плазмонного поглощения, слой плазмонного поглощения имеет металлическую наноструктуру, которая обеспечивает плазмонное поглощение, поверхностный слой имеет фиксирующую поверхность, на которой удерживается объект с детектируемой мишенью.
Материал зонда наносят на фиксирующую поверхность.
Образец приводят в контакт с фиксирующей поверхностью и материал мишени, содержащийся в образце, связывается с материалом зонда с образованием объекта с детектируемой мишенью.
Фиксирующую поверхность облучают светом облучения.
Под действием света облучения, свет детектируемой мишени, генерируемый в результате связи материала зонда и материала мишени в объекте с детектируемой мишенью детектируется блоком фотодетектирования.
Свет облучения может быть светом возбуждения, а свет детектируемой мишени может быть флуоресценцией.
На стадии детектирования флуоресценции могут быть обнаружены с помощью блока фото детектирования изменения длины волны и яркости флуоресценции, вызванные взаимодействием материала мишени и предварительно флуоресцентно-меченого материала зонда.
На стадии детектирования флуоресценции может быть обнаружена блоком фотодетектирования флуоресценция материала мишени, который предварительно помечен флуоресцентной меткой и связан с материалом мишени.
На стадии детектирования флуоресценции флуоресцентная метка вводится в связанный материал, из материала зонда и материал мишени, и флуоресценция может быть обнаружена с помощью блока фотодетектирования.
Эффект изобретения
Как описано выше, в соответствии с настоящим изобретением можно предложить химический сенсор, снабженный спектральным фильтром с превосходными спектральными характеристиками, модуль химического сенсора, устройство обнаружения химического вещества и способ обнаружения химического вещества.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Блок-схема, представляющая структуру устройства обнаружения химического вещества согласно первому варианту.
Фиг. 2 - Блок-схема, представляющая структуру химического сенсора в соответствии с первым вариантом.
Фиг. 3 - Блок-схема, представляющая структуру химического сенсора в соответствии с первым вариантом.
Фиг. 4 - График, представляющий спектр поглощения в зависимости от размера частиц наночастиц серебра.
Фиг. 5 - График, представляющий спектр поглощения в зависимости размера частиц наночастиц золота.
Фиг. 6 - Спектр поглощения в зависимости от размера частиц наночастиц золота (форма стержня).
Фиг. 7 - ПЭМ-изображение наночастиц золота (форма стержня).
Фиг. 8 - Таблица, представляющая необходимые толщины в зависимости от структуры фильтра.
Фиг. 9 - График, представляющий спектр флуоресценции различных фильтров.
Фиг. 10 - Блок-схема, представляющая структуру модуля химического сенсора в соответствии с первым вариантом.
Фиг. 11 - Блок-схема, представляющая структуру модуля химического сенсора в соответствии со вторым вариантом.
Фиг. 12 - Блок-схема, представляющая структуру модуля химического сенсора согласно третьему варианту.
Лучшие варианты осуществления изобретения
Первый вариант
Устройство обнаружения химических веществ в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения будет описано ниже.
Полная структура устройства обнаружения химического вещества
Фиг. 1 является блок-схемой устройства 1 обнаружения химического вещества согласно варианту изобретения. Как показано на фиг., устройство 1 обнаружения химического вещества состоит из химического сенсора 3, сформированного на подложке 2, и периферийной схемы для приведения в действие химического сенсора 3. Химический сенсор 3 включает несколько блоков 21 фотодетектирования, размещенных на подложке 2.
Количество блоков 21 фотодетектирования и их компоновка не ограничена и может быть выполнена в форме матрицы или линейной форме. Здесь блоки 21 фотодетектирования расположены в виде матрицы на плоскости подложки 2. Направление строк определяется как вертикальное направление, а направление столбцов определяется как горизонтальное направление.
Периферийная схема состоит из вертикальной схемы управления 4, схемы 5 обработки сигналов, горизонтальной схемы управления 6 и схемы управления 7 системой. Кроме того, блоки 21 фото детектирования соединены с линиями 8 управления элементами изображения для каждой строки и соединены с вертикальными сигнальными линиями 9 для каждого столбца. Линии 8 управления элементами изображения подключены квертикальной цепи управления 4, и вертикальные сигнальные линии 9 соединены со схемой 5 обработки сигналов.
