CN100468047C - 一种用于集成生化芯片的光谱微传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于集成生化芯片的光谱微传感器，属于生物学及医学检测的微型传感元件。光谱微传感器包括半导体发光器(1)或半导体光敏检测器(1′)、干涉滤光片(2)，还包括具有对导管内光波高反射和对导管外光波完全阻隔的多层薄膜的光波导管(3)；半导体发光器或半导体光敏检测器、非选择波长高截止深度和选择波长高通量的干涉滤光片(2)、光波导管(3)依次集成封装在一起，形成发光单元或检测单元，发光单元或检测单元的总体积在毫米级别或小于毫米级。本发明在微流控高聚物生物PCR芯片荧光定量分析中的荧光定量分析检测线性范围达到7～8个数量级。

Description

一种用于集成生化芯片的光谱微传感器

技术领域

本发明主要是用于集成生化芯片的光谱高敏感微检测，属于生物学及医学检测的微型传感元件。

背景技术

生化芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，由于生物芯片能够在短时间内分析大量的生物分子，使人们快速准确地获取样品中的生物和化学信息，效率是传统检测手段的成百上千倍，因而短期内呈现发展高峰。

生化芯片技术有4个基本要点:芯片制备、样品制备、生化反应和信号检测。信号检测是生化芯片技术的重要组成部分，主要包括信号产生、信号收集与传输和信号处理及识别三部分。在对生物芯片信号检测方法中，荧光光谱检测法重复性好，选择性强，是目前采用最多的方法之一。

光谱检测技术是在生物医学微检测研究中应用最广泛，灵敏度最高的检测技术之一。如各类荧光生物医学微流控芯片微检测，各类病原生物医学微阵列微检测，如各胶体金标定性定量微检测，如各固相化学试纸定性定量微检测等。

目前在研究和商业中运用于上述光谱检测技术的激发光源与荧光发射光谱检测器都为直接使用传统的已封装的半导体发光单元(如半导体发光二极管，少量使用的半导体激光器)，荧光光谱检测器都为直接使用传统的已封装的光电管，光电倍增管或电荷耦合元件及其阵列(CCD)。在这些已封装的光谱检测要素单元使用中，由于体积大和分体使用，在激发光传导和反射光采集时需要各类光学器件和光纤组成的光路进行光聚焦和传导，这样一来，影响了光谱检测系统在实际使用中的稳定性和体积小型化，由于光聚焦和传导的效率降低了应有的荧光光谱检测灵敏度。

目前尽管已有体积小型化商品化的电荷耦合元件及其阵列(CCD)扫描仪(如名片图像扫描仪)，但这类扫描仪由于为了增加像素(分辨率)，更细化了每单元感光面积从而使其灵敏度下降(相对生物医学微检测而言)，同时扫描仪的信号处理为图像成像技术，在借用到生物医学微检测领域中时，扫描结果方面存在有：图像成像信息技术处理对计算机硬件配置要求高(通常扫描仪小，但图像处理必需用台式机或笔记本电脑，从使用完整性看，不够便携式和小型专用化)，通过图像成像信息技术处理生物医学微检测检测结果，信息源浪费大，不专业，检测结果失真率高和定量分析困难，检测系统对使用者的专业经验技术水平要求高等。

在国内外芯片集成检测的技术中，对激发光单元的集成有许多研究工作，但对作为检测技术核心的检测单元集成技术报道不多。从适用于SOC集成层面看：使用光电倍增管(PMT)或电荷耦合元件阵列(CCD)作为检测技术核心的检测集成系统，只能算半SOC集成，由于体积和重量，它们不可能嵌入芯片形成真正意义上的集成。

在国内外芯片集成检测的技术的中，使用了许多光纤光传递系统。这不可避免在光纤耦合过程中光损失和带来的误差和干扰。检测并未达到零距离接触的测量方式，光谱检测受非被检测检测对象物质(如组成微通道壁物质的光学性质)的干扰。

在以上谈及的国外芯片集成检测的技术中，都是基于固定位点的静态检测，而不是对反应过程进行任意位点或全过程探测的动态实时检测。然而，检测单元的成组检测阵列的研究，将可实现检测的实时动态性，光寻址快速扫描等功能，极大扩展芯片集成检测的技术通用性。

