本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)提供一種具有集成Fabry-Perot光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)的微流控芯片生物傳感器，通過(guò)在集成的微諧振腔內(nèi)注入液體生物樣品，從而實(shí)現(xiàn)將生物微流槽結(jié)構(gòu)與光學(xué)傳感器有機(jī)集成在一起，形成了檢測(cè)生物樣品折射率的傳感器。該集成器件具有體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性高、以及易于和光纖透鏡對(duì)準(zhǔn)耦合等特點(diǎn)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及生物樣品(例如蛋白質(zhì)、DNA以及抗體等)檢測(cè)領(lǐng)域中的一種集成芯片傳感器，可應(yīng)用于疾病治療診斷和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
生命科學(xué)的發(fā)展為疾病的診斷、治療及預(yù)防提供了高效便捷的手段，同時(shí)也面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何對(duì)組織、細(xì)胞、藥物、生物大分子和生物活性分子等提供即時(shí)、在線(xiàn)、準(zhǔn)確和全面的分析。為了解決這些問(wèn)題，人們嘗試將生物信息學(xué)、微電子工藝、以及光電子學(xué)等學(xué)科有機(jī)結(jié)合，以提高生化分析的速度和精度，由此形成了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)微全分析系統(tǒng)。微全分析系統(tǒng)于上世紀(jì)90年代提出，目前已成為最前沿的科技領(lǐng)域之一，其核心技術(shù)是微流控芯片。由于微流控芯片的體積很小，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品的微量檢測(cè)，促進(jìn)了分析儀器的微型化、集成化和便攜化。折射率是反映生物樣品性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，測(cè)試樣品的折射率就可以獲知樣品的類(lèi)型和濃度等相關(guān)信息；并且測(cè)試折射率的光學(xué)傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)和響應(yīng)快等特點(diǎn)。因此，目前廣泛采用光學(xué)傳感器對(duì)微流控芯片中的生物樣品進(jìn)行折射率測(cè)量。Kobori 等人(J. Am. Chem. Soc.，2004，126，557)利用表面等離子體共振傳感器(SPR)對(duì)雙鏈DNA中胞嘧啶(Cytosine)的非匹配性進(jìn)行檢測(cè)；但SI5R傳感器的成本高、體積大、探測(cè)距離短、傳感器壽命有限，同時(shí)其透射光譜很寬( 50nm)，靈敏度低。Liang等人(Appl. Phys. Lett.， 2005,86 =151122)利用光纖光柵傳感器對(duì)異丙醇的折射率進(jìn)行測(cè)量，該傳感器雖然具有較窄的透射光譜寬度( Inm)，但是制作工藝復(fù)雜、不易與微流控芯片集成，同時(shí)光纖光柵受溫度影響大。Guo等人(Appl. Phys. Lett. ,2011,98 :041104)利用兩根光纖的端面構(gòu)成 Fabry-Perot (FP)腔，并在光纖端面鍍膜將FP腔的透射光譜寬度減至約2. 5nm、從而提高了探測(cè)靈敏度，但是該FP腔屬于分立結(jié)構(gòu)(需要使用粘貼等方法固定光纖)，因此傳感器的體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差，同時(shí)其光子晶體微流槽裝置也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度、難以實(shí)現(xiàn)集成。綜上所述，上述傳感器都屬于分立器件結(jié)構(gòu)，具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，同時(shí)光譜分辨能力較低、靈敏度較差。因此設(shè)計(jì)研發(fā)具有集成結(jié)構(gòu)、靈敏度高的生物傳感器是目前亟需解決的問(wèn)題。集成FP光學(xué)諧振腔的譜線(xiàn)寬度可以達(dá)到< 0.6nm(Applied Optics, vol.45, no. 33,pp. 8448-8453,2006)，其光譜分辨能力明顯高于上述報(bào)導(dǎo)的各種傳感器。因此，將FP 諧振腔與微流控芯片有機(jī)集成在一起，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的集成傳感器，是本專(zhuān)利技術(shù)的創(chuàng)研動(dòng)機(jī)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)旨在解決上述傳感器的問(wèn)題，提出一種“具有集成FP光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)的微流控芯片生物傳感器”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“FP芯片傳感器”)，該集成器件具有體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性高、以及易于和光纖透鏡對(duì)準(zhǔn)耦合等特點(diǎn)。本專(zhuān)利技術(shù)是在FP光學(xué)諧振腔內(nèi)填充被測(cè)生物樣品(見(jiàn)附圖1至圖4)，從而實(shí)現(xiàn)將微流控芯片與光學(xué)傳感器集成在一起、形成單一的集成器件。所述的諧振腔是通過(guò)將兩塊鍍了反射鏡的襯底鍵合在一起形成的，其中的襯底在生長(zhǎng)反射鏡之前通過(guò)刻蝕工藝形成凹槽結(jié)構(gòu)(見(jiàn)附圖1至圖4)。所述的鍵合過(guò)程通過(guò)采用表面處理工藝(如等離子體或化學(xué)溶液等)或聚合物中間層方案，將兩塊襯底粘結(jié)在一起，其中的凹槽結(jié)構(gòu)在兩塊襯底之間形成空腔(即微流槽結(jié)構(gòu))。