Схема 5 обработки сигналов соединена с горизонтальной схемой управления 6, и схема управления 7 системой соединена с вертикальной схемой управления 4, схемой 5 обработки сигнала и горизонтальной схемой управления 6. Следует отметить, что периферийная схема может быть размещена путем нанесения, например, на область элементов изображения или на противоположную сторону подложки 2.
Вертикальная схема управления 4 формируется, например, сдвиговым регистром. Вертикальная схема управления 4 выбирает линию 8 управления элементами изображения, подает импульс для приведения в действие блоков 21 фото детектирования по выбранной линии 8 управления элементами изображения, и приводит в действие построчно блоки 21 фото детектирования. Другими словами, вертикальная схема 4 управления проводит выборочное последовательное построчное сканирование блоков 21 фотодетектирования в вертикальном направлении. Затем по вертикальной сигнальной линии 9, вертикально связанной относительно линии 8 управления элементами изображения, вертикальная схема управления 4 передает в схему 5 обработки сигнала сигнал элементов изображения на основе информационного заряда, генерируемого в соответствии с полученным количеством света блоками 21 фотодетектирования.
Схема 5 обработки сигналов выполняет обработку сигналов, такую как удаление шума для каждого столбца элементов изображения, по отношению к выходному сигналу от блоков 21 фотодетектирования из одной строки. Другими словами, схема 5 обработки сигналов выполняет такую обработку сигналов, как двойная коррелированная выборка (CDS), усиление сигнала и аналоговое/цифровое (AD) преобразование для удаления шума с постоянным спектром, специфичного для элемента изображения.
Горизонтальная схема управления 6 сформирована, например, сдвиговым регистром и последовательно посылает импульсы горизонтального сканирования, выбирая тем самым поочередно схемы 5 обработки сигналов столбцов и вызывает вывод сигнала элемента изображения каждой схемой 5 обработки сигналов столбца.
Схема управления 7 системой принимает синхронизирующие сигналы и данные, задающий режим работы и т.п., и выдает данные, относящиеся к внутренней информации и т.п.химического сенсора 3. То есть на основе сигнала вертикальной синхронизации, сигнала горизонтальной синхронизации и тактового генератора схема управления 7 системой генерирует тактовый сигнал и сигнал управления, которые являются опорными сигналами для работы вертикальной схемы управления 4, схемы 5 обработки сигналов столбцов, горизонтальной схемы управления 6 и т.п. Затем схема управления 7 системой вводит эти сигналы в вертикальную схему управления 4, схему 5 обработки сигналов столбцов, горизонтальную схему управления 6 и т.п.
Как описано выше, вертикальная схема управления 4, схема 5 обработки сигналов столбцов, горизонтальная схема управления 6, схема управления 7 системой и схема элементов изображения, относящаяся к блокам 21 фото детектирования, которая будет описана далее, образуют схему управления, которая приводит в действие блоки 21 фотодетектирования.
Структура химического сенсора
Фиг. 2 является блок-схемой, показывающей структуру химического сенсора 3. Как показано на фиг., химический сенсор 3 сформирован наложением защитного изолирующего слоя 31, слоя 32 плазмонного поглощения и защитного поверхностного слоя 33, в этом порядке, на подложку 2, на которой сформированы блоки 21 фотодетектирования. Химический сенсор 3 используется с определяемым объектом, размещенным на поверхности защитного слоя 33. Фиг. 3 является блок-схемой, показывающей химический сенсор 3, на котором размещены определяемые объекты S.
Подложка 2 несет на себе вышеуказанные слои и может быть выполнена, например, из монокристаллического кремния. Подложка 2 имеет основную поверхность, на которой размещены блоки 21 фото детектирования, и на основной поверхности нанесены вышеуказанные слои. На подложке 2, в дополнение к блокам 21 фотодетектирования может быть сформирована структура, такая как изолирующий элемент и плавающая диффузионная область.
Блок 21 фотодетектирования может быть элементом фотоэлектрического преобразователя (фотодиод), который преобразует свет в ток. Блок 21 фотодетектирования может быть примесной областью, сформированной путем введения примесей в подложку 2, используемую в качестве полупроводниковой подложки. Блок 21 фотодетектирования может быть подключен к схеме элементов изображения, сформированной из изолирующей пленки затвора или электрода затвора (не показан), и схема элементов изображения может быть выполнена на поверхности, противоположной основной поверхности подложки 2.
