CN103323428A - 光子共振器件、光子共振检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光子共振器件、光子共振检测系统及其检测方法。所述光子共振器件包括：衬底；以及衬底上形成的波导层，其特征在于，在波导层上形成有一个或多个通道，每个通道包括具有相邻共振条件的多个单元，以及当光子共振器件在共振条件下被照射时，入射到所述光子共振器件的光在所述波导层内传播并且与生物分子或本体溶液反应。由于本发明的光子共振器件的每个通道上均设置了具有相邻共振条件的多个单元，因此当采用本发明的光子共振器件进行生物分子检测或者本体溶液折射率检测时，每个通道都将会产生一个分布曲线，而分布曲线本身能够提供更加可靠的测量结果。

Description

光子共振器件、光子共振检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及共振技术领域，具体地讲，涉及光子共振器件、光子共振检测系统及其检测方法。

背景技术

共振技术在检测芯片表面的有效折射率变化方面作用显著，包括表面等离子体共振（SPR）技术和介质共振波导（RWG）技术。这两种技术中，介质共振波导技术在诸如要检测生物分子的大小、检测角度等方面的灵活性相对较大。

介质共振波导光栅能够基于有效折射率变化导致的共振响应来进行无标记检测，其主要应用于本体折射率感测或者固定在芯片表面上的样品的生物感测。可以通过共振响应的偏移或者通过在固定的光谱角度光学构造中测量的衍射效率的变化，来测量共振条件变化。虽然共振响应的偏移由于基于强度序列而不是一个点是更加可靠的测量，然而其却依赖于昂贵的仪器。

当前，利用导模共振效应已经开发出了成本效率较高而且小型的系统来对入射光进行光谱分辨。例如，在参考文献1）美国专利No.7,483,127B1；2）“Fabrication of a graded-wavelength guided-moderesonance filter photonic crystal”,APPLIED PHYSICS LETTERS89,123113(2006)；3）“Optimally designed narrowband guided-moderesonance reflectance filters for mid-infrared spectroscopy”,21November2011/Vol.19,No.24/OPTICS EXPRESS24182；以及4）“Compact wavelength detection system incorporating a guided-moderesonance filter”,Applied Physics Letters90,081103(2007)中均对此进行了描述。这些参考文献将以引用方式整体并入本文。

其中，一种分级波长导模共振滤波器（guided-wavelength filter,GWF）如图41所示，其包括玻璃衬底100′、玻璃衬底100′上形成的周期性结构的多孔玻璃薄膜101′（其折射率RI=1.17）以及周期性调制层TiO₂，该TiO₂层的厚度在所示的梯度方向上变化，使得每556个周期有1nm厚的厚度增加。对于这种滤波器而言，当有入射光照射时，只有与入射光束发生共振的区域会出现透射倾斜（dip intransmission）。随着入射光束波长变化，在不同空间位置出现共振，并且能够表现出透射倾斜的偏移。

与该典型的分级波长滤波器相似，上述参考文献中的这种滤波器均利用单个结构的光栅，因此无法实现通常所需要的多路检测，其目的也仅仅是确定光源波长或者用于荧光光谱法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光子共振器件、光子共振检测系统及其检测方法，使得能够通过简单的仪器和较高的灵敏度来感测引起光子共振器件附近的光学指数变化的因素，例如光子共振器件表面附近的生物分子的结合或者本体介质的变化所引起的改变。利用本发明所公开的光子共振器件，能够获得数据信息更多以及结果更加可靠的分布曲线（反射率、折射率或者衍射效率的分布曲线），利用分布曲线的偏移来提供对生物分子或者本体溶液折射率的更加可靠的检测。

本发明与现有技术不同之处在于，本发明利用多个光栅（检测单元）作为一个检测通道，使用单个波长，来关注光栅表面附近的成分变化所引起的光学指数的变化。本发明通过以多个光栅作为一个检测通道能够感测到光学指数的强度序列，而不是一个点，因此能够利用一个通道得到有关一种分析物的曲线分布，从而能够获得更多的数据信息，提供更加可靠的测试结果。

为此，本发明提供了一种光子共振器件，其包括：衬底；以及衬底上形成的波导层，其特征在于，在波导层上形成有一个或多个通道，每个通道包括具有相邻共振条件的多个单元，以及当光子共振器件在共振条件下被照射时，入射到所述光子共振器件的光在所述波导层内传播并且与生物分子或本体溶液反应。

