БИОДАТЧИК, СОДЕРЖАЩИЙ ВОЛНОВОД
BIOSENSOR COMPRISING WAVEGUIDE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к оптическому устройству, устройству детектирования и способу, использующему волновод, который, в частности, можно использовать в областях биозондирования, например, секвенирования нуклеиновых кислот.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Заявка US 2010/096562 A1 раскрывает среду, содержащую, по меньшей мере, одну планарную структуру с множеством апертур с одной стороны. Апертуры в одном направлении меньше, чем дифракционный предел среды. Среда для образцов, прилегающая к планарной структуре, может освещаться затухающими волнами через апертуры.
Публикация WO 2009/001245 A1 раскрывает датчик, содержащий: (i) подложку, в которой может распространяться излучение возбуждения, имеющее предварительно заданную длину волны; (ii) проволочную сетку с первой стороны упомянутой подложки, имеющую, по меньшей мере, одну апертуру или щель, предназначенную для заполнения средой, которая содержит, по меньшей мере, одну частицу, подлежащую детектированию, при этом последняя подлежит возбуждению посредством упомянутого излучения возбуждения; и (iii) по меньшей мере, одно отражательное средство, расположенное на второй стороне упомянутой подложки, которая противоположна первой стороне, чтобы отражать к проволочной сетке, по меньшей мере, части излучения возбуждения, которое распространяется в подложке, и которое, по меньшей мере, один раз отражалось проволочной сеткой.
Заявка US 2010/0065726 A1 раскрывает подложки, способы и устройства для использования в различных областях применения, включая одномолекулярные аналитические реакции. Публикация WO 2006/135782 A2 раскрывает систему для раздельного и, по существу, одновременного детектирования актов излучения света из множества локализованных светоизлучающих аналитов. Система содержит держатель образца, имеющий структуры, сформированные на нем для пространственного разделения и ограничения множества светоизлучающих аналитов, содержащих, каждый, одну молекулу нуклеиновой кислоты или один фермент, полимеризующий нуклеиновые кислоты, источник света, сконфигурированный с возможностью освещения держателя образца, и оптический блок, сконфигурированный с возможностью раздельного и, по существу, одновременного сбора и детектирования актов излучения света, соответствующих множеству светоизлучающих аналитов. Система может дополнительно включать в себя компьютерную систему, сконфигурированную с возможностью анализа актов излучения света, для определения структур или свойств целевой молекулы нуклеиновой кислоты, соответствующей каждому аналиту.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С учетом приведенного уровня техники, целесообразно создать более эффективное и/или более точное средство для обработки оптических сигналов, в частности, в областях применения биозондирования.
Данная цель достигается с помощью оптического устройства по п. 1 формулы изобретения, устройства детектирования по п. 2 формулы изобретения, способа по п. 3 формулы изобретения и применения по п. 10 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с первым аспектом, вариант осуществления изобретения относится к оптическому устройству для обработки света, который соответствует характеристической длине волны, и который называется «входной свет» в последующем. Оптическое устройство может использоваться, например, в областях применения биозондирования и содержит следующие компоненты:
- волнозодную подложку (в дальнейшем кратко называемую «подложкой») с первой поверхностью и второй поверхностью.
- отражательную структуру, которая расположена на первой поверхности подложки.
- перфорированную структуру, которая расположена на второй поверхности вышеупомянутой подложки, и которая содержит апертуры, имеющие в, по меньшей мере, одном направлении диаметр, который меньше, чем характеристическая длина волны входного света.
Отражательная структура содержит дифракционную структуру внутри одной и той же комбинированной структуры, которая создает возможность дифрагирования света, входящего в подложку снаружи, в подложку и отражения света, распространяющегося э подложке. По меньшей мере, одна из апертур перфорированной структуры является волноводом нулевой моды.
Вышеупомянутая «характеристическая длина волны» относится к конкретному, заданному значению длины волны, которая пригодна для получения характеристик спектр входного света. Например, упомянутую длину волны можно определить как наименьшую длину спектра, как длину волны максимальной интенсивности (пика) спектра, или как среднюю длину волны спектра. Типичные значения характеристической длины волны равны приблизительно 350 нм, приблизительно 450 нм, приблизительно 550 нм, приблизительно 650 нм, приблизительно 750 нм и приблизительно 850 нм. В случае, если входным светом  возбуждается флуоресценция, «характеристическая длина волны» обычно соответствует рабочей длине волны, используемой для возбуждения флуорофоров, (имеющей значение, например, приблизительно 450 нм).
«Волноводная подложка» может иметь любую конструкцию, которая создает возможность распространения входного света. Возможность распространения в соответствии с принципами волновода, т.е. с многократными отражениями и/или преломлениями обратно в сердцевину, может создаваться самой подложкой или, предпочтительно, в комбинации с перфорированной структурой и отражательной структурой (действующими как отражательные покрытия). В предпочтительном варианте, подложка может иметь планарную или плоскую геометрию, подобную геометрии пластины или слоя. Кроме того, первая и вторая поверхности, обычно, противоположны друг другу и расположены, например, на противоположных больших поверхностях пластины. Вторая поверхность подложки, которая содержит перфорированную структуру, является, предпочтительно, (сильно) отражающей поверхностью, например, поверхностью, образованной или покрытой металлом.
