分光计组件及方法.docx

分光计组件及方法分光计组件及方法本发明公开了一种具有光透射滤光器的分光计组件，该光透射滤光器包括交替堆叠的连续的非图案化的金属层和电介质层例如与具有多层电介质的滤光器相比，具有连续金属层的本发明的光透射滤光器的角度相关透射波长偏移小，从而有利于减小分光计组件的尺寸专利说明】分光计组件及方法【技术领域】[0001]本发明涉及分光计(spectroscopic instrumentation)及其应用方法,更特别地，涉及一种采用滤光器的分光计及其应用方法背景技术】[0002]透射型滤光器被用在分光应用中以选择样品发射的光的波长或波带，和/或选择照射样品的光的波长或波带例如，在荧光分光应用中，一束激励光照射样品，探测较长波长的光，以获得其光谱和/或确定该样品响应该激励光的激励而发射的总的荧光值(fluorescence level)[0003]单带通透射型滤光器能够被用来测量总的荧光值荧光值的测量可被用来确定荧光分子的浓度，PH值等等通过提供被设计来在键合到目标分子时改变其荧光性质的荧光分子，荧光测量也可以被用来估算样品中非荧光目标分子的浓度使用激励光照射包含荧光分子和目标分子的样品，并且测量荧光的光功率值。

[0004]图1中示出了适于上述目的的典型荧光分光光度计荧光分光光度计10包括光源11，准直/聚焦透镜12A、12B、和12C，激励滤光器13，荧光滤光器14，分束器15，和光电探测器16操作中，光源11发射实线所不的激励光17激励光17被最左侧透镜12A准直,被激励滤光器13滤光，透射穿过分束器15，并且被最右侧透镜12B聚焦到样品18上被照射的样品18发射虚线所示的荧光19荧光19被最右侧透镜12B准直，从分束器15被反射，并被底部透镜12C聚焦到光电探测器16上激励滤光器13和荧光滤光器14是多层电介质滤光器，由于其具有好的波长选择性和相对低的光学插入损耗，它们优于其他类型的滤光器[0005]虽然被广泛运用，荧光分光光度计10具有尺寸相对较大的缺点现在，微型荧光计能够被用于可植入葡萄糖测量探针中，该探针被设置于皮下，也就是说，位于病人的皮肤之下例如，美国加利福尼亚日耳曼敦的Senseonics公司(Senseonics Inc.)研发出了一种用于糖尿病病人的连续血糖监测系统该监测系统包括皮下探针，该皮下探针具有作为血糖传感器的微型荧光计发明内容】[0006]由于荧光分光光度计的皮下放置，其需要被制造的尽可能的小。

本发明的目的是提供滤光器，其能够实现适于皮下放置的紧凑型分光计组件使用这些滤光器的微型分光计组件的其他各种应用当然也是可能的[0007]阻碍分光计小型化的一个因素是必须准直光束，以确保用于分光计的滤光器具有足够的波长选择性为了准直光束，需要透镜或凹面镜这些元件相对体积较大，并且需要至少一个焦距的自由空间传播，这将增加分光计组件的尺寸[0008]根据本发明，分光计组件包括滤光器，该滤光器即使在较高的汇聚或发散光束中也能够保持合适的波长选择性，从而能够减少对于准直光学元件的需要，并减小尺寸用于这种分光计组件的滤光器包括连续的非微结构的交替电介质和金属层的堆叠，这将减少透射波长的角敏感度[0009]包含金属层的滤光器是已知的，并且它们通常避免被用于分光计中，因为金属层中具有相对高的插入损耗为了减少插入损耗，金属层需要被微结构化，以包括多个次波长传导特征，所述次波长传导特征表现出与损耗相抵消的等离子共振效应然而，微结构金属层表现出透射波长的相当大的角敏感度，并因此不用在本发明中相反，本发明使用夹在电介质层之间的连续和非微结构化的金属层选择连续的非微结构化的金属层在所得层堆叠中的厚度和位置，以便产生相对高的光透射，同时保持滤光器在宽范围入射角的波长选择性。