在当前各类生物医学芯片和光谱检测技术的微型集成化，操作智能简单化的发展大趋势下，具有对导管内光波高反射和对导管外光波完全阻隔的多层薄膜的光波导管激发光源集成单元和具有对导管内光波高反射和对导管外光波完全阻隔的多层薄膜的光波导管光谱检测器集成单元集成生物芯片微检测的敏感元件及其阵列，将在其中推动各类生物医学芯片光谱检测技术的微型集成化和使用智能简单化的发展。

发明内容

本发明目的是为了解决生化芯片集成检测，满足各类生物医学芯片光谱检测技术的微型集成化，使用智能和结构简单化的发展需求；为了解决在现有的光谱检测中光损失大、误差大、难与芯片集成、光谱检测受非被检测对象物质的干扰等问题，本发明提供一种专用于生化芯片与光谱微检测集成系统的关键元件—高灵敏度光谱敏感元件及其阵列。

本发明目的可采用如下技术方案来实现，参见图1、图2：

经公知的微光机电系统(MOMEMS)加工技术加工，制作，键合和封装等处理，将半导体发光器1、微光学超薄非选择波长高截止深度和选择波长高通量的干涉滤光片2、光波导管3集成，形成发光单元。

将半导体光敏检测器1′、微光学超薄非选择波长高截止深度和选择波长高通量干涉滤光片2、光波导管3集成，形成检测单元。

在本发明中，通过镀膜的方式使光波导管柱形壁具有对导管内光波高反射和对导管外光波完全阻隔的多层薄膜4。

本发明的具体应用为：当本发明针对荧光物质5进行荧光检测时，将发光单元制作成可发射被检测荧光物质所需波长的激发光单元，将检测单元制作成只探测被检测荧光物质所发波长的光检测单元。而后将发光单元和检测单元集成封装成生物芯片微检测的高灵敏度荧光光谱传感元件，发光单元与检测单元并排布置或垂直布置，应用效果最佳。

当本发明针对吸光物质6进行光度检测时，将发光单元制作成可发射被检测吸光物质所需波长的发光单元，将检测单元制作成只探测被检测吸光物质所吸收波长的光检测单元。而后将发光单元和检测单元集成封装成生物芯片微检测的高灵敏度光度光谱传感元件，发光单元与检测单元面对面布置，应用效果最佳。

当本发明针对化学发光物质7进行化学发光检测时，只将检测单元制作成只探测被检测化学发光物质所发波长的光检测单元。而后将检测单元集成封装成生物芯片微检测的高灵敏度化学发光光谱传感元件。

上述各类单元多组联合使用可形成阵列，实现对一块生物医学芯片的多点检测，通过控制实现整体快速扫描和按时间顺序定点寻址扫描等功能。

对一块生物医学芯片的多点检测，是通过各类单元多组联合使用形成阵列。由于芯片种类多而空间小，阵列的排布需具体情况而定，但阵列的排布的目的是通过控制实现整体快速扫描反射和按时间顺序定点寻址扫描等功能。

本发明的设计原理为：其一，在使用半导体发光器集成单元时，由于采用了具有对导管内光波高反射和对导管外光波完全阻隔的多层薄膜的光波导管，发光器发出的光在超薄非选择波长高截止深度和选择波长高通量的干涉滤光片的滤光作用下，将所需波长的光无干扰地直接导达被检测对象上，同时完成光束高效耦合和整形。半导体发光器可置于由具有对内光波高反射和对外光波完全阻隔的多层薄膜的光波导管和超薄非选择波长高截止深度和选择波长高通量的干涉滤光片构成的腔内工作，该腔体的干涉滤光片与光波导管顶端粘贴并做避光处理(还可以将半导体发光器发光面与干涉滤光和光波导管顶端粘贴并做避光处理)，不需对半导体发光器的光束整形，从而简化了传统的用各类光学器件和光纤组成的光路进行光聚焦和传导系统，避免了光在聚焦和传导中带来的光损失和照射不均匀，实现激发光光波导高效率和高均匀度。