«Перфорированная структура» тоже может иметь, при желании, плоскую или планарную геометрию. Например, данную структуру можно осуществить в виде слоя, копирующего контур второй поверхности подложки. Перфорированная структура или, по меньшей мере, внутренние поверхности апертур данной структуры могут быть, при желании, образованы металлом, создающим возможность возбуждения поля затухающих колебаний внутри апертур (если апертуры освещаются светом, поляризация которого перпендикулярна короткой стороне, т.е. стороне, которая короче, чем характеристическая длина волны, апертуры). Перфорированная структура, выполненная из отражательного материала, может дополнительно служить для получения вышеупомянутой отражательной способности второй поверхности подложки. Кроме того, по меньшей мере, одно направление, в котором диаметр апертур меньше, чем характеристическая длина волны, обычно является направлением в плоскости планарной перфорированной структуры. Апертуры могут быть заполнены некоторым специальным, обычно прозрачным материалом или могут быть «пустыми» (т.е. наполнены окружающей средой, находящейся вблизи).
Как в дальнейшем подробно поясняется для предпочтительных вариантов осуществления, «отражательная структура» может быть всего лишь однородным слоем (отражательного) материала или может иметь некоторую сложную и оптически интерактивную картину («структуру» в более узком смысле слова). Отражательная структура может иметь плоскую или планарную геометрию, которая обычно копирует контур первой поверхности подложки.
Перфорированная структура и/или отражательная структура может располагаться непосредственно на подложке, или, при желании, между данной структурой и подложкой могут находиться один или более промежуточных слоев.
В соответствии со вторым аспектом, вариант осуществления изобретения относится к устройству детектирования, содержащему следующие компоненты:
- оптическое устройство вышеописанного типа, т.е. с волноводной подложкой, имеющей отражательную структуру и (предпочтительно, металлизированную) перфорированную структуру на ее первой и второй поверхностях, соответственно, при этом апертуры в перфорированной структуре имеют в, по меньшей мере, одном направлении диаметр, который меньше, чем характеристическая длина волны входного света. Оптическое устройство можно осуществить в любом из его различных предпочтительных вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке.
- источник света для излучения входного света, соответствующего упомянутой характеристической длине волны, в оптическое устройство.
- фотоприемник для детектирования света, исходящего из оптического устройства.
Источник света может быть источником света любого вида, который пригоден для генерации входного света, имеющего спектр с требуемой характеристической длиной волны. Источник света может быть, например, источником монохроматического света, например¸ лазерным блоком. Поляризация источника света должна быть такой, чтобы электрическое поле было ориентировано в плоскости и перпендикулярно самой короткой стороне отверстий (т.е. меньшей, чем длина волны) в перфорированной структуре.
Источник света обычно будет расположен так, чтобы испускаемые световые лучи достигали выбранной поверхности подложки под углом падения, находящимся в пределах некоторого диапазона.
Фотоприемник может быть любым устройством, которое пригодно для детектирования представляющего интерес света, исходящего из оптического устройства. Фотоприемник может быть, например, формирователем изображения, например, прибором с зарядовой связью (ПЗС) или микросхемой с КМОП-структурой, допускающими формирование изображений оптического устройства.
Свет, исходящий из оптического устройства, который детектируется фотоприемником, может быть «первичным» входным светом (после прохода оптического устройства и/или и взаимодействия с ним), или свет может иметь другое происхождение. В последнем случае, свет обычно будет «вторичным светом», который как-то генерируется входным светом, например, светом флуоресценции, которая стимулирована входным светом.
В соответствии с третьим аспектом, вариант осуществления изобретения относится к способу обработки входного света, который соответствует характеристической длине волны, при этом упомянутый способ содержит распространение входного света в волноводной подложке при посредстве отражательной структуры, которая расположена на первой поверхности подложки, таким образом, что распространяющийся входной свет достигает апертур перфорированной структуры на второй поверхности упомянутой структуры,
причем отражательная структура содержит дифракционную поверхность внутри одной и той же комбинированной структуры, которая создает возможность дифрагирования входного света, входящего в подложку снаружи, и отражения света, распространяющегося в подложке. Способ может осуществляться, в частности, оптическим устройством или устройством детектирования вышеописанного вида.
Оптическое устройство и способ основаны на одном и том же принципе, а именно, на том, что входной свет распространяется в волноводной подложке, в которой он может взаимодействовать с апертурами перфорированной структуры. Поэтому пояснения и определения, приведенные для оптического устройства (или устройства детектирования) действительны также по аналогии для способа и наоборот.
В последующем подробно описаны различные предпочтительные варианты осуществления, которые можно реализовать в комбинации с вышеописанными оптическим устройством, устройством детектирования и/или способом.
В одном базовом варианте осуществления, отражательная структура оптического устройства содержит дифракционную структуру, которая создает возможность дифракции входного света в подложку. В предпочтительном варианте упомянутые отражательная структура и дифракционная структура идентичны, т.е. осуществлены одним и тем же объектом. Данная комбинированная структура будет как дифрагировать свет, в частности, входной свет, входящий в подложку снаружи, так и отражать свет, в частности (входной) свет, который распространяется в подложке. Дифракционная структура обычно образует внешнюю поверхность оптического устройства, которое облучается входным светом во время использования.
Способ, который соответствует вышеупомянутому варианту осуществления, служит для обработки входного света, который соответствует характеристической длине волны и содержит дифракцию входного света в волноводную подложку таким образом, чтобы дифрагированный входной свет достигал апертур перфорированной структуры на поверхности упомянутой структуры.
При посредстве дифракции на дифракционной структуре на первой поверхности устройства, входной свет можно вводить в подложку. Для совершенствования взаимодействия упомянутого входного света с перфорированной структурой второй поверхности, желательно, чтобы на, по меньшей мере, одной из апертур перфорированной структуры происходила аддитивная интерференция входного света, который был дифрагирован. Тем самым интенсивность входного света может концентрироваться на апертуре(ах) и давать на них, в результате высокую интенсивность требуемых эффектов света.