[0010]根据本发明，提供一种分光计组件，包括:[0011]固定器，用于固定在受激励光激励时发射信号光的样品；[0012]第一信号滤光器，其被耦合到该固定器，用于在第一信号透射波长透射所述信号光的第一部分，同时阻挡所述激励光；以及[0013]第一光电探测器，其被耦合到该第一信号滤光器，用于当使用透射穿过第一信号滤光器的所述信号光的第一部分照射时，提供第一电信号，[0014]其中，第一信号滤光器包括交替堆叠的连续的非微结构化的金属层和电介质层，从而减少第一信号透射波长的角敏感度[0015]类似的滤光器也可以设置在分光计组件的激励光光路中，以透射激励光，同时阻挡信号光在激励光路或探测光路中能够设置多于一个滤光器一个或多个激励滤光器能够被耦合到光源；并且每个探测滤光器能够被耦合到其自身的光电探测器这些滤光器可以与光电探测器和/或光源集成制造[0016]在一些实施例中，滤光器中的金属层和电介质层的总厚度小于5微米优选地,每个金属层在滤光器的周边都具有锥形边缘，其中每个锥形边缘被一个或多个电介质层保护覆盖由于它们固有的抗腐蚀性，这种滤光器在攻击性或腐蚀性环境中是特别有用的[0017]根据本发明，还提供一种探测荧光的方法，包括:[0018](a)提供上述的分光计组件；[0019](b)利用激励光照射样品；[0020](c)在至少60度的收集角度内收集信号光的第一部分；以及[0021](d)探测所述分光计组件的所述第一光电探测器的电信号。

[0022]根据本发明的另一个方面，还提供一种透射滤光器在光学分光计中的用途，该透射滤光器包括交替堆叠的连续的非微结构金属层和电介质层，以辨别激励波长和信号波长，其中滤光器中连续的非图案化的金属层的存在降低了滤光器的透射波长的角度相关性，从而减小光学分光计的尺寸专利附图】【附图说明】[0023]现在，将结合附图描述示例性实施例，其中:[0024]图1是现有技术的荧光分光光度计的平面图；[0025]图2A是本发明的分光计组件的侧面截面爆炸图；[0026]图2B是用于图2A的分光计组件中的滤光器的侧面截面图；[0027]图3是样品的吸收和荧光光谱曲线，叠加有光源的发射光谱和图2B的滤光器的透射光谱；[0028]图4A-4D是本发明的分光计组件的不同实施例的侧面截面图；[0029]图5是具有两个荧光滤光器和两个光电探测器的分光计组件的侧面截面图；[0030]图6A-6C是可用于图5的分光计组件的样品的吸收/荧光光谱曲线，叠加有光源的发射光谱和图2B的滤光器的透射光谱；[0031]图7是可与图2A、图4A-4D、图5的分光计组件一起使用的，包括光源和两个激励滤光器的子组件的截面图；[0032]图8A和SB是图7的光源的发射光谱曲线，叠加有样品的吸收/荧光光谱和图7的激励滤光器的透射光谱；[0033]图9A是本发明的金属电介质滤光器的在不同入射角度的透射光谱的叠加；[0034]图9B是典型的电介质堆滤光器的在不同入射角度的透射光谱的叠加；[0035]图9C是图9A和9B的平均透射光谱的叠加；[0036]图1OA是根据本发明实施例的封装的金属电介质滤光器的侧面截面图；[0037]图10B-10G是晶片的多个截面图，其示出图1OA的滤光器的制造过程；以及[0038]图1lA和IlB是根据本发明的探测荧光的方法的流程图。

