用于检测流体中颗粒的存在的系统和方法
阅读说明：本技术 用于检测流体中颗粒的存在的系统和方法 (System and method for detecting the presence of particles in a fluid ) 是由 克里斯多佛·朗哈默 约阿希姆·弗里切 巴尔博拉·斯帕科瓦 于 2020-01-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于无标记检测流体中颗粒(106)的存在的系统(10,20)。该系统(10,20)包括：纳米通道(102),该纳米通道被配置成接收流体；光源(110)；光传感器(120),该光传感器被布置成确定来自纳米通道(102)的区段的散射光(108)的量。光被纳米通道(102)的区段、纳米通道(102)的区段中的流体散射、并且如果纳米通道(102)的区段中存在颗粒(106)则还被颗粒散射。处理单元(130)被布置成与光传感器(120)通信,并且基于来自光传感器(120)的接收到的数据而确定纳米通道(102)的区段中的流体中颗粒(106)的存在。还披露了一种用于确定流体中颗粒(106)的存在的方法(30)。(The invention relates to a system (10, 20) for label-free detection of the presence of particles (106) in a fluid. The system (10, 20) comprises: a nanochannel (102) configured to receive a fluid; a light source (110); a light sensor (120) arranged to determine an amount of scattered light (108) from a section of the nanochannel (102). The light is scattered by the segment of the nanochannel (102), the fluid in the segment of the nanochannel (102), and also by the particles (106) if present in the segment of the nanochannel (102). The processing unit (130) is arranged to communicate with the light sensor (120) and to determine the presence of a particle (106) in the fluid in the section of the nanochannel (102) based on the received data from the light sensor (120). A method (30) for determining the presence of particles (106) in a fluid is also disclosed.)
技术领域
本发明涉及一种用于检测流体中颗粒的存在的系统。
背景技术
在若干不同
技术领域
，比如化学、生物、医学和环境监测等等，检测少量颗粒是很重要的。然而，检测少量颗粒典型地是困难的。有若干方法能够检测少量颗粒乃至单个颗粒，然而它们需要标记，无法在低分析物浓度下操作，并且当需要单个颗粒检测时，它们与纳米体积不兼容，或者需要特定波长的激发光源，并且成本高。最常见的标记方法是用具有已知特性的纳米颗粒或分子标记颗粒的方法。通常，颗粒既而是使用利用例如荧光的光学技术而可检测的。因此，它是一种基本上检测附着到颗粒自身的标记的间接检测技术。然而，由于许多原因，这种标记的存在是有问题的。主要缺点是标记自身可能改变目标颗粒的特性，并且测量速率受到荧光团固有的低发射速率的限制，这意味着无法测量快速过程。此外，将标记附着到待检测的颗粒可能是困难且麻烦的。
因此，需要用于颗粒检测的改进的技术。
发明内容
鉴于以上所述，本发明的目的是提供用于检测流体中颗粒的存在的系统和方法。目的是减轻、缓解或消除本领域中的上述缺点中的一个或多个。
本发明构思基于以下认识：由纳米通道散射的光的强度对纳米通道内颗粒的存在高度敏感。任何有限大小的物体具有将光弹性散射的能力，这是因为散射是光与物质的相互作用中的基本过程。散射光的强度(I＝I0σ)由入射电场强度(I0)和物体的散射截面(σ)确定。对于大小远小于入射光的波长(λ)的三维颗粒(例如，分子或纳米颗粒)，此过程被称为瑞利散射，并且散射截面由光的波数(k)和颗粒的极化率(α)确定为σ＝k4/(6π)|α|2。
作为在二维中具有有限(亚波长)大小的物体的纳米通道也会将光散射。它的散射截面是纳米通道大小、形状以及(如果适用)纳米通道内的流体的相对介电常数(ε)和嵌入有纳米通道的材料的相对介电常数(εm)的函数。假设纳米通道内的材料是包括由它们的极化率α＝α′+iα″(α′和α″是极化率的实部和虚部)定义的附加颗粒(比如，分子或纳米颗粒)的流体，这些颗粒的贡献可以按照它们的体光学特性来描述，即，描述为有效介电常数
其中εf是流体的相对介电常数，n＝N/V是颗粒的体积密度，并且υ是取决于纳米通道的形状的去极化因子。流体中颗粒的存在导致有效介电常数(Δε＝ε2-ε1)的改变，并且因此导致来自纳米通道的散射光的强度的改变。
来自纳米通道的散射光可以例如通过常规显微技术(比如，暗场显微术)来收集。除了表示颗粒的期望信号之外，所收集的信号(I)(所成像的光斑上的积分强度)含有其他贡献，这些贡献优选被消除。通常，该信号含有由纳米通道和待检测的颗粒散射的光，并且含有由检测器的暗信号以及从纳米通道、光源与检测器之间的界面散射的光构成的不需要的背景信号。此外，所收集的总散射信号的空间波动通常含有来自颗粒的贡献(它们在纳米通道中的空间分布)，并且含有与不均匀照射和表面粗糙度相关联的贡献。后一种贡献的幅度可能与发源于颗粒的波动相当。信号的时间波动通常含有来自颗粒的局部分布的改变的贡献(颗粒从所成像的光斑出现或消失)，并且含有源于光源的不稳定性或机械漂移的贡献。表示颗粒的检测的通常需要的信号因此可以从归一化信号改变提取，即