В настоящем контексте следует отметить, что подходящую конструкцию отражательной/дифракционной структуры, подложки и перфорированной структуры можно найти путем теоретического учета факторов и/или компьютерного моделирования. Кроме того, рабочий вариант осуществления можно легко получить облучением некоторой (произвольной) дифракционной структуры на волноводной среде входным светом (в тех же условиях, например, под углом падения, который должен в последующем применяться в прикладных задачах) и экспериментальным определением, где находятся зоны аддитивной интерференции. Затем, толщину волноводной подложки можно выбрать с таким расчетом, чтобы зоны аддитивной интерференции находились на поверхности, противоположной отражательной структуре, и перфорированную структуру можно изготовить на упомянутой поверхности, с апертурами данной структуры, расположенными точно в упомянутых зонах.
Дифракционную структуру можно выполнить, например, посредством фазовой решетки, т.е. структуры, в которой фаза падающего света подвергается изменениям в виде некоторой пространственной картины. Фазовую решетку можно создать, например, механическим вырезанием на станке соответствующей геометрии (например, параллельных канавок) в поверхности прозрачной среды, при этом остальная часть упомянутой среды может впоследствии служить как волноводная подложка. Разумеется, возможны также другие исполнения дифракционной структуры, например, с помощью голографических решеток.
В другом базовом варианте осуществления оптического устройства (или устройства детектирования), отражательная структура содержит металлический слой. В предпочтительном варианте, отражательная структура и упомянутый металлический слой идентичны, т.е. осуществлены одним и тем же объектом. Металлический слой может иметь, предпочтительно, равномерную однородную («неструктурированную») геометрию. Обычно, данный слой выполняет только функцию отражения света обратно внутрь поверхности.
Так как вышеупомянутый металлический слой обычно будет непрозрачным, входной свет не сможет проникать в подложку сквозь данный слой, но обычно должен будет вводиться внутрь сквозь другую поверхность, например, боковой торец подложки. Для поддержки данного процесса и обеспечения подходящего распределения интенсивности в подложке, на боковом торце подложки может располагаться решетка для ввода входного света в подложку. В данном контексте следует отметить, что термин «решетка» должен иметь, по существу, такое же значение, как термин «дифракционная структура». Однако, во избежание путаницы, термин «решетка» будет применяться, главным образом, для дифракционной структуры на боковом торце, которая применяется в комбинации с металлическим слоем на первой поверхности подложки.
m
В другом варианте осуществления, между подложкой и апертурой перфорированной структуры расположен, по меньшей мере, один элемент, который называется «мостиком» в последующем, и который изготовлен из оптически проводящего материала. Диаметр данного мостика должен быть больше, чем такой диаметр апертуры, который меньше, чем характеристическая длина волны. Кроме того, минимальный диаметр мостика предпочтительно определяют по периодичности картины в режиме стоячих волн в центральном волноводе, равной p=π/β. Максимальный диаметр мостика определяется гарантированной длиной, на протяжении которой распространяется только одна мода (TE-мода 1-го порядка) внутри волновода: создание слишком широкого мостика вызывает появление мод высших порядков и, следовательно, ослабляет поле, падающее на ZMW (волноводы нулевой моды). Создание мостика с более широким диаметром также привносит дополнительное рассеяние. Типичное значение для максимальной ширины будет составлять 10% от интервала мостик/ZMW. В предпочтительном варианте, данный мостик расположен около каждой апертуры перфорированной структуры. Благодаря его большему диаметру, мостик создает возможность распространения света из подложки в апертуру, даже если пик интенсивности упомянутого света не точно совмещен с апертурой, например, вследствие производственных допусков. При желании, мостик может состоять из такого же материала, что и подложка.
Волноводная подложка может содержать любой материал, который пригоден для поддержки распространения входного света требуемым образом. Обычно материал будет иметь высокую прозрачность для входного света. В предпочтительном варианте осуществления подложка содержит диэлектрический слой, например, слой прозрачного пластика, например, поли(метилметакрилата) (PMMA), или слой стекла.
В предпочтительном варианте, по меньшей мере, одна из апертур перфорированной структуры имеет такую конструкцию, что данная апертура работает как волновод нулевой моды для входного света. Это означает, что (i) входной свет, который поляризован параллельно диаметру, который меньше, чем характеристическая длина волны входного света, распространяется в волноводе в то время, как (ii) входной свет с поляризацией, перпендикулярной данному диаметру, не распространяется (в данном случае будет вводиться нераспространяющееся поле затухающих колебаний).
Апертуры перфорированной структуры могут иметь, в общем, любые нерегулярные или регулярные геометрические формы, размеры и/или распределение (если они имеют в, по меньшей мере, одном направлении диаметр, который меньше, чем характеристическая длина волны входного света). В предпочтительном варианте, все апертуры могут иметь одинаковую форму и/или размер и/или могут быть регулярно распределены по перфорированной структуре. При желании, по меньшей мере, одна из апертур может иметь удлиненную (например, прямолинейную) форму, при этом диаметр апертуры, который меньше, чем характеристическая длина волны, обычно будет, в данном случае, измеряться перпендикулярно оси удлинения. Дополнительно или в качестве альтернативы, по меньшей мере, одна из апертур может иметь компактную форму, например, форму эллипса или круга.
В предпочтительном варианте все апертуры перфорированного слоя имеют одинаковую форму и размер и ориентированы параллельно друг другу.
В предпочтительном варианте осуществления перфорированная структура содержит проволочную сетку, т.е. структуру с параллельными линейными апертурами, разделенными промежуточным материалом («проволоками»). Упомянутый промежуточный материал может быть, например, металлом, который отражает входной свет.
В предпочтительном варианте, входной свет может быть поляризованным светом. В более предпочтительном варианте, поляризация является такой, что входной свет максимально отражается назад в подложку перфорированной структурой. Данное условие выполняется, например, если направление поляризации перпендикулярно направлению, в котором диаметр апертур меньше, чем характеристическая длина волны.
