CN103245639A - 一种wgm体系硅基光磁式生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种WGM体系硅基光磁式生物传感器，包括激光器，石英，锥形光纤，通气口，采样通道，微腔，光电探测器，计算机，温度控制器和排水道，所述激光器通过锥形光纤与所述石英连接且在整个装置的一端，所述光电探测器和所述计算机安装在所述整个装置的另一端，所述石英安装在所述温度控制器的上方，所述温度控制器上的中间还安装有所述微腔，所述微腔的左端是通气口和所述采样通道，所述右端是排水道，所述采样通道在所述通气口之间。采用本发明技术方案，通过微流控系统允许微型化和集成化的复杂功能，可以实现最小量分析物的处理；毛细作用力可以使每一种溶液进入到微流体通道中；利用锥形光纤实现了与WGM光学微腔消逝场耦合。

Description

一种WGM体系硅基光磁式生物传感器

技术领域

本发明涉及一种WGM体系硅基光磁式生物传感器。 

背景技术

根据全球工业界分析的最新报道，预计到2015年全球的传感器市场份额将达到742亿美元。目前，全球传感器市场在持续变化中呈现快速增长的趋势。在现代的科学技术发展中，传感器作为获取大量人类感官无法直接得到的信息载体而具有突出的地位。在世界范围内，传感器技术将朝着微型化，集成化，智能化方向发展。 

WGM（回音壁模式）体系光学谐振腔具有超高的Q值（大于10的8次方）可以通过在界面连续的内部全反射把光能限制在微腔结构中。在电介质体积内的光传输使得光能存储在某个特定的频率，从而在很宽广的范围内例如腔量子电动力学、光子学、非线性光学和生物传感领域有非常重要的应用价值。目前的单分子探测技术需要对目标分子进行标识，而基于超高Q值的光学谐振式WGM体系共振波长的移动则可以实现无标单分子检测。 

目前恶性肿瘤、心血管疾病、肾病等是死亡率较高，威胁人类健康的重大疾病。特别是恶性肿瘤，由于分析和检测手段的限制，既制约了生物学家对其病理学机理的研究，更阻碍了其早期发现和诊断，致使许多患者在发现患病时已错过了治疗的最佳时期。WGM微腔具有极高的品质因数（Q 值），分子附着造成光程改变和谐振腔的损耗，从而大大增强了谐振波长的移动量和Q值衰减，使该传感方式获得了接近单分子水平的探测灵敏度。然而，目前基于WGM体系光学谐振腔检测方式对光谱仪的分辨率要求极高（分辨率需要达到1fm）, 在此我们提出了基于表面修饰纳米Au WGM体系光学谐振腔和磁珠结合的生物传感器以实现波长移动的增强，从而可以实现更小的单个RNA病毒的探测。此种传感器用于癌症检测方面，将使肿瘤的大面积筛查和早期发现和诊断成为可能。 

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提供一种WGM体系硅基光磁式生物传感器。 

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现： 

一种WGM体系硅基光磁式生物传感器，包括激光器，石英，锥形光纤，通气口，采样通道，微腔，光电探测器，计算机，温度控制器和排水道，所述激光器通过锥形光纤与所述石英连接且在整个装置的一端，所述光电探测器和所述计算机安装在所述整个装置的另一端，所述石英安装在所述温度控制器的上方，所述温度控制器上的中间还安装有所述微腔，所述微腔的左端是排水道，右端所述通气口和所述采样通道，所述采样通道在所述通气口之间。

进一步的，所述激光器采用可调近红外激光器，激光波长是1300或者1550 nm，精细调节范围高于光学谐振腔谱线宽度，激光器线宽远小于谐振谱线宽度；所述石英作为微流体可控通道实现近红外光的高透过率。 

进一步的，所述锥形光纤由单模光纤采用湿法腐蚀法或者熔融拉锥法制备成双锥形结构，锥形光纤的锥区区域中光传输的能量大部分以消逝场的形式存在，可用于有效激发光学微腔谐振模式；所述通气口通过制备疏水节点和引入压缩空气阻止或者引入纳升的液滴。 

进一步的，所述采样通道利用光刻和键合技术实现微流体通道的加工，毛细作用力可以使每一种溶液进入到微流体通道中；所述微腔结合光刻、干法刻蚀和选择性回流工艺实现高Q硅基WGM环形光学谐振腔的制备。 

进一步的，所述光电探测器波长检测范围在800到1700 nm之间；所述计算机结合数据采集系统实现信号的检测；所述温度控制器的温度稳定性为0.1℃；所述排水道的排水是利用光刻、湿法刻蚀方法实现。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 