Защитный изолирующий слой 31 является слоем для защиты и изоляции блоков 21 фотодетектирования и изготовлен из материала, который обеспечивает прохождение через него, по меньшей мере, диапазона длин волн света, который генерируется определяемыми объектами S (далее называется светом детектируемой мишени). Защитный изолирующий слой 31 может быть не предусмотрен в зависимости от структуры блока 21 фотодетектирования.
Слой 32 плазмонного поглощения имеет металлическую наноструктуру, которая будет описана далее, и представляет собой слой для осуществления дисперсии света (далее называется светом облучения), которым облучаются определяемые объекты S для генерации света детектируемой мишени. Толщина слоя 32 плазмонного поглощения может быть достаточно мала по сравнению со случаем многослойного пленочного фильтра или т.п. на основе спектрального принципа его действия.
Поверхностный защитный слой 33 является слоем для покрытия и защиты слоя 32 плазмонного поглощения и фиксации определяемых объектов S. Далее поверхность защитного поверхностного слоя 33, на котором фиксируются определяемые объекты S, называется фиксирующей поверхностью 33а. Поверхностный защитный слой 33 выполнен из материала, который позволяет проходить через него, по меньшей мере, диапазону длин волн света детектируемой мишени, такого как пленка диоксида кремния и пленка нитрида кремния. Кроме того, может быть выполнена обработка фиксирующей поверхности 33а для прилипания определяемых объектов S к защитному поверхностному слою 33, например, гидрофильная обработка. Такой обработкой поверхности можно выделить область, к которой прилипают определяемые объекты S (область адгезии) и область, к которой не прилипают определяемые объекты S (неадгезионная область).
Способ обнаружения химических веществ с помощью химического сенсора
Способ обнаружения химических веществ с помощью химического сенсора 3, описанного выше, будет описан далее. Следует отметить, что способ обнаружения химических веществ, который будет описаны ниже, является примером, и способ обнаружения химических веществ с помощью химического сенсора 3 не ограничивается описанным ниже способом.
В способе обнаружения химических веществ с использованием химического сенсора 3 может быть использован материал зонда, способный специфически связывается с определяемым химическим веществом (далее называемый как определяемый материал).
Сначала материал зонда прикрепляется к фиксирующей поверхности 33а. Например, в случае, когда выполнена обработка поверхности для получения фиксирующей поверхности 33а, раствор, содержащий материал зонда, наносят на эту область адгезии, обеспечивая тем самым возможность прилипания материала зонда к области адгезии. Кроме того, в случае, когда фиксирующая поверхность 33а разделена на область адгезии и неадгезионную область, материалы зонда различных видов могут быть прикреплены на каждой области адгезии.
В этом состоянии, раствор образца наносят на фиксирующую поверхность 33 а. В случае, когда раствор образца содержит определяемый материал (материал мишени), этот материал мишени связывается с соответствующим ему материалом зонда. Поверхность 33а промывают, удаляя таким образом избыточный материал мишени. После этого, путем введения флуоресцентной метки, которая может быть введена только в связанное вещество из материала зонда и материал мишени, только связанное вещество материала зонда и материал мишени является флуоресцентно-мечеными, а материал зонда, который не связан с материалом мишени не является флуоресцентно-меченым. Следует отметить, что в этом примере связанное вещество из материала зонда и материал мишени соответствует определяемому объекту S.
В этом состоянии химический сенсор 3 облучают светом возбуждения со стороны защитного поверхностного слоя 33. Флуоресцентная метка, содержащаяся в определяемом объекте S, возбуждается светом возбуждения и генерируется флуоресценция. Свет флуоресценции проходит через поверхностный защитный слой 33, слой 32 плазмонного поглощения 32 и защитный изолирующий слой 31, достигает блок 21 фотодетектирования и регистрируется. Свет возбуждения блокируется слоем 32 плазмонного поглощения и, таким образом, предотвращается его попадание в блоки 21 фотодетектирования.
При детектировании материала мишени, например, в случае, когда ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) используется в качестве материала зонда, может быть использована 5′-флуоресцеин-меченая ДНК. Если образец содержит ДНК, имеющую последовательность, комплементарную 5′-флуоресцеин-меченой ДНК, происходит реакция гибридизации, что приводит к изменению материала зонда из одноцепочечной ДНК (ss-ДНК) в двухцепочечную ДНК (ds-ДНК). Изменение вызывает изменение диэлектрической проницаемости окружении флуоресцентной молекулы и, следовательно, вызывает изменение длины волны излучения и интенсивности флуоресценции. Изменение определяется посредством блоков 21 фотодетектирования.