其中指数1和2对应于在不同时间收集的信号，并且指数m和r分别对应于从测量纳米通道(含有颗粒的纳米通道)和参考通道(不含有颗粒的纳米通道)收集的信号。从每个信号，可以去除背景信号。归一化信号改变既而对应于
其中S代表灵敏度。假设信号中的不确定性受到噪声的限制，当高于预定阈值时，典型地检测到一个或多个颗粒的存在。例如，阈值可以是噪声水平的三个标准偏差。从的时间和空间序列，可以因此确定颗粒在纳米通道中的空间和时间分布。
对于具有半径r＜＜λ(瑞利极限)的圆形截面的纳米通道，TM和TE极化(电场分别平行和垂直于圆柱轴线的入射波)的散射截面可以根据分析作为下式来确定：
对于TM极化，
对于TE极化，
其中，L是纳米通道的所照射的部分的长度，V＝πr2L是纳米通道的所照射的部分的体积，并且km是围绕纳米通道的材料中的光的波数。使用方程1(对于TM极化，υ＝0，对于TE极化，υ＝1/2)和方程4，并且假设由纳米通道散射的光由衍射受限光学系统成像L＝λ/(2NA)，其中NA是成像系统的数值孔径，并且假设纳米通道中存在的颗粒的贡献较小，即，nα＜＜V(εf+εm)/(εf-εm)，来自衍射受限光斑的所收集的光的强度可以被写为
其中，对于TM极化，对于TE极化，Ic＝I0σc是来自没有颗粒的纳米通道的散射光的所收集的强度，Ip＝I0k4/(6π)|Nα|2是颗粒在放置在无限介质中时的散射光的强度，并且I′p＝I0k4/(6π)|Nα′|2。方程5示出不仅散射光的强度是由纳米通道和颗粒散射的光的强度的总和，而且 也对散射光的强度有相当大的贡献。为此，从小颗粒弹性散射的光通常不可以被直接检测，因为小颗粒的截面σp很小。然而，方程5的右侧的第三项可以大若干数量级，因为纳米通道可以被设计成散射得更多(σc>σp)。由于此事实，当放置在纳米通道内时，甚至可以检测少量颗粒乃至单个颗粒。
根据方程5，灵敏度(方程3)可以被写为
对于TM极化，
对于TE极化，
对于具有非圆形截面(椭圆形、矩形)和/或大小超过瑞利极限的纳米通道，可以使用数值有限差分时域方法FDTD来计算S。以这种方式，可以示出，对于特征大小超过瑞利极限的纳米通道，S随着大小减小，并且对于大小在瑞利极限内的纳米通道，S近似等同于具有圆形截面和相同截面积的纳米通道的情况。根据实验，可以从校准测量提取S。
应注意，方程1忽略了颗粒之间的相互作用以及颗粒与纳米通道的壁的相互作用，并且它精确到体积分数的第一阶(所有颗粒的体积除以纳米通道的体积)。由于此事实，方程6中的S既不取决于颗粒在纳米通道中的位置，也不取决于颗粒密度。然而，如可以使用FDTD计算而示出的，由于颗粒之间的相互作用以及颗粒与壁的相互作用，极化率以及对应S随着与壁的距离、颗粒的大小和密度而略微改变。因为对于TM和TE来说，这些依赖性不同，所以可以将附加信息从TM和TE极化中的同时独立测量(例如，颗粒在纳米通道中的空间位置或者附着到壁的颗粒的大小和密度)去卷积。
根据第一方面，提供了一种用于检测流体中颗粒的存在的系统。该系统包括：纳米通道，该纳米通道被配置成接收该流体，其中该流体包括颗粒；光源，该光源被配置成照射该纳米通道；光传感器，该光传感器被布置成确定来自该纳米通道的区段的散射光的量，该光被该纳米通道的区段、该纳米通道的区段中的该流体散射、并且如果该纳米通道的区段中存在该颗粒则还被该颗粒散射，并且该光传感器输出基于散射光的该量的数据；以及处理单元，该处理单元被布置成与该光传感器通信，以接收基于散射光的该量的该数据，并基于该接收到的数据而确定该纳米通道的区段中的该流体中该颗粒的存在。
在本申请的上下文中，措辞“纳米通道”应被解释为厚度和宽度小于从光源发射的光的波长的流体通道/流体性通道。纳米通道的纵向长度可以是任意的。例如，纳米通道的纵向长度可以大于从光源发射的光的波长。
在本申请的上下文中，措辞“来自纳米通道的区段的散射光的量”应被解释为来自纳米通道的区段的所有散射光。例如，来自纳米通道的区段的散射光的量可以包括被纳米通道的区段自身、被纳米通道的区段中的流体散射以及如果颗粒存在于纳米通道的区段中、还被颗粒散射的光。
通过本系统，可以检测流体中颗粒的存在，而不需要标记颗粒或阻挡从颗粒以外的其他物体散射的光。因而，可以降低测量设置的复杂性。典型地在现有技术系统中进行的颗粒标记在检测方法中引入了复杂性，并且可能改变感兴趣的颗粒的特性。此外，测量速度受到标记的低荧光发射和/或寿命的限制。因此，在本系统中去除颗粒标记的需要可以允许降低检测方法的复杂性，保持颗粒特性，并且同时实现较高的测量速度。
本系统可以进一步允许常规的且无标记的光学方法的分辨率变得足以检测中等大小的蛋白质的单一结合事件。
由于感测面积的显著增大，本系统可以进一步允许在极低浓度下检测单一结合事件。这是因为纳米通道的区段的整个内表面可以充当活性表面。通过布置多个(数十个到数百个)平行纳米通道，可以提高期望效果。布置多个平行纳米通道的优点在于，可以提高穿过纳米通道的流体的量的通过量。
本系统进一步实现了仅包括一种材料的感测表面，这可以去除对复杂正交生物功能化的需要。去除对复杂正交生物功能化的需要的优点在于，它可以进一步降低测量系统的复杂性，特别是与需要介电衬底的钝化的纳米等离子体系统相比。
通过用两种不同的光极化照射纳米通道，本系统可以进一步允许确定纳米通道的区段的内表面上的所吸附颗粒层的折射率和/或厚度。
本系统可以进一步允许有效捕获并检测超少量的极小体积的分子。例如，单一细菌或细胞释放的超少量。在现有技术系统中，由于扩散和立即的极度稀释，这种少量的分子典型地会丢失，从而使得这些少量的分子在现有技术的系统中不可检测。