При желании, перфорированная структура может содержать вещества специального применения, например, детекторные зонды. Данные вещества обычно будут располагаться на внешней стороне перфорированной структуры (т.е. на ее поверхности, противоположной подложке и/или в апертурах) с таким расчетом, чтобы они могли быть достижимыми для среды, подлежащей обработке и/или исследованию. Вещества специального применения могут быть, например, нуклеотидными последовательностями, которые служат как матрицы для репликации
В одном предпочтительном варианте осуществления затухающие волны, образованные на апертурах перфорированной структуры, могут возбуждать флуоресценцию в соседнем материале образца. Данный подход можно применить, в частности, для контроля поверхностно-специфичных процессов, например, инкорпорации мононуклеотидов в нить реплицированной нуклеиновых кислот (например, ДНК, кДНК), при этом возбужденная флуоресценция создает возможность определения того, какой нуклеотид (A, T, G, C) инкорпорируется в настоящий момент, если данные мононуклеотиды помечены разными флуорофорами. Подробные данные по упомянутому подходу можно найти, например, в заявке US 2011/10210094 A1.
Изобретение дополнительно относится к применению оптического устройства или устройства детектирования такого типа, которое описано выше, для секвенирования нуклеиновых кислот, молекулярной диагностики, анализа биологических образцов, анализа химических образцов, анализа продуктов питания и/или криминалистического анализа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приведенные и другие аспекты изобретения очевидны из последующего пояснения со ссылкой на нижеописанные варианты осуществления. На чертежах:
Фиг. 1 - схематический вид в перспективе устройства детектирования, содержащего первое оптическое устройство с дифракционной структурой в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 - расчетное распределение интенсивности электрического поля за фазовой решеткой;
Фиг. 3 - диаграмма изменения интенсивности, обусловленного состоянием, показанным на фиг. 2, вдоль поверхности волноводной подложки;
Фиг. 4 - схематический вид в перспективе устройства детектирования, содержащего второе оптическое устройство с металлическим слоем в качестве отражательной структуры;
Фиг. 5 - схематический вид в перспективе устройства детектирования, содержащего третье оптическое устройство с металлическим слоем в качестве отражательной структуры и мостиковой структурой;
Фиг. 6 - диаграмма, представляющая расчетное среднее величины электрического поля на сечении волновода, показанного на фиг. 5.
Одинаковые числовые позиции или позиции, различающиеся целым кратным 100, относятся на фигурах к идентичным или подобным компонентам.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Изобретение поясняется в последующем в отношении применения для биозондирования, в частности, секвенирования нуклеиновых кислот, однако, разумеется, изобретение можно также применять во множестве других областях применения.
В настоящее время большинство коммерчески доступных систем для секвенирования (ДНК или РНК) используют некоторую форму клональной амплификации для усиления сигнала, подлежащего детектированию, и тем самым повышения отношения сигнал/шум (SNR). Данный подход имеет три недостатка:
- Необходим более сложный протокол/процесс подготовки образцов, который значительно затрудняет, а также удорожает требуемое конечное интегрирование всех этапов процесса в системе «ввода образца/вывода результата».
- Необходим этап амплификации ПЦР (методом полимеразной цепной реакции), который вводит смещение, когда ПЦР амплифицирует некоторые области ДНК лучше, чем другие области. Данная асимметричная амплификация может и будет искажать баланс вариаций, обнаруживаемых в исследуемой ДНК и, поэтому, не желательна в случае клинического применения данных секвенирования ДНК (и РНК).
- Амплификация исключает метилированные цитозины (C) (которые биологически важны потому, что метилирование C-нуклеотидов имеет принципиальное значение в процессе сайленсинга генов) и превращает их в «нормальные» неметилированные C.
На рынке предлагается единственная система секвенирования, которая не использует клональную амплификацию, но выполняет одномолекулярное секвенирование и детектирование в реальном времени процесса инкорпорации нуклеотидов (секвенатор ДНК RS, компания Pacific Biosciences, шт. Калифорния). Благодаря данному последнему признаку, упомянутая система может обнаруживать метилированные C к более дальнему моменту времени, которое требуется, чтобы полимераза инкорпорировала матилированные C (J. Eid et al., Science 323, 133-138, 2009).
Независимо от данных положительных качественных признаков с точки зрения предоставляемой биологической полезной информации, вышеупомянутая система имеет существенный недостаток в том, что требуется мощный и, следовательно, крупногабаритный лазер. В коммерческой системе приходится использовать 30-Вт. Это означает, что система является слишком дорогой для создания возможности широкого внедрения и применения в клинической диагностической практике.
С учетом вышеизложенного в дальнейшем будут описаны два подхода применительно к фиг. 1-3 и 4-6, соответственно. Подходы используют дифракционные оптические структуры для получения более эффективного возбуждения поля затухающих колебаний: один, при котором возбуждение происходит в плоскости, и альтернативный подход, при котором возбуждение происходит в плоскости ZMW. Первый вариант осуществления, который предлагается в настоящей заявке, намного повышает эффективность возбуждения структуры волновода нулевой моды, необходимой для одномолекулярного детектирования, с использованием проволочной сетки, связанной с волноводом, в который свет вводится при посредстве дифракционной решетки.