Кроме того, в случае, когда ДНК используют в качестве материала зонда, ДНК без флуоресцентной метки используется в качестве материала зонда и 5′-флуоресцеин-меченая ДНК используется, например, в качестве образца. В этом случае, если образец содержит ДНК, имеющую последовательность комплементарную ДНК, используемой в качестве материала зонда, происходит реакция гибридизации, что приводит к превращению в ds-ДНК с флуоресцентной меткой. Излучение флуоресценции флуоресцентной метки обнаруживается посредством блоков 21 фото детектирования.
Альтернативно в случае, когда ДНК используют в качестве материала зонда, ДНК без флуоресцентной метки используют в качестве материала зонда и флуоресцентный пигмента также не вводят со стороны образца. В этом случае, если образец содержит ДНК, имеющую последовательность комплементарную ДНК, используемой в качестве материала зонда, происходит реакция гибридизации, что приводит к превращению в ds-ДНК. Затем проводят обработку введением флуоресцентной метки селективным окрашиванием только ds-ДНК с использованием Pico-Green (Пико-зеленого) реактива для количественного определения 2-цепочечной ДНК фирмы Molecular Probes, например, обеспечивая таким образом введение флуоресцентной метки в часть ds-ДНК. Излучение флуоресценции флуоресцентной метки обнаруживается посредством блоков 21 фотодетектирования.
В вышеприведенном примере описание дается для ДНК в качестве материала зонда, но можно использовать различные биомолекулы, такие как РНК (рибонуклеиновая кислота), белки и антигенные вещества или различные химические вещества в качестве материала зонда. Кроме того, в качестве примера света облучения, которым облучают определяемые объекты S, приводится свет возбуждения, и в качестве света детектируемой мишени, испускаемого определяемыми объектами S, приводится флуоресценция, но свет облучения и свет детектируемой мишени ими не ограничиваются. Настоящая технология может быть применена, если при облучении определяемых объектов S любым светом определяемые объекты S излучают свет любой другой длиной волны.
Относительно рассеяния слоем плазмонного поглощения
Как описано выше, слой 32 плазмонного поглощения блокирует свет облучения и позволяет проходить через него только свету детектируемой мишени. То есть слой 32 плазмонного поглощения действует как спектральный фильтр. Слой 32 плазмонного поглощения имеет металлическую наноструктуру, то есть структуру наноразмера, сформированную из металла, такого как металлические наночастицы и металлические наноотверстия.
Слой 32 плазмонного поглощения имеет свойство плазмонного поглощения. Плазмоном называется квант коллективных колебаний свободных электронов в металле. В металлической наноструктуре генерируются поверхностные плазмоны с колебаниями, отличными от случая объемного металла. Взаимодействие между поверхностным плазмоном и светом называется поверхностным плазмонным резонансом, при этом электрическое поле световой волны заданной длины волны, определяемой в зависимости от типа металла, формы наноструктуры (формы частиц, формы отверстий или т.п.), и размера наноструктуры (размер частиц, диаметр отверстий или т.п.), и плазмоны связываются, в результате чего происходит поглощение света.
В этом варианте осуществления изобретения можно использовать металлические наночастицы, имеющие поверхность, образованную чистым металлом, включающим, по меньшей мере, один металл из золота, серебра и меди или их сплава. Это относится к частице из чистого металла: золота, серебра или меди; частице, образованной из сплава, содержащего, по меньшей мере, один металл из золота, серебра и меди; и частице типа ядро-оболочка, сформированной покрытием некоторого металлического ядра или неметаллического ядра оболочкой из чистого металла или сплава.
Диаметр частиц металлической наночастицы предпочтительно составляет 1-150 нм. В случае, когда диаметр частиц металлической наночастицы составляет менее 1 нм, флуоресценция может генерироваться в металлической наночастице. Кроме того, в случае, когда диаметр частиц превышает 150 нм, оптический спектр может не подходить для спектрального фильтра. В частности, считается, что разработка блокировки/пропускания длины волны света становится сложной, например, формируются два или более пиков пропускания оптического спектра.