其二，与上述同样的原理，在使用半导体光敏检测集成单元时，可将光波导管直接扣住被检测对象或零距离接近被检测对象，将被检测对象所发射的特定波长的平行于光波导管的光，无干扰地导达半导体光敏检测的光敏面上。而被检测对象所发射的特定波长的不平行于光波导管的光，在具有对导管内光波高反射和对导管外光波完全阻隔的多层薄膜作用下，被光波导管导达半导体光敏检测的光敏面上。而其它杂光在超薄非选择波长高截止深度干涉滤光片作用下，被干净地阻截在半导体光敏检测器的光敏面之外，半导体发光器可置于由具有对内光波高反射和对外光波完全阻隔的多层薄膜的光波导管和超薄非选择波长高截止深度和选择波长高通量的干涉滤光片构成的腔内工作，该腔体的干涉滤光片与光波导管顶端粘贴并做避光处理(还可以将半导体光敏检测器的光敏面与干涉滤光和光波导管顶端粘贴并做避光处理)，不需对半导体光敏检测器进行光聚焦，从而提高信号噪声比，为信号放大处理高分辨率提供了基础。同时还简化了传统的用各类光学器件和光纤组成的光路进行光聚焦和传导系统，避免信号了光在聚焦和传导中带来的光损失和照射不均匀，进一步促进检测灵敏度的提高。

其三，由于上述器件经微光机电系统(MOMEMS)加工技术加工处理，可实现高灵敏度光谱敏感元件的工作面积在1～2毫米范围量级，很容易将其集成某生物芯片高灵敏度光谱敏感元件阵列，实现快速面积扫描(对于单独分散使用1～2发光单元的半导体激光器，风冷方式足够散热)，由于生物芯片微检测点少和扫描速度要求不高(相对与图像成像技术扫描而言)，在光电转换后电信号用单片微机处理即可，从而推动各类生物医学芯片光谱检测技术的微型集成化和使用智能简单化的发展。

经实验验证，本发明在微流控高聚物生物PCR芯片荧光定量分析中的荧光定量分析检测线性范围达到7～8个数量级。这个检测线性范围对于实时荧光定量PCR检测足够获得解决大部分问题的生物医疗信息。目前，已商品化的大型精密实时荧光定量PCR检测仪荧光定量分析检测线性范围也是7～8个数量级左右。

附图说明

图1：本发明的光谱微传感器，其中半导体发光器或光敏检测器的位置在光波导管外壁镀的膜外部；

(a)发光单元，(b)检测单元

图2：本发明的光谱微传感器，其中半导体发光器或光敏检测器的位置在光波导管外壁镀的膜内部；

(a)发光单元，(b)检测单元

图3：本发明对荧光物质进行荧光检测的示意图；

图4：本发明对吸光物质进行光度检测的示意图；

图5：本发明对化学发光物质进行化学发光检测的示意图；

图6：本发明的光谱微传感器阵列；

图中，1—半导体发光器，1′—光敏检测器，2—干涉滤光片，3—光波导管，4—对导管内光波高反射和对导管外光波完全阻隔的多层薄膜，5—荧光物质，6—吸光物质，7—化学发光物质，8-生物PCR荧光试剂进样口，9-风冷隔温孔，10-微流控芯片的微通道，11-微传感器阵列中光谱微传感器之一，12-生物PCR荧光试剂出样口。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的实施例。

实施例一：

本实施例的具体技术方案参见图1(a)、(b)，图1(a)为半导体发光单元，由半导体发光器1、干涉滤光片2、光波导管3集成封装而成，具有对导管内光波高反射和对导管外光波完全阻隔的多层薄膜4镀光波导在管3外部，由光学玻璃制作。半导体发光器1的发光面与干涉滤光片2封装在多层薄膜4内，半导体发光器1的其他部分位于多层薄膜的外部。

图1(b)为检测单元，由光敏检测器1′、干涉滤光片2、光波导管3集成封装而成，其他部分的结构和组成同图1(a)中的发光单元。

本实施例中的发光单元和检测单元中的光波导管不局限于图中所示的柱形，还可以为圆柱形或其他形状。

实施例二：

本实施例的具体技术方案参见图2(a)、(b)，图2(a)为半导体发光单元，由半导体发光器1、干涉滤光片2、光波导管3集成封装而成，具有对导管内光波高反射和对导管外光波完全阻隔的多层薄膜4镀在光波导管3外部，由光学玻璃制作。半导体发光器1与干涉滤光片2完全封装在多层薄膜4内，半导体发光器1的顶部也位于多层薄膜的内部。