纳米通道被配置成接收流体。流体可以在纳米通道内静止。流体可以在纳米通道内流动。纳米通道可以至少部分填充有流体。换句话说，流体处于纳米通道内。纳米通道可以由对从光源发射的光透明的材料制成或嵌入其中。纳米通道可以由介电材料制成或嵌入其中。纳米通道可以刻在半导电材料中。纳米通道可以是空芯光纤或毛细管。纳米通道的内壁的至少一部分可以包括附加层。附加层可以包括生物功能层、催化颗粒、光活性分子、聚合物分子和/或功能氧化物。流体包括颗粒。流体可以包括液体和/或气体或两者的混合物。流体可以是水、缓冲液、乙醇、有机溶剂、血清、细胞质、盐的水溶液、空气、氩气、氦气、氢气、NO、NO2和CO中的一种或多种。颗粒可以是有机分子、无机分子、生物大分子、病毒、细胞外囊泡、外泌体、流体中的气泡、介电纳米颗粒、聚合物纳米颗粒和/或金属纳米颗粒。颗粒可以结合或吸附在纳米通道的内壁上。颗粒可以从纳米通道的内壁脱离或解吸。颗粒可以在流体中自由运动。
该系统可以包括纳米通道阵列。包括纳米通道阵列的系统的优点在于，可以实现利用多路复用的应用。
光源被配置成照射纳米通道。光源可以被配置成照射纳米通道的至少一部分。光源可以发射相干光。例如，光源可以是激光器或激光二极管。光源可以发射准相干光。例如，光源可以是超辐射发光二极管。光源可以发射非相干光。例如，光源可以是卤素灯。从光源发射的光可以是极化的。
光传感器被布置成确定来自纳米通道的区段的散射光的量，该光被该纳米通道、该纳米通道的区段中的流体散射、并且如果该纳米通道的区段中存在该颗粒则还被该颗粒散射，并且该光传感器输出基于散射光的该量的数据。光传感器可以输出基于到达光传感器的、来自纳米通道的区段的散射光的量的数据。换句话说，光传感器被布置成检测从光源发射的光的一部分，该部分被该纳米通道的区段、该纳米通道的区段中的流体散射、并且如果该纳米通道的区段中存在该颗粒则还被该颗粒散射。因此，光传感器被布置成避免或忽略没有被散射的光。例如，没有被散射的光可以是镜面反射光或从光源发射的直射光。光传感器可以包括成像表面。光传感器可以是成像类型的传感器。
布置光传感器以确定从纳米通道、流体和颗粒散射的散射光的量的优点在于，不需要阻挡或减少散射光。更具体地，当检测到流体中颗粒的存在时，从纳米通道和流体散射的光不需要被阻挡和/或减少(例如，通过滤光)，这又可以降低系统的复杂性。
处理单元被布置成与光传感器通信，并接收基于散射光的量的数据。处理单元可以被配置成以有线和/或无线方式通信。例如，处理单元可以通过USB、以太网、火线、Wi-Fi等与光传感器通信。处理单元被进一步布置成基于接收到的数据而确定纳米通道的区段中的流体中颗粒的存在。接收到的数据是基于由处理单元接收的、来自纳米通道的区段的散射光的量的数据。处理单元可以被进一步布置成调整从光源发射的光的量。例如，处理单元可以与光源通信，以基于由光传感器检测到的光的量而增加或减少从光源发射的光的量。处理单元可以被进一步布置成基于接收到的数据的改变而确定纳米通道的区段中的流体中颗粒的存在。接收到数据的改变可以对应于来自纳米通道的区段的散射光的第一量与第二量之间的差异。散射光的第一量/第二量可以是来自纳米通道的区段的第一部分/第二部分的散射光。散射光的第一量/第二量可以是在第一时间点/第二时间点来自纳米通道的区段的一部分的散射光。换句话说，纳米通道的区段中的流体中颗粒的存在可以基于来自纳米通道的区段的散射光的差异量或相对改变。
该系统可以进一步包括参考纳米通道。参考纳米通道可以不包括颗粒。处理单元可以被进一步布置成基于来自参考纳米通道的散射光的又一量而确定颗粒的存在。
该处理单元可以被进一步布置成通过将基于与第一时间点相关的散射光的该量的数据与基于与第二时间点相关的散射光的该量的数据进行比较而确定该颗粒的存在，这是有利的，因为该处理单元可以例如基于散射光的量的时间改变而确定该颗粒的存在。换句话说，可以基于来自纳米通道的散射光的差异量或相对改变来确定纳米通道的区段中颗粒的存在。
该系统可以进一步包括光学器件，该光学器件被布置成将该纳米通道的区段成像在该光传感器的成像表面上。
光学器件可以包括透镜。光学器件可以包括相机物镜。光学系统可以是变焦距相机物镜。应理解，光学器件可以包括其他光学部件，比如，光圈、窗口和/或滤光片。
布置光学器件以将纳米通道的区段成像在光传感器的成像表面上的优点在于，纳米通道的区段的空间信息可以被光传感器检测到。因而，可以确定颗粒在纳米通道的区段中的位置。所确定的颗粒在纳米通道的区段中的位置的空间分辨率可能受到光学器件的空间分辨率的限制。
该处理单元可以被配置成基于该接收到的数据而创建该纳米通道的所成像的区段的数字表示。
在本申请的上下文中，措辞“数字表示”应被解释为以数字二进制格式存储的信息。
可以处理纳米通道的所成像的区段的数字表示。例如，数字表示中的噪声可以通过时间或空间平均来降低。
创建纳米通道的所成像的区段的数字表示的优点在于，该数字表示可以以数字方式存储和/或处理。以数字方式处理纳米通道的所成像的区段的数字表示是有益的，因为数字处理可以提高系统的灵敏度和/或准确度。
该处理单元可以被进一步配置成基于该数字表示而确定来自该纳米通道的区段的散射光的空间分布。空间分布可以是数字图像。
基于数字表示而确定来自纳米通道的区段的散射光的空间分布的优点在于，可以从数字表示提取纳米通道的区段、纳米通道的区段中的流体的空间信息和/或如果纳米通道的区段中存在颗粒，还提取该颗粒的空间信息。基于数字表示而确定来自纳米通道的区段的散射光的空间分布的又一优点在于，来自纳米通道的区段的散射光的量可以与纳米通道的区段的空间位置相关。换句话说，可以确定纳米通道的区段的部分，这些部分与纳米通道的区段的其他部分相比将较多的光散射。
该处理单元可以被进一步配置成基于该空间分布而确定该颗粒沿着该纳米通道的区段的位置。例如，颗粒沿着纳米通道的区段的位置可以与散射光的量有关。换句话说，颗粒的位置可以是纳米通道的区段的一部分，该部分与纳米通道的其他部分相比将较多的光散射。替代性地，颗粒的位置可以是纳米通道的区段的一部分，该部分与纳米通道的其他部分相比将较少的光散射。
光学器件可以包括显微镜。
在本申请的上下文中，措辞“显微镜”应被解释为被配置成创建物体的放大图像的仪器。例如，显微镜可以被配置成在光传感器的成像表面上创建纳米通道的放大图像。
显微镜可以是光学显微镜、可见光显微镜、红外显微镜或紫外显微镜。显微镜优选是光学显微镜。应理解，系统中使用的显微镜的类型可以由光源的波长确定。
该系统可以进一步包括光学器件，该光学器件被布置成将该纳米通道的区段成像在该光传感器的成像表面的一部分上。