Фиг. 1 схематически представляет устройство 100 детектирования в соответствии с вариантом осуществления вышеупомянутого подхода. Устройство 100 детектирования содержит три существенных элемента:
- Источник 150 света для излучения входного света IL, имеющего характеристическую длину λ волны. Источник света может быть, например, лазером, излучающим, по существу, монохроматический свет с длиной λ волны, которая обычно находится в диапазоне приблизительно от 350 нм до 800 нм, при этом упомянутая длина волны представляет «характеристическую длину λ волны» в данном примере. Если излучение происходит с более широким спектром, то «характеристическую длину λ волны» можно задать например, как наименьшую длину волны данного спектра. В предпочтительном варианте, излучаемый свет линейно поляризован в y-направлении (т.е. параллельно линиям сетки перфорированной структуры 140).
- Оптическое устройство 110, содержащее волноводную подложку 130 с отражательной структурой 120 на первой (верхней) поверхности 131 и перфорированной структурой 140 на второй (нижней) поверхности 132. Поскольку существенный признак отражательной структуры 120 состоит (в настоящем варианте осуществления) в том, что она является также дифракционной, упомянутая структура будет называться в последующем «дифракционной структурой» 120. Оптическое устройство 110 является, по существу, планарным, продолжающимся с толщиной w параллельно z,y-плоскости, при этом входной свет IL падает на данную плоскость под углом θ (относительно x-оси).
- Фотоприемник 160 для детектирования света FL, исходящего из оптического устройства, исходящего из оптического устройства 110, в частности, из перфорированной структуры.
В показанном примере перфорированная структура 140 является «проволочной сеткой», содержащей линейные апертуры 141 или канавки, которые продолжаются в y-направлении параллельно друг другу (с продолжением в x-направлении по всей перфорированной структуре 140), и которые разделены небольшими проволоками 142 из металла (например, алюминия). Волноводная подложка 130 совместно с перфорированной структурой или проволочной сеткой 140 на ее нижней поверхности составляет то, что в последующем называют «подложкой с проволочной сеткой».
5
6
4
В общем случае, подложка с проволочной сеткой состоит из диэлектрической (стеклянной или пластиковой) подложки, содержащей на одной стороне тонкий металлический слой с небольшими отверстиями, действующими как волноводы нулевой моды. Волноводы нулевой моды являются эффективным средством для создания точно локализованного очень тонкого электромагнитного поля вблизи поверхности диэлектрической границы раздела. В комбинации с поверхностно-специфичной биохимией (например, связыванием специфичных аналитов с поверхностно-связанными антигенами) волноводы нулевой моды можно использовать для обнаружения некоторых белков или фрагментов ДНК в человеческих образцах типа крови или слюны. В вышеупомянутом секвенаторе ДНК RS компании Pacific Biosciences применяется метод, называемый SMRT (одномолекулярный в реальном времени), для детектирования в реальном времени секвенирования ДНК, ускоренного получения более эффективных и более точных результатов секвенирования (Lundquist et al., «Parallel confocal detection of single molecules in real time», Opt. Lett. 33(9), 2008, p. 1026). Данная система может использовать подложку, содержащую 2-мерную решетку волноводов нулевой моды (ZMW), при этом каждый ZMW способен контролировать в реальном времени инкорпорацию последовательных нуклеотидов одной молекулой полимеразы. Различение разных нуклеотидов A, C, G и T может выполняться с помощью флуоресцентной детекции, при которой каждый из четырех нуклеотидов метят отличающейся флуоресцентной группой. Для эффективного секвенирования ДНК требуется 10-10 данных детекторных ZMW-камер на одном картридже. Считывание флуоресценции со всех данных ZMW одновременно, при достаточном уровне SNR, требует мощной (несколько десятков Ватт) лазерной системы для возбуждения ZMW. По данной причине соответствующее изделие ограничивается флуоресцентной детекцией в реальном времени приблизительно 10 ZMW.
Приведенные проблемы решаются предлагаемым новым оптическим устройством, которое содержит подложку с металлической проволочной сеткой (действующей как ZMW) на одной стороне и дифракционную структуру, например, фазовую решетку, на другой стороне. Данное оптическое устройство действует в качестве оптического волновода некоторого вида, (i) перераспределяющего энергию, содержащуюся в возбуждающем пучке IL, под всей проволочной сеткой, и (ii) одновременно создающего области повышенной интенсивности в позициях ZMW. Использование данного оптического устройства допускает создание интенсивности электромагнитного поля в позициях ZMW, которая на один-два порядка величины сильнее по сравнению с возбуждением данных ZMW с использованием дальнепольной фокусировки света, т.е. без волноводного средства.
Апертуры или отверстия в подложке с проволочной сеткой могут быть прямоугольной или круглой формы, при условии, что размер в одном направлении намного меньше длины волны возбуждающего света. Следовательно, входной свет с поляризацией в направлении данного субволнового размера (TM-поляризацией) пропускается проволочной сеткой, а с перпендикулярной поляризацией (TE) претерпевает 100% отражение и будет создавать поле затухающих колебаний внутри апертуры. В результате, посредством освещения подложки с проволочной сеткой TE-поляризованным светом можно обеспечить поверхностно-специфичное оптическое зондирование.
На фиг. 1, проволочная сетка 140 («перфорированная структура») состоит из регулярной решетки металлических полосок 142 на нижней стороне подложки 130. Расстояние между двумя соседними проволоками 142 в z-направлении составляет приблизительно 1 мкм, и ширина Λ апертур 141 между двумя проволоками составляет около 100 нм. В y-направлении длина b апертур 141 может быть, например, около 100 мкм, хотя, в принципе, упомянутая длина не ограничена.
На верх подложки 130 осаждается фазовая решетка 120. Данная фазовая решетка имеет двойное назначение:
(i) Решетка дифрагирует входящий свет IL внутри подложки 130, где разные дифракционные порядки в последующем многократно отражаются на металлической границе раздела проволочной сетки 140 и самой дифракционной решетки 120 (действующей как «отражательная структура»). Таким образом, подложка 130, ограниченная дифракционной решеткой 120 и металлическим слоем 140 действует как волновод, перераспределяющий свет внутри подложки.