当蛋白分子与光学谐振腔表面相互作用时回音壁模式会发生改变，根据共振条件，半径或者折射率的增加将会导致回音壁模式的红移。对于在水溶液中经过光学吸收Q值限制在2×10⁶，如果选择的波长是1300 nm，仅仅允许非常薄的一层物质吸附到共振腔的表面，此种情况下共振波长的移动下降到6 fm。要探测如此之小的波长移动量对光谱仪的分辨率提出了极高的要求，在此我们利用纳米Au壳包覆WGM光学谐振腔表面结合磁珠来实现共振波长移动的增强，从而达到只利用一个裸的WGM光学谐振腔无法实现的更小的生物-纳米颗粒的探测。利用单偶极子激发的等离子体纳米Au壳结合磁珠双抗夹心的方法实现光学腔共振波长移动的增强（由于纳米颗粒进入到消逝场导致了WGM谐振波长的移动，通过一级理论近似，波长的移动正比于极化纳米颗粒的局域场周期平均功与腔内周期平均能量的比值，这种传感原理导致的波长移动也正比于质量，基于纳米壳偶极等离子体增强的方法可以实现放大的波长移动探测），以期基于此种传感原理提出的硅基WGM光磁式生物传感器实现单分子检测应用价值。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。 

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 

图1为本发明的结构示意图；

图2为硅基盘式WGM光学谐振腔制备工艺过程示意图；

图3为WGM光学微腔测试系统示意图。

图中标号说明：1、激光器，2、石英，3、锥形光纤，4、通气口，5、采样通道，6、微腔，7、光电探测器，8、计算机，9、温度控制器，10、排水道。 

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。 

一种WGM体系硅基光磁式生物传感器，包括激光器1，石英2，锥形光纤3，通气口4，采样通道5，微腔6，光电探测器7，计算机8，温度控制器9和排水道10，其特征在于，所述激光器1通过锥形光纤3与所述石英2连接且在整个装置的一端，所述光电探测器7和所述计算机8安装在所述整个装置的另一端，所述石英2安装在所述温度控制器9的上方，所述温度控制器9上的中间还安装有所述微腔6，所述微腔6的左端是排水道10，右端所述通气口4和所述采样通道5，所述采样通道5在所述通气口4之间。 

进一步的，所述激光器1采用可调近红外激光器，激光波长是1300或者1550 nm，精细调节范围高于光学谐振腔谱线宽度，激光器线宽远小于谐振谱线宽度；所述石英2作为微流体可控通道实现近红外光的高透过率。 

进一步的，所述锥形光纤3由单模光纤采用湿法腐蚀法或者熔融拉锥法制备成双锥形结构，锥形光纤的锥区区域中光传输的能量大部分以消逝场的形式存在，可用于有效激发光学微腔谐振模式；所述通气口4通过制备疏水节点和引入压缩空气阻止或者引入纳升的液滴。 

进一步的，所述采样通道5利用光刻和键合技术实现微流体通道的加工，毛细作用力可以使每一种溶液进入到微流体通道中；所述微腔6结合光刻、干法刻蚀和选择性回流工艺实现高Q硅基WGM环形光学谐振腔的制备。 

进一步的，所述光电探测器7波长检测范围在800到1700 nm之间；所述计算机8结合数据采集系统实现信号的检测；所述温度控制器9的温度稳定性为0.1℃；是排水道10的排水是利用光刻、湿法刻蚀方法实现。 

本发明通过以下方案实现的： 

（一）由于WGM体系介电材料微腔能够把光能在较长时间内储存在微观空间尺度，因此有着特殊的利用价值。如何制备高Q值WGM体系光学谐振微腔是我们的首要任务。根据材料自身的性质，表面张力所形成的的微腔例如液滴和球形相比所有其他介电材料微腔结构在光子寿命和腔Q值方面更有优势，WGM光学微腔的特点如图1所示。

在介电材料体积内光的循环使光能储存在某个特定的频率，因而在很宽泛的领域有重要的应用价值，光在一定体积内的传输性能强烈依赖于界面质量。在一个近乎于原子尺寸范围内表面终结面，表面张力所形成的例如液滴和球体比其他的介电材料微腔有着优越的性能。尽管如此，在制备过程中这种体系的物理特性是不容易控制的。众所周知，基于晶圆的微腔是易于实现可控制备的。然而，这种芯片上的微腔相比由表面张力所形成的有着较低的Q值，因而不利于超高Q值实验。在此，我们结合光刻、干法刻蚀和选择性回流工艺实现高Q硅基WGM环形光学谐振腔的制备（具体制备过程如图1所示），制备高Q值硅基WGM光学环形谐振腔的具体步骤如下： 