该系统可以进一步包括：参考纳米通道，该参考纳米通道被配置成接收参考流体，其中该参考流体不包括颗粒；其中该光源可以被进一步配置成照射该参考纳米通道；其中该光学器件可以被进一步布置成将该参考纳米通道的区段成像在该成像表面的又一部分上，该成像表面的又一部分不同于该成像表面的部分；其中该光传感器可以被进一步布置成确定来自该参考纳米通道的区段的散射光的参考量，该光被该参考纳米通道的区段和该参考纳米通道的区段中的该参考流体散射，并且输出基于散射光的该参考量的参考数据；并且其中该处理单元可以被进一步布置成与该光传感器通信以接收该参考数据，并且基于该接收到的数据和该接收到的参考数据而确定该纳米通道的区段中的该流体中该颗粒的存在。
相关联的优点在于，可以允许较精确地确定颗粒的存在，因为可以将接收到的参考数据(即，与散射光的参考量相关联的数据)从接收到的数据(即，与来自纳米通道的区段的散射光的量相关联的数据)去除(例如，减去)。
该处理单元可以被配置成基于该接收到的数据而创建该纳米通道的所成像的区段的数字表示，并且基于该接收到的参考数据而创建该参考纳米通道的所成像的区段的参考数字表示。
相关联的优点在于，数字表示和参考数字表示可以以数字方式存储和/或处理。以数字方式处理纳米通道的所成像的区段的数字表示和参考纳米通道的所成像的区段的参考数字表示是有益的，因为数字处理可以提高系统的灵敏度和/或准确度。
该处理单元可以被进一步配置成基于该数字表示和该参考数字表示而确定来自该纳米通道的区段的散射光的空间分布。
通过基于数字表示和参考数字表示而确定来自纳米通道的区段的散射光的空间分布，可以降低空间分布中的背景信号水平(即，与从参考纳米通道散射的光的量相关联)。
相关联的优点在于，可以从数字表示提取纳米通道的区段、纳米通道的区段中的流体的空间信息和/或如果纳米通道的区段中存在该颗粒，还提取该颗粒的空间信息。又一相关联的优点在于，来自纳米通道的区段的散射光的量可以与纳米通道的区段的空间位置相关。换句话说，可以确定纳米通道的区段的部分，这些部分与纳米通道的区段的其他部分相比将较多的光散射。
该处理单元可以被进一步配置成基于该空间分布而确定该颗粒在该纳米通道的区段中的位置。
通过确定纳米通道的区段的哪些部分将较多/较少光散射，可以确定颗粒在纳米通道的区段中的位置。例如，颗粒的位置可以是纳米通道的区段的一部分，该部分与纳米通道的其他部分相比将较多的光散射。替代性地，颗粒的位置可以是纳米通道的区段的一部分，该部分与纳米通道的其他部分相比将较少的光散射。
该处理单元可以被进一步配置成基于该空间分布的对比度水平的分布而确定该颗粒的极化率。
相关联的优点在于，可以确定关于颗粒的特性。这些特性可以例如用于检测纳米通道中存在的流体样品中特定颗粒的存在。
该系统可以被配置成确定与不同时间点相关的、来自该纳米通道的区段的散射光的多个空间分布，并且其中该处理单元可以被进一步配置成基于该多个空间分布而确定该颗粒的大小。
相关联的优点在于，可以确定关于颗粒的特性。这些特性可以例如用于检测纳米通道中存在的流体样品中特定颗粒的存在。
该光源、该光传感器和该光学器件可以被布置成用于该纳米通道的暗场显微术。换句话说，没有从纳米通道散射的光可能不会到达光传感器。
措辞“暗场显微术”通常被认为是一种显微技术，其中样品被不直接到达光传感器的光照射。换句话说，暗场显微术仅捕获由所成像的物体(例如，纳米通道)散射的光。有若干适合于暗场显微术的配置。例如，从光源发射的光束的中心可以被阻挡，以使得只有光束的外环照射物体。暗场显微镜的光学器件典型地被布置成使得透射穿过样品的光(即，未被样品散射的光)不会到达光传感器。在暗场显微术布置的另一示例中，光源可以被布置用于纳米通道的浅角度照射，以使得镜面反射光不会到达光传感器。暗场显微术的另一示例可以是全内反射显微术，其中纳米通道、流体和颗粒被倏逝场照射。
将光源、光传感器和光学器件布置成用于纳米通道的暗场显微术的优点在于，未散射的光可能不会到达光传感器，并且因而将被排除在由光传感器输出/记录的数据之外。将光源、光传感器和光学器件布置成用于纳米通道的暗场显微术的又一优点在于，可以仅使用或基本上仅使用散射光来形成所成像的纳米通道的数字表示，例如，数字图像。
该光源可以被布置成直接照射该纳米通道的外部。光源可以被布置成直接照射纳米通道的外部的至少一部分。光源可以被布置成从纳米通道的外部直接照射纳米通道的外部。光源可以被布置成从至少一个方向直接照射纳米通道的外部。
在本申请的上下文中，措辞“直接照射”应被解释为光源定位在纳米通道的外部并且从光源发射的光撞击在纳米通道的外部的布置。这种布置不同于光源被布置成将光联接到纳米通道中的布置(这通常是光纤的情况)。还应理解，从光源发射的光在撞击纳米通道之前可以穿过附加光学部件，例如，滤光片、透镜和/或窗口。
纳米通道的厚度和/或宽度可以小于从光源发射的光的波长。
在本申请的上下文中，纳米通道的措辞“厚度”和“宽度”应被解释为所述纳米通道的横向空间延伸。
假如光源是多色的，厚度和/或宽度可以小于从光源发射的光的最长波长。纳米通道的厚度和/或宽度可以优选小于500nm。纳米通道的厚度和/或宽度可以甚至更优选小于200nm。例如，纳米通道可以具有10nm至100nm的范围内的宽度。
该纳米通道的区段的至少一部分可以在其内壁处包括功能化层，其中该功能化层被布置成将该颗粒结合到该功能化层。
功能化层可以被布置成结合具有具体特性的颗粒。例如，具有具体特性的第一类型的颗粒可以结合到功能化层，而具有不同特性的第二类型的颗粒可以不结合到功能化层。
纳米通道的一部分在其内壁处包括功能化层(其中功能化层被布置成将颗粒结合到功能化层)的优点在于，它可以允许对具有具体特性的颗粒进行改进的检测。
根据本发明构思的第二方面，提供了一种用于确定流体中颗粒的存在的方法。该方法包括：在纳米通道处接收该流体，其中该流体包括颗粒；照射该纳米通道；确定来自该纳米通道的区段的散射光的量，该光被该纳米通道、该纳米通道的区段中的流体散射、并且如果该纳米通道的区段中存在该颗粒则还被该颗粒散射；以及基于散射光的该所确定的量而确定该纳米通道的区段中的该流体中该颗粒的存在。
该系统的上述特征和优点在适用时也适用于第二方面。为了避免过度重复，参考上文。