2
(ii) При точном выборе подходящей геометрии оптического устройства 110 (например, толщины w и показателя n преломления подложки 130, периода Λ решетки и коэффициента f заполнения), дифракционные порядки интерферируют аддитивно в позициях апертур 141 (ZMW) и, тем самым, возбуждают требуемое поле затухающих колебаний внутри отверстий ZMW.
Кроме того, фотоприемник (или дополнительный фотоприемник) можно располагать также в других позициях. Как показано на фиг. 1, упомянутый фотоприемник можно разместить, например, над оптическим устройством 110 (т.е. с той же стороны, что и источник света в данном варианте осуществления). В данном случае свет FL флуоресценции не должен проходить сквозь среду для образца перед достижением приемника.
Оптическую геометрию, показанную на фиг. 1, моделировали с использованием аналитического метода посредством суммирования коэффициентов отражения для разных дифракционных порядков внутри подложки, при их многократном отражении между слоями металла и решетки. Кроме того, чтобы решить уравнения Максвелла для вышеприведенной геометрии, применили метод конечных элементов (FEM). Результаты как аналитического метода, так и метода конечных элементов (FEM) удовлетворительно согласовались.
Толщину w подложки 130 можно настраивать с таким расчетом, чтобы точно определенные максимумы интенсивности совпадали с нижней стороной 132 подложки на границе раздела с металлическим слоем 140, содержащим ZMW 141. Цель исследования состояла в вычислении величины электрического поля в позиции ZMW по сравнению с величиной падающего электрического поля возбуждающего пучка IL.
2
Фиг. 2 представляет пример вычислений методом конечных элементов (FEM) для решетки с периодом решетки Λ=1 мкм, длина волны возбуждения λ=450 нм, показатель преломления подложки n=1,6, высота решетки h=500 нм, и относительная доля решетки f=0,7. Диаграмма соответствует волноводной подложке 130 и перфорированной структуре 140, показанным на фиг. 1, (сверху вниз) в связанных координатах x,z. При толщине подложки w=33 мкм, можно ясно наблюдать четко локализованное пятно высокой интенсивности на краю подложки, где находится ZMW. Поперечные размеры данного пятна интенсивности очень малы, что создает относительно высокую составляющую электрического поля.
input
2
Для оценки эффективности данного способа по сравнению, например, с дальнепольной фокусировкой пучка света на ZMW, распределение электрического поля на границе 132 раздела металл-подложка определяли с использованием вычислений методом конечных элементов (FEM) для входной общей интенсивности возбуждения |E|=1 и для λ=450 нм. Результат данного вычисления показан на фиг. 3. Повышение плотности электромагнитной энергии U на металлической границе раздела определяется формулой:
,
приводящей к усилению в 35,5 раз для плотности энергии.
ZMW
evan
ZMW
2
Надлежащий показатель качества, при сравнении бинарной фазовой решетки с плоским общим освещением N волноводов нулевой моды, равен отношению плотности U энергии поля затухающих колебаний внутри ZMW к требуемой общей входной мощности возбуждающего пучка. Для непосредственного сравнения принимается допущение, что ZMW имеют общую занимаемую площадь A, равную 0,1×100 мкм, и что они разделены между собой шагом p=1 мкм. Тогда эффективность η для бинарной фазовой решетки (BPG) можно выразить в виде:
.
2
Airy
ZMW
Airy
Для осуществления справедливого сравнения решетки BPG с плоским дальнепольным освещением группы ZMW, поле затухающих колебаний внутри ZMW оценивают для дальнепольного возбуждения посредством вычисления наложения дифракционно-ограниченного профиля Эйри освещения и геометрии ZMW. При ZMW прямоугольной формы с размерами 0,1×100 мкм и типичной числовой апертуре NA 0,8 фокусировки, упомянутое наложение равно η=P/P=0,17. В таком случае, плотность энергии внутри одного ZMW определяется формулой:
,
приводящей к эффективности для дальнепольного (FF) освещения:
Благодаря использованию решетки можно получить повышение эффективности возбуждения в 21 раз для конкретного приведенного примера, состоящего из 1-мерной решетки линейных ZMW (подложки с проволочной сеткой).
Вышеописанный анализ выполнили для линейной проволочной сетки 140 с использованием линейных ZMW 141. Для 2-мерной решетки из круглых ZMW было показано, что
evan
input
(i) при применении предложенного волновода с металлической решеткой, свет можно также дополнительно концентрировать в двух измерениях, с получением, в результате, еще большего дополнительного усиления U/P интенсивности поля затухающих колебаний, и
2
2
(ii) повышение эффективности освещения по сравнению с 2-мерной фокусировкой является другим коэффициентом, приблизительно равным 10, вследствие 2-мерного распределения пятна Эйри с размерами приблизительно 1×1 мкм, которое должно отображаться на ZMW с размерами 0,1×0,1 мкм.
Для 2-мерной решетки металлических ZMW, суммарный ввод мощности оптического излучения внутрь ZMW может быть в 100-1000 раз более эффективным по сравнению дальнепольной фокусировкой с помощью микролинзовой матрицы.
Фиг. 4 схематично представляет вид в перспективе устройства 200 детектирования с источником 250 света, фотоприемником 260 и оптическим устройством 210 в соответствии с альтернативным предложением.