所述的諧振腔反射鏡由金屬膜(如Al、Ag、Au、Cu等)或介質(zhì)膜系構(gòu)成；其中介質(zhì)膜反射鏡是通過(guò)在襯底上交替生長(zhǎng)不同折射率的薄膜而成，如Si/Si02、Ti02/Si02或6仏8/ AlGaAs等布拉格反射鏡(DBR)。所述的襯底可以采用玻璃材料、有機(jī)材料或晶體材料，其中晶體材料包括硅、砷化鎵和磷化銦等半導(dǎo)體。所述的凹槽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是底部平坦，側(cè)面形狀不限，凹槽可以為矩形或圓弧形等 (見(jiàn)附圖6)，凹槽結(jié)構(gòu)的寬度h在20納米至10厘米之間、高度d在50納米至500微米之間(見(jiàn)附圖1(a))。FP芯片傳感器的制備過(guò)程如圖1所示。首先，在A襯底上通過(guò)刻蝕工藝制備凹槽結(jié)構(gòu)；然后在A和B襯底上生長(zhǎng)金屬膜或介質(zhì)膜反射鏡；最后將帶有薄膜反射鏡的A和B襯底鍵合在一起，微流槽兩端面的反射鏡構(gòu)成了 FP光學(xué)諧振腔。測(cè)試前通過(guò)毛細(xì)作用將液體生物樣品注入微流槽，充滿(mǎn)FP光學(xué)諧振腔。FP芯片傳感器的測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示，F(xiàn)P芯片傳感器被置于一對(duì)經(jīng)過(guò)方位校準(zhǔn)的光纖透鏡之間，其中光源采用波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器，接收端采用光功率計(jì)、光電探測(cè)器或光譜儀等。通過(guò)改變可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)，測(cè)試相應(yīng)的接收光功率，就可以得到FP芯片傳感器的透射光譜，最終得到生物樣本的折射率。根據(jù)FP光學(xué)諧振腔的工作原理，只有波長(zhǎng)接近諧振波長(zhǎng)λ k的光才能透過(guò)諧振腔。設(shè)腔內(nèi)已知樣品的折射率為IV第k級(jí)諧振峰的中心波長(zhǎng)為Xk，d為有效腔長(zhǎng)，則他們間滿(mǎn)足如下關(guān)系2n0d = iak (1)當(dāng)腔內(nèi)注入折射率為η的待測(cè)生物樣品時(shí)，折射率變化為Δη = n-rv相應(yīng)的透射峰波長(zhǎng)變化為Δ λ = 2 ( Δ n+n0) d/k- λ k (2)通過(guò)測(cè)試Δ λ，就可以獲知折射率變化Δη，從而獲知生物樣品的折射率 η = Δ η+η0 = ( Δ λ + λ k) k/2d (3)因此，可以通過(guò)測(cè)量透射譜中心波長(zhǎng)的變化，或者通過(guò)測(cè)試固定波長(zhǎng)處FP腔的透射率變化，可以獲知諧振腔內(nèi)待測(cè)生物樣品的折射率變化，從而判斷生物樣品的信息。本專(zhuān)利技術(shù)中的FP芯片傳感器的可以實(shí)現(xiàn)很窄的透射光譜寬度(< 0. 6nm)，因此具有靈敏度高、分辨率高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)；同時(shí)，具有結(jié)構(gòu)集成、體積小、穩(wěn)定性高、易于和光纖透鏡對(duì)準(zhǔn)耦合等特點(diǎn)。附圖說(shuō)明附圖，其被結(jié)合入并成為本說(shuō)明書(shū)的一部分，示范了本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施例，并與前述的綜述和下面的詳細(xì)描述一起解釋本專(zhuān)利技術(shù)的原理。圖1為具有FP諧振腔結(jié)構(gòu)的微流控芯片生物傳感器的制作流程方案一。圖2為具有FP諧振腔結(jié)構(gòu)的微流控芯片生物傳感器的制作流程方案二。圖3為具有FP諧振腔結(jié)構(gòu)的微流控芯片生物傳感器的制作流程方案三。圖4為具有FP諧振腔結(jié)構(gòu)的微流控芯片生物傳感器的制作流程方案四。圖5為測(cè)試系統(tǒng)示意圖。圖6為凹槽結(jié)構(gòu)的各種形狀示意圖。具體實(shí)施例方式為使得本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案的內(nèi)容更加清晰，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本專(zhuān)利技術(shù)的具體實(shí)施方式。其中的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)包括蒸發(fā)、濺射、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)、分子束外延(MBE)或液相外延(LPE)等常用技術(shù)。例 1首先，利用刻蝕工藝在玻璃襯底A上形成寬為h、高為d的凹槽結(jié)構(gòu)，如附圖1 (a) 所示。其次，在玻璃襯底A和B上生長(zhǎng)Si/SiOj^膜作為DBR，如附圖1(b)所示。最后，將具有凹槽結(jié)構(gòu)的襯底A與襯底B鍵合在一起，構(gòu)成FP光學(xué)諧振腔，如附圖 1 (c)所示。例 2利用刻蝕工藝在硅襯底A和B上形成凹槽結(jié)構(gòu)，如附圖2(a)所示。然后，在硅襯底A和B上生長(zhǎng)Ti02/Si0j^膜作為DBR，如附圖2(b)所示。最后，將具有凹槽結(jié)構(gòu)的硅襯底A和B鍵合形成FP光學(xué)諧振腔，如附圖2 (c)所示。例 3首先，在晶體材料(如GaAS、InP等)襯底C上，預(yù)生長(zhǎng)晶體材料刻蝕停止層D，再生長(zhǎng)厚度為h的外延層E，如附本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：曹暾，黃輝，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：曹暾，黃輝，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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