基于散射光的该所确定的量而确定该纳米通道的区段中的该流体中该颗粒的存在的该动作可以进一步包括将与第一时间点相关的散射光的量和与第二时间点相关的散射光的量进行比较。换句话说，可以基于来自纳米通道的散射光的差异量或相对改变来确定纳米通道的区段中的流体中颗粒的存在。
该方法可以进一步包括：将该纳米通道的区段成像在光传感器的成像表面上；以及创建在该光传感器的成像表面上成像的该纳米通道的区段的数字表示。
该方法可以进一步包括：基于该数字表示而创建来自该纳米通道的区段的散射光的空间分布。
该方法可以进一步包括：基于该数字表示而确定该颗粒沿着该纳米通道的区段的位置。
该方法可以进一步包括：照射参考纳米通道，其中该参考纳米通道不包括颗粒；确定从该参考纳米通道散射的散射光的又一量；并且其中确定该纳米通道的区段中的该流体中该颗粒的存在的该动作进一步基于来自该纳米通道的区段的散射光的该量和来自该参考纳米通道的散射光的该又一量的比较。
参考纳米通道可以是与纳米通道相同的类型。散射光的又一量可以是散射光的参考量。
在确定该纳米通道的区段中的该流体中该颗粒的存在的该动作中，来自该纳米通道的区段的散射光的该量和来自该参考纳米通道的散射光的该又一量的该比较可以是根据下式的比率：
其中和分别是在第一时间点和第二时间点来自该纳米通道的区段的散射光的该量，并且和分别是在该第一时间点和该第二时间点来自该参考纳米通道的散射光的该又一量。
根据以下给出的详细描述，本披露的进一步的适用范围将变得显而易见。然而，应理解，详细描述和具体示例虽然指示了本发明构思的优选变体，但仅以说明性的方式给出，因为根据该详细描述，本发明构思的范围内的各种变化和修改对于本领域的技术人员而言将变得显而易见。
因此，应理解，本发明构思不限于所描述的方法的特定步骤或所描述的系统的零部件，因为此类方法和系统可以变化。还应理解，本文所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并不旨在是限制性的。必须注意，除非上下文另有明确规定，否则如在本说明书和所附权利要求中所使用的那样，冠词“一个/种(a、an)”、“该(the)”以及“所述(said)”旨在意味着存在一个或多个元件。因此，例如，提及“一个单元”或“该单元”可以包含若干装置等。此外，词语“包括(comprising)”、“包含(including)”、“含有(containing)”和类似用语不排除其他元件或步骤。
附图说明
现在将参考示出了本发明实施例的附图来更详细地描述本发明的上述和其他方面。附图不应被认为将本发明限制于具体实施例；而是用于解释和理解本发明。
如图所示，层和区域的大小被放大以用于展示性目的，并且因此被提供用于展示本发明实施例的总体结构。贯穿全文，相同的附图标记指代相同的元件。
图1A展示了被适配成利用纳米通道的暗场照射来检测流体中颗粒的存在的系统。
图1B展示了填充有包括颗粒的流体的、具有矩形截面的纳米通道。
图2展示了被适配成利用暗场显微术来检测流体中颗粒的存在的系统。
图3是用于确定流体中颗粒的存在的方法的框图。
图4A展示了第一时间点的样品纳米通道和参考纳米通道。
图4B展示了第二时间点的图4A的样品纳米通道和参考纳米通道。
图5A展示了纳米通道的所成像的区段的数字表示的空间分布。
图5B展示了基于纳米通道的所成像的区段的数字表示(在图5A中，被展示为空间分布)与参考纳米通道的所成像的区段的参考数字表示之间的差异而确定的空间分布。
图6展示了基于多个空间分布的时移图像。
具体实施方式
现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明概念，在附图中示出了本发明概念的当前优选变体。然而，本发明概念可以用许多不同的形式来实施，并且不应被解释为局限于本文阐述的变体；相反，提供这些变体是为了获得彻底性和完整性，并且向技术人员充分传达本发明概念的范围。
有许多应用和/或方法可以受益于本发明构思，例如亲和生物感测、电泳、研究催化反应的方法以及研究溶液中的颗粒的动力学的方法。
图1A和图2中的展示指示仅照射单一纳米通道，然而这仅用于说明目的，并且可以同时照射多个纳米通道。
图1A展示了被适配成利用纳米通道的暗场照射来检测流体中颗粒的存在的系统10。图1A所描绘的系统10包括嵌入在衬底100中的纳米通道102、光源110、光传感器120和处理单元130。将关于图1B更详细地描述图1A中的纳米通道102。衬底100可以由介电材料(例如，SiO2)制成。替代性地，衬底可以由其他材料制成，比如，Si、SiNx、Al2O3、TiO2、石英和/或聚合物。衬底可以由IR透明材料制成。纳米通道102配置成接收流体，并且流体包括颗粒。在这种情况下，流体为H2O，但有多种不同的液体和气体可以供给到纳米通道102并随后被该纳米通道接收。例如，水、缓冲液、乙醇、有机溶剂、血清、细胞质、盐的水溶液、空气、氩气、氦气、氢气、NO、NO2和CO中的一种或多种可以是由纳米通道102接收的流体。如图1B所展示的颗粒106可以是金属纳米颗粒。然而，流体中可以包括多种不同颗粒。例如，颗粒106可以是有机或无机分子、生物大分子、流体中的气泡和/或介电纳米颗粒。颗粒106可以具有5nm至100nm的范围内的大小。此处应理解，颗粒106的大小可以小于纳米通道102的宽度。
光源110被布置成照射纳米通道102。在图1A所示的示例中，光源110是发射532nm的波长的相干光的激光器。替代性地，光源110可以是不同类型的，并且发射单色或多色波长的准相干或非相干光。例如，光源110可以是超辐射发光二极管、超连续谱激光器或卤素灯。从光源110发射的光可以穿过扩束器以便照射衬底100的大面积。入射光束114以入射角116直接撞击纳米通道102的区段。换句话说，光源110被布置成直接照射纳米通道102的区段的外部。换句话说，纳米通道102的区段的外部没有从纳米通道102的区段内照射。入射光束114被纳米通道102的区段、纳米通道102的区段中的流体部分散射、并且如果纳米通道102的区段中存在颗粒106则还被颗粒部分散射。散射光108的一部分由光学器件(例如，透镜140)收集。换句话说，散射光108包括被纳米通道102的区段、纳米通道102的区段中的流体散射、并且如果纳米通道102的区段中存在颗粒106则还被颗粒散射的光。假如将在现有技术系统中确定颗粒106的存在，通常必须阻挡从纳米通道102和/或流体散射的光。然而，在此处描述的本系统10中不需要这种阻挡。而是，由透镜140收集的散射光108的部分包括被纳米通道102的区段、纳米通道102的区段中的流体散射、并且如果纳米通道102的区段中存在颗粒106则还被颗粒散射的光。