Как изложено выше, оптическое устройство 210 содержит подложку с проволочной сеткой, состоящую из волноводной подложки 230 вместе с перфорированной структурой или проволочной сеткой 240 на ее нижней поверхности. В данном случае верхняя поверхность подложки 230 покрыта отражательной структурой в форме металлической подложкой 220. Поскольку как верхний, так и нижний слои на подложке предпочтительно состоят из металла, то оптическое устройство 200 будет в последующем называться также волноводом со структурой металл-диэлектрик-металл («MIM-структурой»). Следует отметить, что определение координатной системы отличается от соответствующего определения к фиг. 1.
Источник 250 света и фотоприемник 260, по существу, могут быть такими же, как в вышеописанном устройстве 100, но в данном случае расположение источника 250 света является таким, что он освещает (перпендикулярно) боковой торец подложке 230.
m
0
Волновод 210 с MIM-структурой обеспечивает альтернативную конструкцию для усиления локальной интенсивности в позициях ZMW 241 проволочной сетки 240 посредством направления входного света IL в тонкий слой непосредственно над плоскостью ZMW проволочной сетки. Поскольку сердцевина волноводной подложки 230 имеет намного меньшую площадь поперечного сечения (в x,y-плоскости), чем площадь, освещенная в вышеописанной конструкции решетки оптического устройства 110, то, с использованием данного решения на основе волновода с MIM-структурой, ожидают получения большего повышения общей эффективности возбуждения. TE-поляризованное поле внутри MIM-структуры будет распространяться в виде суммы нескольких TE-поляризованных волноводных мод, для которых постоянные распространения β, выражаемые нижеприведенными уравнениями, имеют действительные значения. Часть распределения результирующего поля, которое распространяется в положительном z-направлении, определяется уравнениями (при k=2π/λ, показателе преломления n и высоте d волновода, смотри фиг. 5):
.
Для максимального эффективного ввода поля в ZMW, максимумы поля распространяющихся мод должны совпадать с фактическими позициями волноводов 241 нулевой моды. Кроме того, теоретически, только одна мода (m) должна распространяться внутри волновода, чтобы обеспечить достаточно однородное распределение интенсивности вдоль направления распространения моды.
m
Последнее можно обеспечить путем использования бинарной решетки на верху подложки и согласования постоянной распространения одного из порядков решетки с постоянной β распространения конкретной волноводной моды m. Фиг. 5 представляет вариант осуществления данного устройства 300 детектирования с источником 350 света, фотоприемником 360 и модифицированным оптическим устройством 310. Оптическое устройство 310 содержит решетку 370 (или, в более общем случае, дифракционную структуру) на боковом торце, через который входной свет IL вводят в волноводную подложку 330.
Оптическое устройство 310, показанное на фиг. 5, дополнительно отражает также другой аспект:
m
Благодаря конечной длине L волновода, распространяющаяся мода m будет отражаться туда и обратно с образованием, в результате картины стоячей волны внутри волновода с периодичностью p=π/β. Точные местоположения соответствующих максимумов интенсивности сильно зависят размеров L и d волновода. В результате, локальная интенсивность в позиции ZMW 341 может зависеть от производственных допусков волновода. Данную проблему можно решать встраиванием промежуточного «мостикового» волновода 337 между каждым ZMW 341 и подложкой 330 (следует отметить, что показана только часть вертикальной протяженности проволочной сетки 340). Мостики 337 предпочтительно имеют ширину a, составляющую несколько периодов p стоячей волны, и эффективно переносят интенсивность моды, распространяющейся по сердцевине, к ZMW. Типичное значение для максимума ширины «a» составляет приблизительно 50%, приблизительно 40%, приблизительно 30%, приблизительно 20%, приблизительно 16%, приблизительно 12%, приблизительно 10% или приблизительно 5% от интервала e между соседними ZMW. В общем, e обычно является таким, что отношение a/e не превышает значения от 0,05 до 0,50 (с шаговыми изменениями 0,01). Интервал e между соседними ZMW обычно находится в диапазоне от приблизительно 0,5 мкм до приблизительно 10 мкм, однако, возможны также другие значения.
Последнее изображено на диаграммах фиг. 6, на которой графически представлено расчетное среднее величины электрического поля (по вертикальной оси, в произвольных единицах, m=3) в сечении волновода, при расстоянии по оси x для двух значений L, а именно, L=50 мкм (верхняя диаграмма) и L=55 мкм (нижняя диаграмма). При ZMW с шириной 100 нм (позиция, показанная левой парой вертикальных линий), связанное поле будет изменяться вместе с L. Однако, с мостиком BR шириной приблизительно 400 нм (позиция, показанная правой парой вертикальных линий), результирующее связанное поле становится, в основном, инвариантно относительно изменения L. Эффективный и равномерный ввод интенсивности центральной моды данными мостиковыми структурами в ZMW подтвердили с помощью аналитических вычислений и моделирования методом конечных элементов (FEM).
Итак, описанные варианты осуществления используют волновод нулевой моды в качестве эффективного способа поверхностно-чувствительного детектирования молекул или частиц. При освещении в правильном режиме, в волноводе нулевой моды не допускается распространения света (т.е. никакой моды). Между соседними (например, металлическими) стенками проволочной сетки находится только поле экспоненциально затухающих колебаний. В одном варианте осуществления, предлагаемая новая структура биодатчика содержит (i) подложку с проволочной сеткой, действующую как волновод нулевой моды, и (ii) дифракционную решетку для эффективного ввода интенсивности освещения в волноводы нулевой моды. Вычисления электромагнитного поля показывают, что можно на два порядка величины повысить интенсивность возбуждения с помощью данной структуры, с повышением, в результате, отношения сигнал/шум (SNR) детектирования, что можно использовать для сокращения времени измерений в сто раз или, в качестве альтернативы, для снижения мощности лазера.
Изобретение можно применять, в том числе, в области биозондирования, в частности, в задачах секвенирования нуклеиновых кислот, в которых требуется одновременно контролировать в реальном времени много детекторных сайтов.