所述多个通道可以相同。

所述多个通道可以不同。

所述多个通道可以以二维形式或者一维形式布置在所述光子共振器件上。

所述多个通道可以垂直地或者水平地排列在所述波导层上。

优选地，每个通道的多个单元的几何参数连续变化，以实现相邻共振条件的多个单元。

优选地，每个通道的多个单元的几何参数逐步变化，以实现相邻共振条件的多个单元。

优选地，每个通道的多个单元的几何参数的变化包括连续变化和逐步变化。

优选地，每个通道的多个单元是多个共振波导线性光栅。

优选地，多个共振波导线性光栅的光栅周期、占空比、波导层厚度、波导层折射率和光栅蚀刻深度中的一个或多个连续变化。

优选地，多个共振波导线性光栅的光栅周期、占空比、波导层厚度、波导层折射率和光栅蚀刻深度中的一个或多个逐步变化。

优选地，多个共振波导线性光栅的光栅周期、占空比、波导层厚度、波导层折射率和光栅蚀刻深度中进行变化以实现具有相邻共振条件的多个单元的参数包括逐步变化的参数和连续变化的参数。

优选地，多个共振波导线性光栅的周期为亚波长并且处于（Λ-0.2Λ，Λ+0.2Λ）范围内，其中Λ表示周期。

优选地，多个共振波导线性光栅的占空比逐步变化，相邻的两个共振波导线性光栅的占空比之差小于0.01。

优选地，多个共振波导线性光栅的波导层厚度从通道的第一端到第二端连续变化，第一端的波导层厚度是第二端的波导层厚度的二倍。

优选地，多个共振波导线性光栅的光栅蚀刻深度从通道的第一端到第二端连续变化，第一端的光栅蚀刻深度是第二端的光栅蚀刻深度的二倍。

优选地，多个共振波导线性光栅的波导层折射率从通道的第一端到第二端连续变化，第一端的波导层折射率是第二端的波导层折射率的二倍。

优选地，所述衬底由低折射率材料形成，而所述波导层和波导层上形成的多个通道由高折射率材料形成。

所述低折射率材料是玻璃、塑料或环氧树脂，而所述高折射率材料是二氧化钛、二氧化钽、二氧化铪、氮化硅、氧化铟锡、UV固化材料、热固化材料、聚合物、陶瓷及其组合。

优选地，所述衬底包括多层材料。

每个通道的多个单元可以是多个2D光子晶体。

所述多个2D光子晶体为由以下形状组成的组中的不同形状：正方形、三角形、圆形、椭圆形、卵形、线形、正弦波形、矩形、金字塔形、以及同心圆环形。

本发明还提供了一种光子共振检测系统，包括：上述光子共振器件；光源，用于发光，来照射光子共振器件；以及检测器，测量从光子共振器件输出的光信号，其特征在于，从光源发出、入射到光子共振器件的光在光子共振器件中传导并且与光子共振器件表面附近的生物分子或者本体溶液反应，然后从光子共振器件输出所述光信号。

所述检测器可以测量来自所述光子共振器件的二维信号。

所述光子共振检测系统还可以包括：样品池，其设置在光子共振器件的正面，用于容纳要检测的生物分子或本体溶液。

所述样品池可以包括用于容纳要测的生物分子或本体溶液的多个独立的腔室。

在所述光子共振检测系统中，两个相邻通道可以容纳在一个独立的腔室内，其中一个通道用作基准通道，而另一个通道用作检测通道。

所述检测器可以包括照相机。

所述光源可以选自发光二极管、钨丝灯、卤素灯、氙弧灯和激光器组成的组中的任意一个。

所述光源可以发出白光、UV光或IR光。

所述光子共振检测系统还包括单色仪，从所述光源发出的光通过所述单色仪之后形成单色光、入射到所述光子共振器件。

所述光子共振检测系统还可以包括偏振器，从所述光源发出的光通过所述偏振器和所述单色仪之后形成单色偏振光、入射到所述光子共振器件。

所述光子共振检测系统还可以包括分束器，所述单色光通过所述分束器反射到所述光子共振器件，而从所述光子共振器件输出的光信号通过所述分束器透射到所述检测器。

所述光子共振检测系统还可以包括远心透镜，该远心透镜置于所述分束器和所述光子共振器件之间的光路径上，用于将分束器反射的光垂直入射到光子共振器件上。

所述光子共振检测系统还可以包括预散射元件，从光源发出的光通过所述预散射元件形成不同波长的光、入射到光子共振器件，以满足每个通道的包括共振波长和共振角度的特定照射条件。

所述光子共振检测系统还可以包括两个偏振器，这两个偏振器置于光子共振器件和检测器之间，用于针对光子共振器件上的不同部分来选择不同的偏振。

本发明还提供了一种采用上述光子共振检测系统来检测生物分子的方法，包括：将光源发出的光照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第一光信号；将光子共振器件表面上的成分与要检测的生物试剂中的生物分子进行反应；将光源发出的光再次照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第二光信号；以及利用第一光信号与第二光信号之间的空间偏移来计算与光子共振器件表面上的成分发生反应的生物分子数量。