Фиг. 4 представляет спектр поглощения в зависимости от размера наночастиц серебра и фиг. 5 представляет спектр поглощения на основе наночастиц золота. Из фиг. 4 установлено, что диапазон длин волн максимального поглощения возникает при около 400 нм для наночастиц серебра и из фиг. 5 диапазон длин волн максимального поглощения возникает при около 520 нм для наночастиц золота. В обоих случаях наночастиц серебра и наночастиц золота диапазоны длин волн поглощения смещаются в зависимости от размеров частиц, но разница в типе металла оказывает большее влияние.
Фиг. 6 представляет спектр поглощения в зависимости от размера частиц (длина стержней) стержнеобразных наночастиц золота. Фиг. 7 представляет ПЭМ (просвечивающая электронная микроскопия) изображение стержнеобразных наночастиц золота (10 нм × 40 нм). Как показано на фиг. 6, в случае стержнеобразных наночастиц золота диапазон длин волн максимального поглощения изменяется от 500 нм до 1400 нм в зависимости от размера частиц. Таким образом, путем соответствующего выбора типа металла металлических наночастиц, содержащихся в слое 32 плазмонного поглощения, формы частиц и размера частиц, можно установить любой диапазон длин волн в диапазоне длин волн поглощения слоем 32 плазмонного поглощения.
Как описано выше, в этом варианте осуществлении изобретения с помощью плазмонного поглощения металлической наноструктуры установлен диапазон длин волн поглощения металлической наноструктуры в диапазоне длин волн света облучения, в результате чего слой 32 плазмонного поглощения может быть использован в качестве спектрального фильтра.
Использование слоя 32 плазмонного поглощения в качестве спектрального слоя обеспечивает следующие преимущества по сравнению с обычным многослойным пленочным фильтром или обычным фильтром на основе органического красителя (цветной светофильтр).
2
2
Во-первых, можно уменьшить толщину, необходимую для получения достаточных спектральных характеристик. Фиг. 8 представляет толщину, необходимую для достижения пропускания 0,1% по отношению к свету с длиной волны 530 нм. Как показано на фиг., спектральный фильтр (фильтр, содержащий металлические наночастицы), который использует металлические наночастицы, имеет необходимую толщину меньше, чем фильтр на основе органического красителя и многослойный пленочный фильтр (TiO/SiO). Таким образом, определяемый объект S и блок 21 фотодетектирования расположены ближе друг к другу, так что можно предотвратить такое явление (перекрестные помехи), при котором свет детектируемой мишени, генерируемый на определяемом объекте S, регистрируется соседним блоком 21 фотодетектирования.
Кроме того, не генерируется автофлюоресценция, которая является проблемой в случае фильтра на основе органического красителя. Автофлюоресценция - это явление, при котором спектральный фильтр возбуждается светом возбуждения с генерацией флуоресценции. Если автофлюоресценция генерируется, авто флюоресценция смешивается с флуоресценцией, генерируемой определяемым объектом, что приводит к снижению точности измерения блоком фотодетектирования.
Фиг. 9 является графиком, представляющим результат измерения флуоресценции фильтром, содержащим металлические наночастицы, фильтром на основе органического красителя и кремниевой подложки. Кремниевая подложка используется в качестве основы, и фильтр, содержащий металлические наночастицы, получают нанесением на кремниевую подложку металлических наночастиц. Длина волны света возбуждения составляет 510-550 нм и длина волны детектируемой флуоресценции составляет 600 нм или более. Как показано на фиг., было установлено, что автофлюоресценция генерируется фильтром на основе органического красителя, но не генерируется фильтром, содержащим металлические наночастицы. Таким образом, в спектральном фильтре, который использует металлические наночастицы согласно настоящей технологии, автофлюоресценция не генерируется, так что можно измерить свет детектируемой мишени с высокой точностью.
Кроме того, для многослойного пленочного фильтра необходимо наложить несколько слоев точной толщины. В противоположность этому, в слое 32 плазмонного поглощения, используется только один слой, и его толщина может быть задана менее точно, чем для многослойного пленочного фильтра. Таким образом, с использованием слоя 32 плазмонного поглощения в спектральном фильтре можно увеличить эффективность химического сенсора 3.
Кроме того, в спектральном анализе, в котором используются интерференция света, многослойный пленочный фильтр имеет спектральную функцию по отношению к падающему свету в направлении, вертикальном по отношению к слою, но не может эффективно рассеивать свет, падающий в наклонном направлении. В противоположность этому, слой 32 плазмонного поглощения согласно этому варианту осуществления имеет преимущество по сравнению с многослойным пленочным фильтром в том, что угол падающего света, который обеспечивает эффективное рассеяние, шире, без ограничения на угол падающего света в отличие от многослойного пленочного фильтра.