Из вышеизложенного следует список вариантов осуществления настоящего изобретения:
вариант осуществления 1
: Оптическое устройство для обработки входного света, который соответствует характеристической длине λ волны, содержащее:
- волноводную подложку 130, 230, 330 с первой поверхностью 131 и второй поверхностью 132;
- отражательную структуру 120, 220, 320, которая расположена на первой поверхности подложки 130, 230, 330;
- перфорированную структуру 140, 240, 340, которая расположена на второй поверхности упомянутой подложки 130, 230, 330, и которая содержит апертуры 141, 241, 341, имеющие в, по меньшей мере, одном направлении диаметр Δ, который меньше, чем характеристическая длина λ волны.
вариант осуществления 2
: Устройство детектирования, содержащее:
- оптическое устройство 110, 210, 310 в соответствии с вариантом осуществления 1;
- источник 150, 250, 350 света для излучения входного света IL, который соответствует характеристической длине λ волны, в оптическое устройство 110, 210, 310;
- фотоприемник 160, 260, 360 для детектирования света FL, исходящего из оптического устройства 110, 210, 310.
вариант осуществления 3
: Способ обработки входного света IL, который соответствует характеристической длине λ волны, при этом упомянутый способ содержит распространение входного света IL в волноводной подложке 130, 230, 330 таким образом, что данный свет достигает апертур 141, 241, 341 перфорированной структуры 140, 240, 340 на второй поверхности 132 упомянутой структуры 130, 230, 330.
вариант осуществления 4
: Оптическое устройство 110 в соответствии с вариантом осуществления 1,
в котором отражательная структура содержит дифракционную структуру 120, которая создает возможность дифракции входного света IL в подложку 130.
вариант осуществления 5
: Оптическое устройство 110 в соответствии с вариантом осуществления 4,
в котором данное устройство сконструировано так, что на апертурах 141 перфорированной структуры 140 происходит аддитивная интерференция входного света IL.
вариант осуществления 6
: Оптическое устройство 110 в соответствии с вариантом осуществления 4,
в котором дифракционная структура содержит фазовую решетку 120.
вариант осуществления 7
: Оптическое устройство 210, 310 в соответствии с вариантом осуществления 1,
в котором отражательная структура содержит металлический слой 220, 320.
вариант осуществления 8
: Оптическое устройство 310 в соответствии с вариантом осуществления 7,
в котором решетка 370 расположена на боковом торце подложки 330 для ввода входного света IL в подложку 330.
вариант осуществления 9
: Оптическое устройство 310 в соответствии с вариантом осуществления 1,
в котором между подложкой 330 и апертурой 341 перфорированной структуры 340 расположен, по меньшей мере, один мостик 337 из оптически проводящего материала, при этом диаметр a мостика 337 больше, чем диаметр Δ апертуры, который меньше, чем характеристическая длина λ волны.
вариант осуществления 10
: Оптическое устройство 110, 210, 310 в соответствии с вариантом осуществления 1 или способ в соответствии с вариантом осуществления 3,
в котором волноводная подложка 130, 230, 330 содержит диэлектрический слой.
вариант осуществления 11
: Оптическое устройство 110, 210, 310 в соответствии с вариантом осуществления 1 или способ в соответствии с вариантом осуществления 3,
в котором, по меньшей мере, одна из апертур 141, 241, 341 перфорированной структуры 140, 240, 340 является волноводом нулевой моды.
вариант осуществления 12
: Оптическое устройство 110, 210, 310 в соответствии с вариантом осуществления 1 или способ в соответствии с вариантом осуществления 3,
в котором перфорированная структура содержит проволочную сетку 140, 240, 340.
вариант осуществления 13
: Оптическое устройство 110, 210, 310 в соответствии с вариантом осуществления 1, устройство 100 детектирования в соответствии с вариантом осуществления 2 или способ в соответствии с вариантом осуществления 3,
в котором входной свет IL поляризован, предпочтительно так, что направление поляризации перпендикулярно направлению диаметра Δ, который меньше, чем характеристическая длина λ волны.
вариант осуществления
14: Оптическое устройство 110, 210, 310 в соответствии с вариантом осуществления 1 или способ в соответствии с вариантом осуществления 3,
в котором перфорированная структура 140, 240, 340 содержит вещества специального применения, в частности детекторные зонды типа нуклеотидных последовательностей.
вариант осуществления 15
: Применение оптического устройства 110, 210, 310 в соответствии с вариантом осуществления 1 или устройство 100 детектирования в соответствии с вариантом осуществления 2 для секвенирования нуклеиновых кислот, молекулярной диагностики, анализа биологических образцов, анализа химических образцов, анализа продуктов питания и/или криминалистического анализа.
Хотя настоящее изобретение подробно представлено на чертежах и охарактеризовано в вышеприведенном описании, упомянутые чертежи и описание следует считать наглядными или примерными, а не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалистами в данной области техники, в процессе практического применения заявленного изобретения, на основании изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения, могут быть разработаны и реализованы другие видоизменения раскрытых вариантов осуществления. В формуле изобретения, формулировка «содержащий» не исключает других элементов или этапов, и признак единственного числа (в виде неопределенного артикля в оригинале) не исключает множественного числа. Единственный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Очевидное обстоятельство, что некоторые признаки упомянуты во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает невозможность применения комбинации упомянутых признаков в подходящем случае. Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, например, оптическом носителе данных или полупроводниковом носителе, поставляемом совместно с другими аппаратным обеспечением или в его составе, но может также распространяться в других формах, например, по сети Интернет или в других проводных или беспроводных телекоммуникационных системах. Никакие позиции в формуле изобретения нельзя считать ограничивающими объем изобретения.