光传感器120被布置成确定来自纳米通道102的区段的散射光108的量。光传感器120被进一步布置成输出基于散射光的量的数据。在图1A所示的示例中，透镜140被布置成将纳米通道102的区段成像在光传感器120的成像表面122上。透镜140(光学器件)可以被布置成将纳米通道102的区段成像在光传感器120的成像表面122的一部分上。
替代性地，光学器件可以包括光学元件的不同类型和组合，比如，窗口、滤光片、光圈、相机物镜、变焦距物镜和/或显微镜。将关于图2A描述利用暗场显微术的系统。换句话说，应理解，图1A所示的透镜140可以替换为其他光学器件。也可以省略光学器件。
如图1A中看到的，入射光束114可以在纳米通道102的区段上部分反射。进一步，纳米通道102、光源110和光传感器120被布置成使得反射光束118不会到达光传感器120。换句话说，到达光传感器120的光包括散射光108的一部分，而不是反射光118。图1A中的光传感器120输出基于到达光传感器120的散射光108的量的数据。数据可以基于到达光传感器120的散射光108的强度。应理解，即使在图1A中未明确示出，入射光束114也可以穿过衬底100部分透射。
处理单元130被布置成与光传感器120通信，并接收基于到达光传感器120的、来自纳米通道102的区段的散射光108的量的数据。在图1A所示的示例中，光传感器120和处理单元130经由比如USB等有线连接而连接。然而，本领域的技术人员认识到存在用于通信的多种不同有线和无线替代方案。在图1A所示的示例中，处理单元130被配置成基于接收到的数据而创建纳米通道102的所成像的区段的数字表示。
处理单元130被布置成基于接收到的数据而确定纳米通道102的区段中的流体中颗粒106的存在。例如，当到达光传感器120的、来自纳米通道102的区段的散射光108的量高于或低于预定阈值时，可以确定纳米通道102的区段中颗粒106的存在。处理单元130可以被进一步布置成基于接收到的数据的改变而确定纳米通道102的区段中的流体中颗粒106的存在。接收到数据的改变可以对应于来自纳米通道102的区段的散射光108的第一量与第二量之间的差异。散射光108的第一量/第二量可以是来自纳米通道102的区段的第一部分/第二部分的散射光。散射光108的第一量/第二量可以是在第一时间点/第二时间点来自纳米通道102的区段的一部分的散射光。换句话说，纳米通道102的区段中的流体中颗粒106的存在可以基于来自纳米通道102的区段的散射光的相对改变或差异量。
处理单元130可以被进一步配置成通过将基于与第一时间点相关的散射光108的量的数据与基于与第二时间点相关的散射光108的量的数据进行比较而确定颗粒106的存在。换句话说，可以基于来自纳米通道102的散射光108的相对改变或差异量而确定纳米通道102的区段中颗粒106的存在。
处理单元130可以被进一步配置成基于数字表示而确定到达光传感器120的、来自纳米通道102的区段的散射光108的空间分布。例如，到达光传感器120的、来自纳米通道102的区段的散射光108的空间分布可以是纳米通道102的区段的数字图像。假如处理单元130被配置成确定到达光传感器120的、来自纳米通道102的区段的散射光108的空间分布，则颗粒106沿着纳米通道102的区段的位置可以由处理单元130确定。
还可以基于与到达光传感器120的散射光108的参考量的比较来检测纳米通道102的区段中的流体中颗粒106的存在。例如，不包括颗粒的参考纳米通道104可以用于确定到达光传感器120的散射光108的参考量。纳米通道102也可以被称为样品纳米通道102。因而，在确定纳米通道102的区段中的流体中颗粒106的存在时，可以考虑光源110的强度变化。参考纳米通道104可以被配置成接收参考流体，其中参考流体不包括颗粒。光源110可以被进一步配置成照射参考纳米通道104。光学器件140可以被进一步布置成将参考纳米通道104的区段成像在成像表面122的又一部分上，成像表面122的又一部分不同于成像表面122的部分(即，纳米通道102的部分可以成像到的成像表面122的部分)。光传感器120可以被进一步布置成确定来自参考纳米通道104的区段的散射光的参考量，该光被参考纳米通道104的区段和参考纳米通道的区段中的参考流体散射，并且光传感器输出基于散射光的参考量的参考数据。在图1A中，示出了来自纳米通道102的散射光108，然而，即使在图1A中未明确示出，参考纳米通道104也将光以类似方式散射。图1A中未描绘从参考纳米通道104散射的光，以便提高图1A的易读性。
处理单元130可以被进一步布置成与光传感器120通信以接收参考数据，并且基于接收到的数据和接收到的参考数据而确定纳米通道102的区段中的流体中颗粒106的存在。
处理单元130可以被配置成基于接收到的数据而创建纳米通道102的所成像的区段的数字表示，并且基于接收到的参考数据而创建参考纳米通道104的所成像的区段的参考数字表示。数字表示和参考数字表示可以是共同数字表示(例如，数字图像)的独立部分。
图5A中示出了纳米通道102的所成像的区段的数字表示的空间分布502的示例。图5A中的水平方向表示纳米通道102的区段的纵向延伸，并且图5A中的竖直方向表示纳米通道102的区段的横向延伸。参考纳米通道104的所成像的区段的参考数字表示的空间分布(未示出)可以类似于图5A所示的纳米通道102的所成像的区段的数字表示的空间分布502。
处理单元130可以被进一步配置成基于数字表示和参考数字表示而确定来自纳米通道102的区段的散射光的空间分布512。处理单元130可以被进一步配置成基于空间分布512而确定纳米通道102的区段中颗粒106的位置。