Модуль химического сенсора
Химический сенсор 3 может формировать модуль с источником света облучения, который испускает свет облучения на химический сенсор 3. Фиг. 10 представляет блок-схему, показывающую модуль 100 химического сенсора. Как показано на фиг., модуль 100 химического сенсора состоит из источника 101 света облучения, интегрально соединенного с химическим сенсором 3. Свет облучения, излучаемый источником 101 света облучения, попадает на определяемые объекты S, прикрепленные к фиксирующей поверхности 33а, и вызывает возникновение детектируемого света мишени. Следует отметить, что слой 32 плазмонного поглощения согласно этому варианту осуществления изобретения может эффективно рассеивать свет, падающий на слой в наклонном направлении, поэтому такой источник света может быть использован в качестве источника 101 света облучения.
Способ изготовления химического сенсора
Будет описан способ изготовления химического сенсора 3 (см. фиг. 1). Во-первых, на основной поверхности подложки 2, формируют блоки 21 фото детектирования из примесных областей, изолирующую пленку затвора (не показана) и электрод затвора (не показан) методом ионного легирования через маску с последующей термической обработкой. Затем на подложку 2, на которой сформированы блоки 21 фотодетектирования, наносят защитный изолирующий слой 31 CVD (химическое осаждение из паровой фазы) методом металлизации напылением или т.п.
Затем на защитный изолирующий слой 31 наносят слой 32 плазмонного поглощения. В случае формирования металлических наночастиц слой 32 плазмонного поглощения может быть сформирован нанесением покрытия методом центрифугирования, покрытием тонким напыленным слоем, струйным методом или т.п.из смолы, содержащей металлические наночастицы или раствора металлических наночастиц. Кроме того, в случае формирования металлических наноотверстий, слой 32 плазмонного поглощения может быть сформирован путем структурирования металлической пленки с помощью фотолитографии или т.п.
Затем на слой 32 плазмонного поглощения наносят защитный поверхностный слой 33. Поверхностный защитный слой 33 может быть нанесен методом CVD, методом металлизации напылением или т.п. Следует отметить, что также можно нанести слой 32 плазмонного поглощения струйным методом на пластинчатый кристалл после нанесения защитного изолирующего слоя 31, выполнения PAD opening и последующей обработки.
Как описано выше, согласно этому варианту воплощения слой 32 плазмонного поглощения используется в качестве спектрального фильтра, в результате чего может быть выполнено эффективное рассеяние и может быть изготовлен химический сенсор 3 с оптическим фильтром с высокой эффективностью.
Второй вариант осуществления изобретения
Устройство обнаружения химических веществ в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящей технологии будет описано ниже. Следует отметить, что в этом варианте структуры, которые являются такими же, что и в первом варианте, обозначены теми же символами, и их описание будет опущено.
Устройство обнаружения химических веществ согласно данному варианту осуществления изобретения отличается от устройства обнаружения химических веществ в соответствии с первым вариантом с точки зрения структуры химического сенсора. Фиг. 11 является блок-схемой, показывающей структуру химического сенсора 200 согласно этому варианту.
Как показано на фиг. 11, химический сенсор 200 включает слой 34 цветного светофильтра, в дополнение к подложке 2, на которой сформированы блоки 21 фотодетектирования, защитному изолирующему слою 31, слою 32 плазмонного поглощения и защитному поверхностному слою 33. Слой 34 цветного светофильтра наносят между защитным изолирующим слоем 31 и слоем 32 плазмонного поглощения, то есть на нижней стороне слоя плазмонного поглощения 32.
Слой 34 цветного светофильтра выполнен из органической смолы на основе красителя и рассеивает падающий свет в зависимости от его цвета. Слой цветного 34 светофильтра может быть изготовлен из материала, имеющего соответствующие спектральные характеристики в соответствии с диапазонами длин волн света облучения и света детектирования мишени.
Как описано выше, цветной светофильтр, выполненный из органического полимера на основе красителя, может генерировать автофлюоресценцию, которая является флуоресценцией, генерируемой при облучении светом возбуждения. Однако в химическом сенсоре 200 согласно этому варианту осуществления изобретения в верхнем слое 34 цветного светофильтра предусмотрен слой 32 плазмонного поглощения, так что свет возбуждения блокируется слоем 32 плазмонного поглощения, в результате чего предотвращается автофлюоресценция слоя 34 цветного светофильтра.