1、湿式与干式氧化结合的方式在硅（100）衬底上制备高质量5微米以上厚度二氧化硅层(或者利用PECVD沉积SiO₂，通过退火后处理过程可制备高质量SiO₂层)；

2、采用E-beam刻蚀和紫外曝光技术制备盘式二氧化硅图形；

3、通过优化工艺实现二氧化硅层的湿式腐蚀或者干式刻蚀，实现圆盘结构光滑表面以减小光散射；

4、利用感应耦合等离子体（ICP）设备或者化学腐蚀的方法制备悬空盘式二氧化硅结构；

5、最后利用二氧化碳激光器制备环形WGM光学谐振腔（或者利用离子束技术对盘式二氧化硅边缘进行修饰）以提高Q值。

（二）研究临界耦合条件是波导耦合到微腔最基本的性质，对一个匹配的系统来说内部微腔损失和波导耦合损失需要达到相等值，在共振情况下所导致的波导输出等于零。利用锥形光纤波导的优点是：它可以沿着微腔放置，在输入光束方向上允许简单的聚焦和对准，同时也允许输出光束的收集。最重要的是，在临界耦合情况下可以有效的滤掉其他光学模式。锥形光纤或者光波导结构与WGM环形谐振腔光学耦合（有两种方法可以考虑），光学微腔测试系统示意图如图2所示，可以采用以下两个技术路线实现WGM光学微腔与锥形光纤或者光波导的耦合： 

1、利用湿法腐蚀的方法制备腰锥直径为1个微米表面光滑的锥形光纤，用高精度纳米位移平台实现锥形光纤与环形WGM光学谐振腔消逝场的耦合；

2、利用E-beam制备光波导与盘式结构，再用二氧化碳激光器来优化光波导与盘式结构的耦合。

（三）通过梯度力实现纳米Au组装到WGM光学腔表面（由于SiO2光学腔表面和纳米Au都带有表面负电荷，增加溶液电导率的方法可以减少静电场力），通过光散射或者共振波长的移动来检测纳米Au与光学腔表面结合位点的均一性。在硅基WGM环形谐振腔表面组装纳米Au、修饰蛋白质、固定抗体，结合磁珠双抗夹心的方法，通过消逝场耦合使被测物获得近场激发和探测，获得谐振波长移动的增强信息。 

（四）磁珠在癌症细胞分离、特定核酸序列的鉴定、遗传分析和DNA固定蛋白方面都有着重要的价值。利用磁分离技术，通过连接磁珠与单克隆抗体、DNA或者链霉亲和素，确保了与特定目标物的相互作用。通过引入外部磁场，研究对象被进一步简化了。基于磁分离技术WGM体系生物传感器检测原理，利用磁珠对WGM体系生物传感器实现共振波长移动增强以提高探测灵敏度，用固定抗体和捕捉抗体夹心法实现抗原的检测）。 

（五）微流控系统允许微型化和集成化的复杂功能，可以实现最小量分析物的处理。需要建立能够抽取、移动和混合小体积流体的严格标准，这就要利用微型组件和可控驱动。这里我们利用光刻和键合技术实现微流体通道的加工，毛细作用力可以使每一种溶液进入到微流体通道中。通过制备疏水节点和引入压缩空气阻止或者引入纳升的液滴，利用锥形光纤实现与WGM光学微腔消逝场耦合。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种WGM体系硅基光磁式生物传感器，包括激光器（1），石英（2），锥形光纤（3），通气口（4），采样通道（5），微腔（6），光电探测器（7），计算机（8），温度控制器（9）和排水道（10），其特征在于，所述激光器（1）通过锥形光纤（3）与所述石英（2）连接且在整个装置的一端，所述光电探测器（7）和所述计算机（8）安装在所述整个装置的另一端，所述石英（2）安装在所述温度控制器（9）的上方，所述温度控制器（9）上的中间还安装有所述微腔（6），所述微腔（6）的左端是排水道（10），右端所述通气口（4）和所述采样通道（5），所述采样通道（5）在所述通气口（4）之间。

2.根据权利要求1所述的WGM体系硅基光磁式生物传感器，其特征在于，所述激光器（1）采用可调近红外激光器，激光波长是1300或者1550 nm，精细调节范围高于光学谐振腔谱线宽度，激光器线宽远小于谐振谱线宽度；所述石英（2）作为微流体可控通道实现近红外光的高透过率。

3.根据权利要求1所述的WGM体系硅基光磁式生物传感器，其特征在于，所述锥形光纤（3）由单模光纤采用湿法腐蚀法或者熔融拉锥法制备成双锥形结构，锥形光纤的锥区区域中光传输的能量大部分以消逝场的形式存在，可用于有效激发光学微腔谐振模式；所述通气口（4）通过制备疏水节点和引入压缩空气阻止或者引入纳升的液滴。

4.根据权利要求1所述的WGM体系硅基光磁式生物传感器，其特征在于，所述采样通道（5）利用光刻和键合技术实现微流体通道的加工，毛细作用力可以使每一种溶液进入到微流体通道中；所述微腔（6）结合光刻、干法刻蚀和选择性回流工艺实现高Q硅基WGM环形光学谐振腔的制备。

5.根据权利要求1所述的WGM体系硅基光磁式生物传感器，其特征在于，所述光电探测器（7）波长检测范围在800到1700 nm之间；所述计算机（8）结合数据采集系统实现信号的检测；所述温度控制器（9）的温度稳定性为0.1℃；所述排水道（10）的排水是利用光刻、湿法刻蚀方法实现。

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