图2(b)为检测单元，由光敏检测器1′、干涉滤光片2、光波导管3集成封装而成，其他部分的结构和组成同图2(a)中的发光单元。

本实施例中的发光单元和检测单元中的光波导管不局限于图中所示的柱形，还可以为圆柱形或其他形状。

关于实施例一、实施例二的具体应用参见图3、图4、图5、图6。

图3所示为针对荧光物质5进行荧光检测时的荧光光谱传感元件，将发光单元制作成可发射被检测荧光物质所需波长的激发光单元，将检测单元制作成只探测被检测荧光物质所发波长的光检测单元。而后将发光单元和检测单元集成封装成生物芯片微检测的高灵敏度荧光光谱传感元件，发光单元与检测单元垂直布置，也可并排布置或应用，效果最佳。图3中的发光单元采用实施例一中的发光单元，半导体发光器1的光敏面在多层薄膜之内。检测单元采用实施例二中的检测单元，光敏检测器1′、干涉滤光片2、光波导管3全部在多层薄膜4内部。

图4所示为本发明针对吸光物质6进行光度检测时，将发光单元制作成可发射被检测吸光物质所需波长的发光单元，将检测单元制作成只探测被检测吸光物质所吸收波长的光检测单元。而后将发光单元和检测单元集成封装成生物芯片微检测的高灵敏度光度光谱传感元件，发光单元与检测单元面对面布置，应用效果最佳。图4中的发光单元采用实施例一中的发光单元，半导体发光器1的光敏面在多层薄膜之内。检测单元采用实施例二中的检测单元，光敏检测器1′、干涉滤光片2、光波导管3全部在多层薄膜4内部。

图5为本发明针对化学发光物质7进行化学发光检测时，只将检测单元制作成只探测被检测化学发光物质所发波长的光检测单元。而后将检测单元集成封装成生物芯片微检测的高灵敏度化学发光光谱传感元件。图5所示的检测单元采用的是实施例一中的检测单元，半导体发光器1的光敏面在多层薄膜之内。

图6所示为发光单元或检测单元组成的阵列，20个循环的PCR微流控芯片由入口、出口、变性区94℃、扩增区72℃和退火区55℃组成，相邻温区间的小孔为隔温网格，生物PCR荧光试剂在微通道循环流动，其荧光强度逐渐增加，分布在微通道拐点处的光谱微传感器阵列可探测到荧光的变化，通过控制可实现快速扫描检测和按时间顺序光寻址快速扫描，从而获得需要的生物信息。

Claims (5)

1、一种用于集成生化芯片的光谱微传感器，包括半导体发光器(1)或半导体光敏检测器(1′)、非选择波长高截止深度和选择波长高通量的干涉滤光片(2)和具有对导管内光波高反射和对导管外光波完全阻隔的多层薄膜的光波导管(3)，其特征在于：将半导体发光器(1)或半导体光敏检测器(1′)、非选择波长高截止深度和选择波长高通量的干涉滤光片(2)、光波导管(3)依次集成封装在一起，形成发光单元或检测单元，发光单元或检测单元的总体积在毫米级别或小于毫米级。

2、根据权利要求1所述的一种用于集成生化芯片的光谱微传感器，其特征在于：半导体发光器(1)采用发光二极管或半导体激光器。

3、根据权利要求1所述的一种用于集成生化芯片的光谱微传感器，其特征在于：半导体光敏检测器(1′)为反射光谱检测器。

4、根据权利要求1所述的一种用于集成生化芯片的光谱微传感器，其特征在于：所述的干涉滤光片(2)的厚度在9mm以下。

5、根据权利要求1所述的一种用于集成生化芯片的光谱微传感器，其特征在于：所述的发光单元或检测单元组成的光谱微传感器组成具有光寻址快速扫描功能的阵列。

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