CN101788473B - 微型自相干生物化学传感器及其检测方法 - Google Patents

微型自相干生物化学传感器及其检测方法 Download PDF

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本发明是一种微型自相干生物化学传感器及其检测方法，该传感器自上至下顺序设有覆盖层(2)、生物化学溶液(3)、基底(4)、遮挡板(6)、探测器(5)，台阶(1)插入覆盖层(2)、生物化学溶液(3)位于基底(4)上，平行入射单色光(7)垂直入射于台阶(1)和覆盖层(2)的上表面；在遮挡板(6)中设有透光孔(8)，该透光孔(8)位于台阶(1)边缘下方的位置。解决了背景技术中器件所占体积较大、检测需要加入标记、制作复杂、成本较高等技术问题。

Description

微型自相干生物化学传感器及其检测方法
技术领域
本发明涉及到一种微型生物、化学传感器，和利用所述生物、化学传感器检测待分析物的一种方法。
背景技术
在医学分析、环境监视、生物技术、药品制造和食品加工等领域，经常需要对一些化学量和生物量进行检测和分析。生物化学传感器已成为对生物、化学分子的相互作用进行检测的主要工具。传统的生物化学传感器如免疫标定法需要加入其他物质进行标记，这样会破坏原物质。而运用表面等离子体波共振进行生物化学传感与传统方法相比不需要加入其他物质，也可以进行实时检测。但是表面等离子体共振传感器主要还是局限于实验室。这是因为这类传感器还有一些缺点：如用Kretschmann方法时，棱镜等器件所占体积较大，不利于器件的小型化；而基于表面等离子体超常透射原理设计的传感器虽然体积很小，但是制作非常困难，不利于市场化推广。
背景技术文件：
1.S.Y.Wu，H.P.Ho，W.C.Law，C.Lin，and S.K.Kong，“Highlysensitive differential phase-sensitive surface plasmon resonancebiosensor based on the Mach-Zehnder configuration，”Opt.Lett.29(20)，2378-2380(2004).
2.T.Yang，H.P.Ho.“Computational investigation of nanohole arraybased SPR sensing using phase shift，”Opt.Exp.17(13)，11205-11216(2009).
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种微型生物、化学传感器及其检测方法，其解决了背景技术中器件所占体积较大、检测需要加入标记、制作复杂、成本较高等技术问题。
技术方案：本发明为一种生物、化学传感器及其检测方法。该传感器自上至下顺序设有覆盖层、生物化学溶液、基底、遮挡板、探测器，台阶插入覆盖层、生物化学溶液位于基底上，平行入射单色光垂直入射于台阶和覆盖层的上表面；在遮挡板中设有透光孔，该透光孔位于台阶边缘下方的位置。
所述台阶可为凹槽构建在基底内，在凹槽中有生物化学溶液，这些溶液被一层覆盖层密封。
所述台阶或凹槽、基底以及覆盖层是透光材料，空腔的高度应尽可能地高，这样当溶液内的有效折射率变化时，相位的变化更加明显；为了防止溶液深度影响干涉结果，溶液必须充满整个由基底和覆盖层之间形成的空腔。
微型自相干生物化学传感器的检测方法在于平行入射单色光垂直向下入射，在台阶的边缘发生分束，一束依次经过台阶、基底到达探测器；还有一束从台阶的旁边依次经过覆盖层、生物化学溶液、基底到达探测器；当生物化学溶液的有效折射率发生变化，探测器所测到的相干光强或功率也会发生变化，从而实现对生物化学溶液中的生物化学分子的检测。
所述的探测器用于测量相干光的强度或功率，为了提高信噪比，并不用探测器的整个面元探测，而是用一个遮挡物把大部分面元遮住，只留一个小于波长的小孔用于透过相干光，其位置在台阶的边缘下方。
所述的台阶的形状可以是不规则的形状，只要能够确保经过台阶或凹槽出射的光与经过基底出射的光由于相位差不同产生干涉，并由底部的探测器能够测到相干光的功率或强度。
有益效果：
1、体积小，易于集成，可用于微流控系统。
2、不需要加入其他标记，操作简单方便，且可以实现实时探测。
3、制作成本低。可用玻璃或聚合物材料(如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)。而台阶(或凹槽)的制作可以采用光刻，或离子束刻蚀，或模压等多种成熟的工艺手段，可以借鉴半导体产业的成熟工艺技术，所以整个传感器的成本较低。
4、通过相位变化探测，探测精度高。
附图说明
图1是本发明的结构原理图(台阶型)。
图2是图1的横截面示意图。
图3是本发明的另一结构图(凹槽形)。
图4是图3的横截面示意图。
以上的图中有：台阶1、覆盖层2、生物化学溶液3、基底4、探测器5、遮挡板6、平行入射单色光7、透光孔8。
具体实施方式
微型自相干生物化学传感器包括由一个台阶(或凹槽)构成的微型干涉仪。其原理是：平行入射的一束单色光在台阶(或凹槽)的边缘分束，通过台阶(或凹槽)和不通过台阶(或凹槽)的出射光相位不同，那么这两束光在台阶(或凹槽)的边缘下方将会发生干涉。如果台阶旁(或凹槽中)有生物化学溶液。当这些溶液中的生物化学分子发生微小变化，那么其折射率也将改变。这时，台阶(或凹槽)的边缘下方的相干光强将会发生变化，由此就可以通过一个光功率计或其他探测器检测到生物化学分子发生的微小变化。
上述台阶(或凹槽)构建在基底上(内)。在台阶旁(或凹槽中)有生物化学溶液，这些溶液被一层覆盖层密封。为了防止溶液深度影响干涉结果，溶液必须充满整个由基底和覆盖层之间形成的空腔。台阶(或凹槽)、基底以及覆盖层可以是透光材料，如玻璃或聚合物材料。空腔的高度应尽可能地高，这样当溶液内的有效折射率变化时，相位的变化更加明显。
上述台阶(或凹槽)的边缘下方有一个光功率计或其他探测器用于测量相干光的强度或功率。为了提高信噪比，并不用探测器的整个面元探测。而是用一个遮挡物把大部分面元遮住，只留一个小孔(小于波长)用于透过相干光，其位置在台阶(或凹槽)的边缘下方。
上述台阶(或凹槽)的形状可以是不规则的形状。只要能够确保经过台阶(或凹槽)出射的光与经过基底出射的光由于相位差不同产生干涉，并由底部的探测器能够测到相干光的功率或强度。
参见图1，可以采用一个长方体台阶1放置在基底4上，基底4的上方是生物化学溶液3，基底4的下方是探测器5，在生物化学溶液的上方有覆盖层2。生物化学溶液充满整个覆盖层2与基底4间的空隙。长方体台阶1、覆盖层2和基底4都采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
参见图2，图2是图1的截面示意图。当经过准直后的入射光7向下垂直入射。在台阶1的边缘将会发生分束，一束依次经过台阶1、基底4到达探测器5；还有一束从台阶1的旁边依次经过覆盖层2、生物化学溶液3、基底4到达探测器5。为了提高信噪比，我们采用一层遮挡板6遮住探测器5的大部分面积。只留一个比波长还要小的小孔用来透光，使得探测器可以探测到这两束光在基底4底部的相干光强或功率。小孔的位置在台阶1边缘的正下方。当生物化学溶液3的有效折射率发生变化，那么探测器5所测到的相干光强或功率也会发生变化。从而实现对生物化学溶液中的生物化学分子的检测。
或采用如图3所示的凹槽结构。在基底4中有一个狭长的凹槽里面充满生物化学溶液3。生物化学溶液3的上面有覆盖层2。基底4的下方是探测器5。覆盖层2和基底4都采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
参见图4，图4是图3的截面示意图。当经过准直后的入射光7向下垂直入射。在凹槽的边缘将会发生分束，一束依次经过基底4到达探测器5；还有一束依次经过覆盖层2、生物化学溶液3、基底4到达探测器5。为了提高信噪比，我们采用一层遮挡板6遮住探测器5的大部分面积。只留一个比波长还要小的小孔用来透光，使得探测器可以探测到这两束光在基底4底部的相干光强或功率。小孔的位置在凹槽边缘的正下方。当生物化学溶液3的有效折射率发生变化，那么探测器5所测到的相干光强或功率也会发生变化。从而实现对生物化学溶液中的生物化学分子的检测。