图5B展示了基于纳米通道102的所成像的区段的数字表示(在图5A中，展示为空间分布502)与参考纳米通道104的所成像的区段的参考数字表示(未示出)之间的差异而确定的空间分布512。可以基于纳米通道102的所成像的区段的数字表示与参考纳米通道104的所成像的区段的参考数字表示的比率来确定空间分布。正如在图5A中，图5B中的水平方向表示纳米通道102的区段的纵向延伸，并且图5B中的竖直方向表示纳米通道102的区段的横向延伸。换句话说，当确定图5B的空间分布512时，将背景信号水平(即，与参考纳米通道104的所成像的区段的参考数字表示的信号水平相关联)从数字表示的信号水平(即，与纳米通道102的所成像的区段的数字表示的信号水平相关联)减去。纳米通道102的区段中纳米颗粒106的存在以及位置在图5B中作为暗光斑506清楚可见。
假如基于纳米通道102的所成像的区段的数字表示与参考纳米通道104的所成像的区段的参考数字表示之间的差异而确定空间分布512，则处理单元130可以被进一步配置成基于空间分布512的对比度水平的分布而确定颗粒106的极化率。如图5B中可见，空间分布512的对比度(强度对比度)变化，并且颗粒的重量(分子量)可以从变化的对比度确定。可以从图5B的对比度(使用方程3)确定颗粒106的极化率。
假如基于纳米通道102的所成像的区段的数字表示和参考纳米通道104的所成像的区段的参考数字表示的比率而确定空间分布，则处理单元130可以被进一步配置成使用方程3和方程6、基于归一化信号改变的分布而确定颗粒106的极化率。
如本领域中所知，颗粒106的极化率可以取决于颗粒及其周围(即，纳米通道102的区段中的周围流体)的颗粒大小和折射率。假如颗粒是生物分子(例如，蛋白质)，可以假设极化率线性地取决于颗粒106的分子量。接着，可以从校准曲线确定未知生物分子的分子量。可以使用已知分子量的生物分子而确定校准曲线。因而，校准曲线可以包括关于生物分子的已知分子量如何取决于与已知分子量的生物分子相关联的空间分布中的强度对比度的信息。
系统10可以被配置成确定与不同时间点相关的、来自纳米通道102的区段的散射光的多个空间分布512。处理单元130可以被进一步配置成基于多个空间分布512而确定颗粒106的大小。可以使用本领域中已知的方法、从颗粒106随时间的所测量的空间移位确定颗粒106的扩散率。颗粒106的半径(如果颗粒106是生物分子，半径可以被称为流体动力学半径)可以与其扩散率成反比。接着，可以从校准曲线确定颗粒106的大小。可以使用已知大小的颗粒(例如，生物分子)而确定校准曲线。因而，校准曲线可以包括关于已知颗粒大小如何取决于扩散率的信息。图6展示了基于来自纳米通道的散射光的多个空间分布的时移图像(波动曲线)，并且其中每个空间分布对应于时间点。在此示例中，颗粒是半径为6nm且分子量为65kDa的蛋白质。图6的水平轴对应于时间，并且图6的竖直轴对应于纳米通道中的纵向位置。图6中的每一列对应于与每一相应行相关联的时间点的空间分布的横向平均值。横向平均值在此意味着，确定沿着对应于纳米通道的横向方向的维度的平均空间分布。因而，产生了阵列图像。例如，如果空间分布具有m x n的像素分辨率，那么横向平均值可以具有1x n或m x 1的像素分辨率(取决于哪个维度对应于纳米通道的横向方向)。换句话说，图6中可见的暗线602对应于颗粒在穿过纳米通道流动和扩散时的轨迹。通过追踪图6中的颗粒随着时间的位置，可以确定其扩散率。如本领域内所知，通过知晓颗粒扩散率，可以确定颗粒大小。
图1B展示了图1A所展示的系统10的样品纳米通道102的示意图。如图1B所展示，样品纳米通道102可以具有矩形截面。纳米通道102已接收包括颗粒106的流体。换句话说，纳米通道102填充有包括颗粒106的流体。纳米通道102可以从联接到纳米通道102的容器填充，该容器包括流体。容器可以是微流体性通道。样品纳米通道102的宽度103B和高度103C小于由光源110发射的光的波长。进一步，样品纳米通道的长度103A可以是任意的，典型地大于由光源110发射的光的波长。纳米通道102可以具有不同于矩形的截面，例如，方形截面、椭圆形截面或圆形截面。然而，截面的尺寸优选小于由光源110发射的光的波长。样品纳米通道102的内壁的至少一部分可以包括附加层。附加层可以包括生物功能层、催化颗粒、光活性分子、聚合物分子和/或功能氧化物。附加层可以包括金属颗粒，这些金属颗粒在用光/电磁辐射照射时实现局部化等离子体共振条件。在本领域内，这些金属颗粒可以被称为等离子体颗粒。
如图1B所示范，纳米通道102的区段的至少一部分可以在其内壁处包括功能化层101，其中功能化层101被布置成将颗粒106结合到功能化层101。功能化层101可以被布置成结合具有具体特性的颗粒。例如，具有具体特性的第一类型的颗粒可以结合到功能化层101，而具有不同特性的第二类型的颗粒可以不结合到功能化层101。
在使用参考纳米通道104的情况下，参考纳米通道104优选地具有的尺寸使得来自参考纳米通道104的散射光的量类似于来自样品纳米通道102的散射光的量。
图2展示了被布置成利用暗场显微术来检测流体中颗粒的存在的系统20。系统20包括嵌入在衬底100中的纳米通道102、光源110、光传感器120和处理单元130。图2中的衬底100对应于关于图1A所述的衬底100。纳米通道102被配置成接收包括颗粒106的流体。换句话说，纳米通道102填充有包括颗粒106的流体。此处不重复与衬底100和纳米通道102有关的进一步细节，因为它们类似于关于图1A和图1B的描述。因此，参考上述内容。
系统20进一步包括光学装置212和显微镜物镜242。光学装置212被配置成阻挡从光源110发射的光的一部分。该部分可以是从光源110发射的光的中心部分。在图2所示的示例中，光学装置212包括第一透镜212-1、第二透镜212-2和光阑212-3。第一透镜212-1可以被配置成准直从光源110发射的光。光阑212-3可以被配置成阻挡从光源110发射的光的中心部分，从而留下光的外环。第二透镜212-2可以被配置成将光的外环聚焦。从此处开始，第二透镜212-2之后的光将被称为入射光214。应理解，光学装置212可以包括此处未包含的附加光学部件。