С другой стороны, легко контролировать поглощение и длину волны пропускания цветного светофильтра. Таким образом, путем размещения слоя 34 цветного светофильтра ниже слоя 32 плазмонного поглощения, можно осуществить рассеяние в соответствующих диапазонах длин волн света облучения и света детектирования мишени, одновременно предотвращая генерацию автофлуоресценции. Другими словами, достаточно того, что слой 32 плазмонного поглощения блокирует только диапазон длин волн, в котором автофлюоресценция генерируется цветовым светофильтром 34, то есть используется цветной светофильтр 34, упрощая тем самым оптическую конструкцию слоя 32 плазмонного поглощения.
Третий вариант осуществления изобретения
Устройство обнаружения химических веществ в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящей технологии будет описано ниже. Следует отметить, что в этом варианте структуры, которые являются такими же, что и в первом варианте, обозначены теми же символами, и их описание будет опущено.
Устройство обнаружения химических веществ согласно данному варианту осуществления изобретения отличается от устройства обнаружения химических веществ в соответствии с первым вариантом с точки зрения структуры химического сенсора. Фиг. 12 является блок-схемой, показывающей структуру химического сенсора 300 согласно этому варианту.
Как показано на фиг. 12, химический сенсор 300 включает слой многослойного пленочного фильтра 35 в дополнение к подложке 2, на которой сформированы блоки 21 фотодетектирования, защитному изолирующему слою 31, слою 32 плазмонного поглощения и защитному поверхностному слою 33. Слой многослойного пленочного фильтра 35 наносят между защитным изолирующим слоем 31 и слоем 32 плазмонного поглощения 32. Кроме того, хотя не показано, слой многослойного пленочного фильтра 35 может быть нанесен между слоем 32 плазмонного поглощения и защитным изолирующим слоем 31.
2
2
Слой многослойного пленочного фильтра 35 формируется поочередным нанесением нескольких материалов, таких как TiO и SiO, и он рассеивает падающий свет за счет интерференции света. Слой многослойного пленочного фильтра 35 может быть изготовлен из материала, имеющего соответствующие спектральные характеристики в соответствии с диапазонами длин волн света облучения и света детектируемой мишени.
В слое многослойного пленочного фильтра 35, в отличие от цветного светофильтра автофлюоресценция не генерируется, так что слой многослойного пленочного фильтра 35 может быть сформирован выше слоя 32 плазмонного поглощения, вместо формирования ниже слоя 32 плазмонного поглощения. При использовании слоя многослойного пленочного фильтра 35 можно взаимно регулировать спектральные характеристики слоя 32 плазмонного поглощения и слоя многослойного пленочного фильтра 35 и сократить количество необходимых слоев многослойного пленочного фильтра 35.
Настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществлениями и может быть модифицировано без изменения сущности изобретения.
Слой плазмонного поглощения, описанный в вышеуказанных вариантах осуществления изобретения, то есть спектральный фильтр, использующий плазмонное поглощение металлических наноструктур, может быть использован в другом устройстве, отличном от химического сенсора. Например, слой плазмонного поглощения можно использовать в качестве спектрального фильтра медицинского сенсора, который облучает палец испытуемого инфракрасными лучами и регистрирует сдвиг при отражении, поглощении и т.п.
Следует отметить, что данная технология может принимать следующую конфигурацию.
(1) Химический сенсор, включающий:
подложку, на которой формируется блок фотодетектирования; и
слой плазмонного поглощения, нанесенный на подложку, слой плазмонного поглощения, имеющий металлическую наноструктуру, которая генерирует плазмонное поглощение.
(2) Химический сенсор по п. (1), дополнительно включающий поверхностный слой, нанесенный на слой плазмонного поглощения, поверхностный слой, имеющий фиксирующую поверхность, на которую прикрепляется определяемый объект.
(3) Химический сенсор по пп. (1)-(2), в котором
слой плазмонного поглощения блокирует свет облучения, которым облучается определяемый объект, и позволяет проходить через него свету, генерируемому определяемым объектом.
(4) Химический сенсор по пп. (1)-(3), в котором
свет облучения является светом возбуждения, и
свет детектируемой мишени является светом флуоресценции.
(5) Химический сенсор по пп. (1)-(4), в котором
слой плазмонного поглощения включает металлические наночастицы.