具体实施方式】[0039]虽然结合不同实施例和例子描述了本发明的教导，然而并不打算将本发明的教导限制到这些实施例中相反，本发明的教导包括本领域技术人员将能够认识到的各种改变和等同物[0040]参照图2A和图3，图2A的分光计组件20包括样品固定器21，光耦合到样品固定器21的滤光器22 (或者“信号滤光器”22)，以及光耦合到信号滤光器22的光电探测器23样品固定器21固定样品24，例如，具有荧光染料或溶解于其内的蛋白质的流体样品固定器21、信号滤光器22以及光电探测器23可以由外壳(未示出)固定在一起，或者简单地附着在一起形成堆叠在操作中，利用具有图3中的光谱35的激励光25激励样品24，优选地，光谱35匹配样品24的吸收或激励光谱34激励光25由外部光源发射，图2A中未示出作为响应，样品24发射信号光26，在本例子中，发射具有发射光谱36的荧光信号滤光器22在透射波长λ F (图3)透射信号光26的的一部分26Α，同时阻挡激励光25 (图2)以及，优选地，阻挡杂散光被透射部分26Α照射到光电探测器23上，产生与被透射部分26Α的光功率值成比例的电信号(未示出)这里以及说明书的其它部分，术语“波长λ的光”指的是以为中心的有限宽度的波带内的光。

换句话说，是有限宽度的波带的中心波长作为例子，在图3中，波长λ F是信号滤光器22的透射带32的中心波长[0041]转到图2B，并再次参考图2A和图3，如图所示，信号滤光器22包括交替堆叠的连续的非微结构化的金属层27和电介质层28可选阻挡层29帮助金属层27的密封优选地，采用具有良好光学质量的诸如银、铝或金的金属来沉积金属层27电介质层28可以包括金属氧化物，例如，Si02、Ta205、Nb205、Ti02、Hf02和Al2O3,或者它们的混合物可以单独选择各个金属层27的厚度，以更好地匹配所需的光学特性，例如，透射光的大小，中心波长入F以及透射带32 (图3)[0042]金属层27通常是5nm到50nm厚，优选地，8nm到30nm厚电介质层28是IOnm到500nm厚，优选地，20nm到200nm厚单个信号滤光器中通常有2到8层金属层27，更优选地，3到6层金属层27得到的滤光器22的厚度通常小于5微米，更优选地，小于I微米阻挡层29是非常薄的金属氧化物，例如，氧化锌，厚度通常小于3纳米，优选地，小于I纳米为了获得阻挡层，金属可以被沉积到所需的0.5nm厚，随后将该金属氧化诸如俄罗斯联邦莫斯科的OptiLayer有限公司(OptiLayer Ltd.)供应的Optilayer?,美国俄勒冈州波特兰 Software Spectra 公司(Software Spectra Inc.)供应的 TFCalc?,或者美国新泽西州普林斯顿FTG Software供应的Fi lmStar?等市场可以买到的软件，可以用来优化金属层和电介质层的厚度。

[0043]为了增加所选择波长范围内的衰减，可以将额外的电介质层堆叠39增加到信号滤光器22 ;例如，在信号滤光器的情况下，可选的堆叠39可以是以激励波长为中心的四分之一波片堆叠此外，信号滤光器22的金属层27和电介质层28可以被直接沉积在光电探测器23上,使滤光器22和光电探测器23成为一体例如,可以方便地将信号滤光器22直接沉积到其内具有集成的光电探测器的CMOS或ASIC晶片上[0044]重要的是，金属层27是没有在其内形成的刻蚀结构或其他结构的连续的非微结构化的层结构化的金属-电介质滤光器能够展示高透射量值，但这通常是以透射波长的高的角度敏感性为代价来实现的后一种现象已经被报道过，例如，Ebbesen等人的文章(自然快报)(Letters to Nature),第391卷第667-669页(1998)与之形成对比的是,本发明的信号滤光器22没有任何这种结构，这使得信号滤光器22比Ebbesen的微结构化的金属-电介质滤光器具有对信号光26的小得多的角度敏感性这里，术语“微结构化的”指的是所成形的和所设定尺寸的波长尺寸或次波长尺寸特征，以展示等离子共振效应，例如，用于可见光或近红外光的IOnm到2nm尺寸。

特征”可以包括矩形、网格、椭球或类似结构本发明的滤光器可以被构造以用于其它目的，例如，环境或机械稳定性，具有大于2微米(um)的特征尺寸，更优选地，大于200微米因此，术语“非微结构化的”指的是或者完全平滑和连续的膜，或者是结构化的膜，但是，其内没有尺寸小于2微米的特征图案，并且更优选地，没有尺寸小于2。