入射光214撞击在纳米通道102上，并从纳米通道102的区段的外部直接照射纳米通道102的区段的外部。在图2中，入射光214被示出为照射在纳米通道102上，然而，尽管图2中未明确示出，但入射光可以进一步撞击/照射参考纳米通道104。图2中未描绘从参考纳米通道104散射的光，以便提高图2的易读性。入射光214部分地透射穿过衬底100，而没有任何散射。从此处开始，在没有任何散射的情况下透射穿过衬底100的光将被称为透射光218。光传感器120被布置成使得透射光218不会到达光传感器120。因此，因为准直光的中心被阻挡，所以透射光218未到达光传感器120。显微镜物镜242被布置成将纳米通道102的区段成像在光传感器120的成像表面122上。入射光214的一部分被纳米通道102的区段、纳米通道102的区段中的流体散射、并且如果纳米通道102的区段中存在颗粒106则还被颗粒散射。来自纳米通道102的区段的散射光108的一部分被显微镜物镜242捕获。因此，当将纳米通道102的区段成像在成像表面122上时，使用到达显微镜物镜242的、来自纳米通道102的区段的散射光108的部分。换句话说，成像表面122上的纳米通道102的区段的图像仅包括散射光。
图2中的光传感器120和处理单元130对应于图1A中的相应部件，并且与它们有关的细节此处将不进行重复，因为细节将类似于关于图1A的描述。因此，参考上述内容。
现在将参考图3描述用于确定在纳米通道102的区段中的流体中颗粒的存在的方法30。方法30包括以下步骤或动作：
在纳米通道102处接收流体(S302)，其中流体包括颗粒106。
照射纳米通道102(S304)。纳米通道102可以在其外部被直接照射。换句话说，纳米通道102可以从纳米通道102的外部被直接照射在纳米通道102的外部上。纳米通道102可以由光源110照射。
确定来自纳米通道的区段的散射光108的量(S306)，该光被纳米通道102、纳米通道102的区段中的流体散射、并且如果纳米通道102的区段中存在颗粒106则还被该颗粒散射。散射光108的量可以由光传感器120确定。
基于所确定的散射光108的量而确定纳米通道102的区段中的流体中颗粒106的存在(S308)。可以通过散射光108的量高于或低于阈值来确定颗粒106的存在。
方法30可以进一步包括：将纳米通道102的区段成像在光传感器120的成像表面122上(S310)；以及创建在光传感器120的成像表面122上成像的纳米通道102的区段的数字表示(S312)。
方法30可以进一步包括：基于数字表示而创建来自纳米通道102的区段的散射光108的空间分布(S314)。
方法30可以进一步包括：基于数字表示而确定颗粒106沿着纳米通道102的区段的位置(S316)。
方法30可以进一步包括：照射参考纳米通道104，其中参考纳米通道104不包括颗粒106。
方法30可以进一步包括：确定从参考纳米通道104散射的散射光的又一量。从参考纳米通道104散射的散射光的又一量可以由光传感器110确定。从参考纳米通道104散射的散射光的又一量可以由光传感器110在确定来自纳米通道102的区段的散射光的量(S306)相同的时间点确定。
确定纳米通道102的区段中的流体中颗粒106的存在(S308)的动作可以进一步基于来自纳米通道102的区段的散射光108的量和来自参考纳米通道104的散射光的又一量的比较。
本领域的技术人员认识到，即使已经以连贯的方式描述了方法30，也可以同时或者以与此处描述不同的次序执行多个动作。例如，可以在纳米通道102处接收包括颗粒106的流体(S302)之前执行照射纳米通道102(S304)的动作。
现在将参考图4A和图4B描述对纳米通道102的区段402中的流体中颗粒106的存在的确定。
图4A展示了在第一时间点的具有圆形截面的参考纳米通道104和样品纳米通道102。参考纳米通道104和样品纳米通道102可以是嵌入在关于图1A和图2所述的衬底100中的纳米通道。来自参考纳米通道104的散射光的又一量可以用于确定光源110的强度变化。
图4A中的纳米通道102已接收包括颗粒106的流体。在图4A中，可以确定来自纳米通道102的区段402的散射光的第一量来自纳米通道102的区段402的散射光的第一量包括由纳米通道102的区段402和纳米通道102的区段402中的流体散射的光。因为颗粒106不存在于纳米通道102的区段402中，所以从纳米通道102的区段402散射的光的第一量不包括由颗粒106散射的光。换句话说，散射光的量不受颗粒106的影响。在确定来自纳米通道102的区段402的散射光的第一量的同时，可以确定来自参考纳米通道104的散射光的第一又一量
图4B展示了在第二时刻的图4A中的参考纳米通道104和样品纳米通道102。在图4B中，可以确定从纳米通道102的区段402散射的光的第二量来自纳米通道102的区段402的散射光的第二量包括由纳米通道102的区段402、纳米通道102的区段402中的流体和颗粒106散射的光。在确定来自纳米通道102的区段402的散射光的第二量的同时，可以确定来自参考纳米通道104的散射光的第二又一量
接着，可以将归一化信号改变确定为据下式的比率：
接着，当归一化信号改变高于阈值时，可以确定纳米通道102的区段402中的流体中颗粒106的存在。阈值可以是预定阈值。阈值可以是信号噪声水平的标准偏差的倍数。例如，阈值可以是信号噪声水平的三个标准偏差。
应理解，比率可以基于从纳米通道102的不同空间部分确定的散射光的第一量和第二量在这种情况下，可以在同一时间点确定散射光的第一量和第二量。可以以对应方式确定比率
本领域的技术人员认识到，本发明的概念绝不限于上述优选的变体。相反地，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。
例如，纳米通道不需要嵌入在如图1A和图1B所示范的介电材料中，因为它也可以替代性地是空芯纤维或毛细管。
另外地，所披露的变体的变化可以被技术人员在实践所要求保护的发明时通过学习附图、披露内容、以及所附权利要求理解并实现。
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