Claims (6)

1.一种微型自相干生物化学传感器，其特征在于该传感器自上至下顺序设有覆盖层(2)、生物化学溶液(3)、基底(4)、遮挡板(6)、探测器(5)，台阶(1)插入覆盖层(2)和生物化学溶液(3)，并位于基底(4)上，平行入射单色光(7)垂直入射于台阶(1)和覆盖层(2)的上表面；在遮挡板(6)中设有透光孔(8)，该透光孔(8)位于台阶(1)边缘下方的位置；其中台阶(1)为透光的材料；经过台阶出射的光与经过基底出射的光由于相位差不同产生干涉，并由底部的探测器测到相干光的功率或强度。
2.根据权利要求1所述的微型自相干生物化学传感器，其特征在于所述台阶(1)可为凹槽构建在基底(4)内，在凹槽中有生物化学溶液，这些溶液被一层覆盖层(2)密封。
3.根据权利要求2所述的微型自相干生物化学传感器，其特征在于所述台阶或凹槽、基底以及覆盖层是透光材料，由基底和覆盖层之间形成的空腔的高度应尽可能地高，这样当溶液内的有效折射率变化时，相位的变化更加明显；为了防止溶液深度影响干涉结果，溶液必须充满整个由基底和覆盖层之间形成的空腔。
4.一种如权利要求1所述的微型自相干生物化学传感器的检测方法，其特征在于平行入射单色光(7)垂直向下入射，在台阶(1)的边缘发生分束，一束依次经过台阶(1)、基底(4)到达探测器(5)；还有一束从台阶(1)的旁边依次经过覆盖层(2)、生物化学溶液(3)、基底(4)到达探测器(5)；当生物化学溶液(3)的有效折射率发生变化，探测器(5)所测到的相干光强或功率也会发生变化，从而实现对生物化学溶液中的生物化学分子的检测。
5.根据权利要求5所述的微型自相干生物化学传感器的检测方法，其特征在于所述的探测器(5)用于测量相干光的强度或功率，为了提高信噪比，并不用探测器的整个面元探测，而是用一个遮挡物把大部分面元遮住，只留一个小于波长的小孔用于透过相干光，其位置在台阶的边缘下方。
6.根据权利要求5所述的微型自相干生物化学传感器的检测方法，其特征在于所述的台阶(1)的形状可以是不规则的形状，只要能够确保经过台阶或凹槽出射的光与经过基底出射的光由于相位差不同产生干涉，并由底部的探测器能够测到相干光的功率或强度。
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