(6) Химический сенсор по пп. (1)-(5), в котором
металлическая наночастица является частицей, имеющей поверхность, сформированную из чистого металла, включающего, по меньшей мере, один металл из золота, серебра и меди и их сплава.
(7) Химический сенсор по пп. (1)-(6), в котором
диаметр частиц металлических наночастиц составляет 1-150 нм.
(8) Химический сенсор по пп. (1)-(7), дополнительно включающий
слой цветного светофильтра, нанесенный между подложкой и слоем плазмонного поглощения, слой цветного светофильтра изготовлен из материала на основе органического красителя.
(9) Химический сенсор по пп. (1)-(8), дополнительно включающий
слой многослойного пленочного фильтра, сформированный наложением материалов нескольких типов.
(10) Химический сенсор по пп. (1)-(9), в котором
фиксирующая поверхность удерживает материал зонда, который специфически связывается с материалом детектируемой мишени.
(11) Химический сенсор по пп. (1)-(10), в котором
материал зонда является одним из ДНК, РНК, белка и антигенного вещества.
(12) Модуль химического сенсора, включающий:
химический сенсор, включающий подложку, на которой формируется блок фотодетектирования, слой плазмонного поглощения, нанесенный на подложку, и поверхностный слой, нанесенный на слой плазмонного поглощения, слой плазмонного поглощения имеет металлическую наноструктуру, которая создает плазмонное поглощение, поверхностный слой имеет фиксирующую поверхность, на которой удерживается определяемый объект; и
источник света облучения, который облучает фиксирующую поверхность светом облучения.
(13) Устройство обнаружения химических веществ, включающее:
химический сенсор, включающий подложку, на которой формируется блок фотодетектирования, слой плазмонного поглощения, нанесенный на подложку, и поверхностный слой, нанесенный на слой плазмонного поглощения, слой плазмонного поглощения имеет металлическую наноструктуру, которая создает плазмонное поглощение, поверхностный слой имеет фиксирующую поверхность, на которой удерживается определяемый объект; и
схему обработки сигналов, которая соединена с химическим сенсором и обрабатывает выходной сигнал блока фотодетектирования.
(14) Способ обнаружения химических веществ, включающий:
изготовление химического сенсора, включающего подложку, на которой формируется блок фотодетектирования, слой плазмонного поглощения, нанесенный на подложку, и поверхностный слой, нанесенный на слой плазмонного поглощения, слой плазмонного поглощения имеет металлическую наноструктуру, которая создает плазмонное поглощение, поверхностный слой имеет фиксирующую поверхность, на которой удерживается определяемый объект;
прикрепление материала зонда к фиксирующей поверхности;
приведение образца в контакт с фиксирующей поверхностью и связывание определяемого материала, содержащегося в образце, с материалом сенсора для формирования определяемого объекта;
облучение фиксирующей поверхности светом облучения; и
регистрацию блоком фото детектирования света детектируемой мишени, генерируемого в результате связывания материала зонда и материала мишени на определяемом объекте после получения света облучения.
(15) Способ обнаружения химических веществ по п. (14), в котором свет облучения является светом возбуждения, и
свет детектируемой мишени является светом флуоресценции.
(16) Способ обнаружения химических веществ по пп. (14)-(15), в котором
на стадии регистрации флуоресценции изменение длины волны и яркости флуоресценции, вызванной взаимодействием определяемого материала и предварительно флуоресцентно-меченого материала зонда регистрируется блоком фотодетектирования.
(17) Способ обнаружения химических веществ по пп. (14)-(16), в котором
на стадии регистрации флуоресценции, флуоресценция генерируется материалом мишени, в который предварительно введена флуоресцентная метка, и который связан с материалом зонда, регистрируется блоком фотодетектирования.
(18) Способ обнаружения химических веществ по пп. (14)-(17), в котором
на стадии регистрации флуоресценции флуоресцентную метку вводят в связанный материала зонда и мишени, и флуоресценция регистрируется блоком фотодетектирования.
Описание обозначений
1 устройство обнаружения химических веществ
2 подложка
3 химический сенсор
21 блок фото детектирования
31 защитный изолирующий слой
32 слой плазмонного поглощения
33 защитный поверхностный слой 33а фиксирующая поверхность
34 слой цветного светофильтра
35 слой многослойного пленочного фильтра
100 модуль химического сенсора
101 света облучения
200 химический сенсор
300 химический сенсор