本发明还提供了一种采用上述光子共振检测系统来检测溶液本体折射率的方法，包括：将光源发出的光照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第一光信号；将光子共振器件表面与要检测的溶液接触；将光源发出的光再次照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第二光信号；以及利用第一光信号与第二光信号之间的空间偏移来计算与光子共振器件接触的溶液的本体折射率。

为了制造目的，几何参数可以连续变化，虽然结构上的变化是连续的，但是每个单元的几何参数在检测器的一个像素量级上可以视为局部恒定，也就是说，可以将这种结构建模成几何参数逐步变化的多个单元。由于这些单元非常小，因此可以针对每个单元给其参数赋予一个值，即每个非常小的单元可以具有一个特定的值的几何参数。

光源发出的光可以是UV光或者IR光，而本发明的光子共振器件可以基于入射波长调整几何参数大小，以实现包括具有相邻共振条件的多个单元的每个通道。

在光子共振检测系统不包括偏振器的情况下，非共振信号分量将作为背景出现，但是可以通过已知方法来处理这些无用信号。而在系统包括偏振器的情况下，不会产生非共振信号分量，因此不需要后续的对无用信号进行处理的步骤。

本发明的光子共振器件包括衬底、设置在衬底上的波导层、以及在波导层上设置的多个通道，每个通道包括具有相邻共振条件的多个单元。由于每个通道上均设置了具有相邻共振条件的多个单元，因此当采用本发明的光子共振器件进行生物分子检测或者本体溶液折射率检测时，每个通道都将会产生一个分布曲线（即，强度序列），而分布曲线本身能够提供更加可靠的测量结果。由于在本发明的光子共振器件上设置了多个通道，因此可以进行多路测量，例如，可以将其中一个路作为基准（即，对照），而另一路作为检测通道，根据从两个通道所测得的强度序列的偏移来检测光子共振器件表面上的生物分子的结合（其中涉及到生物分子亲和力测量）或者本体溶液折射率的变化，其中，分析物可以是蛋白质、细胞、肽、抗体、核酸或杀虫剂等。由于本发明的光子共振器件以及包括该光子共振器件的光子共振检测系统是通过光学指数变化（例如折射率变化）来检测光子共振器件表面上生物分子的变化和本体溶液折射率的变化，因此对于生物检测而言是一种无标记的生物检测；另外，由于本发明的改进之处在于检测芯片本身，而由于检测芯片本身是检测系统本身必须的元件，因此本发明所提供的光子共振器件及其光子共振检测系统都能够

节省制造成本。

附图说明

通过结合附图的以下描述，将会更容易地理解本发明并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件的俯视图，以及采用根据本发明的光子共振器件结合生物分子前后所得到的有关反射率的曲线图；

图3至图9示出了根据本发明的光子共振器件上所形成的多个通道的示意图；

图10示出了一个微通道（由一个单元（光栅）及对其进行支撑的衬底及波导层）的截面图；

图11示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的示意图；

图12示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的示意图；

图13示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的示意图；

图14示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的示意图；

图15示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的示意图；

图16示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的示意图；

图17示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的示意图；

图18示出了通过共振波导线性光栅的几何参数的连续变化所形成的微通道的实际结构以及实际检测时的认定结构的示意图；

图19示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的示意图；

图20示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的示意图；

图21示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的多个通道的示意图；

图22示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的侧视图；

图23示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的侧视图；

图24示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的一个通道的示意图；

图25示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的2D晶体结构的俯视图；

图26示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的2D晶体结构的俯视图；

图27示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图；

图28示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图；

图29示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图；

图30示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图；

图31示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图；

图32示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图；

图33示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图；

图34示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图；

图35示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统中利用三棱镜作为预散射元件对入射光进行预散射的示意图；

图36示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件的SEM图像；

图37示出了采用根据本发明的一个实施例的在光栅周期、占空比和波导层厚度上连续变化以实现具有相邻共振条件的多个单元的光子共振器件来进行生物分子检测和本体折射率检测时所得到的有关衍射效率的示图；

图38示出了采用根据本发明的一个实施例的多通道的光子共振器件对不同折射率的本体溶液进行检测的示意图；

图39示出了采用根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统检测生物分子的方法的流程图；

图40示出了采用根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统检测本体溶液折射率的方法的流程图；以及

图41示出了现有技术中的分级波长导模共振滤波器的截面图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易于理解，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。在本发明中，以示例方式，对本发明提出的用于进行生物分子检测和本体溶液检测的光子共振器件及利用该光子共振器件的光子共振检测系统进行说明，但是本发明不限于所公开的优选实施例的具体形式。所属领域的技术人员可以根据本发明公开的内容对本发明进行修改和变型，这些修改和变型也应当属于由权利要求限定的本发明保护的范围。

本发明针对生物分子检测和本体溶液检测，提出了一种光子共振器件及光子共振检测系统，其通过光子共振器件所引起的光学指数变化来对光子共振器件表面上结合的生物分子数量或表面附近的本体溶液的折射率进行检测。本发明的光子共振器件的主要特征在于在作为芯片的光子共振器件的表面上形成有一个或多个通道，而每个通道包括具有相邻共振条件的多个单元。这种结构使得针对一种被测样品，能够获得分布曲线形式的测量结果，该分布曲线表现为强度序列。而分布曲线形式的测量结果包括更多的数据信息、提供更加可靠的测量结果。也就是说，本发明的光子共振器件及光子共振检测系统通过其独特的检测芯片设计获得了作为测量结果的强度序列，而不是一个点，因此能够提供更加可靠的测量结果。本发明的光子共振器件及光子共振检测系统主要用于生物分子检测和本体溶液折射率检测，由于本发明的检测原理建立在光学指数（例如，衍射效率、折射率等）的偏移上，因此本发明的生物分子和本体溶液折射率检测也是一种无标记的生物检测。而且，本发明的改进之处在于用于生物分子检测和本体溶液折射率检测所必须的检测芯片本身，而对于生物检测而言，检测芯片是必不可少的，因此相对于其他检测技术，可以大大降低成本。

下面通过附图详细描述本发明的示例性实施例。

图1示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图。

如图1所示，根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统包括光源1、偏振器2、单色仪3、流控芯片4和检测器5。在图1所示的光子共振检测系统的构造中，从光源1（例如，发光二极管、钨丝灯、卤素灯、氙弧灯或激光器等）发出的光（例如，白光、UV光或者IR光）经过偏振器2后进入单色仪3（从单色仪3出射的光的波长宽度可以为Δλ=1nm，但是本发明不限于此，可以根据测试要求选择适合的波长宽度），从单色仪3发出的光照射到流控芯片4，被流控芯片4反射，进入检测器5。

图1的右侧示图示出了流控芯片4的具体构造的截面图。如图所示，流控芯片4包括光子共振器件7和在光子共振器件7正面设置的用于容纳被测的生物溶液和本体介质的样品池6。如图中的箭头所示，被测溶液从样品池6的一侧流入，另一侧流出。从光源1发出的光入射到流控芯片4、通过其中的光子共振器件7之后，从流控芯片4射出，射出的光信号（例如，二维信号）能够被检测器5（例如，照相机）采集，从而获取测量结果。

图1中还示出了光子共振器件7的截面图。如图所示，光子共振器件7包括衬底100、衬底100上形成的波导层101和波导层101上形成的多个通道（pad）1000。图1所示的光子共振器件7包括了多个通道1000，这样的光子共振器件7能够用于多路检测，同时进行多种成分、多种浓度的生物检测，因此是有利的。但是本发明不限于此，也可以只设置一个通道，一次只检测一种成分或者一种浓度。

图1所示的光子共振器件7在共振条件下被照射时，入射到光子共振器件7的光在所述波导层101内传播并且与光子共振器件7表面附近的生物分子或本体溶液反应，然后从流控芯片4射出。

如图1所示，根据本发明的光子共振器件7的衬底100例如可以由诸如玻璃之类的低折射率材料形成，而波导层101以及波导层101上所形成的多个通道1000可以由诸如二氧化钛、二氧化钽、二氧化铪、氮化硅、氧化铟锡、UV固化材料和热固化材料之类的高折射率材料形成。光子共振器件7的这种由低折射率材料层（即，衬底100）支撑的高折射率材料层（波导层101）的结构允许光波在其中传导。

衬底100可以是透明的、反射的，或者可以包括多层堆叠，本发明对此没有限制。

本发明的改进之处在于，波导层101上形成的每个通道（pad）1000均包括具有相邻共振条件的多个单元。在一个具体示例中，作为波导层101上的多个通道中每个通道所包括的单元可以是本领域中常用的共振波导线性光栅和2D光子晶体。

对于共振波导线性光栅和2D光子晶体，为了获得本发明所提出的在波导层101上所设置的具有相邻共振条件的多个单元，可以通过连续改变或逐步改变它们的几何参数来实现。对于共振波导线性光栅而言，其几何参数包括光栅周期（period）、占空比（duty cycle）（也成为填充因素（filing factor））、波导层厚度、波导层折射率和光栅蚀刻深度等；对于2D光子晶体而言，根据其具体形状，可以通过逐步改变其几何参数来获得本发明所提出的具有相邻共振条件的多个单元，例如，对于横截面为圆形的多个2D光子晶体，可以通过逐步改变直径大小或者在x方向、y方向或者这两个方向上调整2D光子晶体的位置来实现具有相邻共振条件的多个单元。本发明的2D光子晶体的横截面的形状可以为正方形、三角形、圆形、椭圆形、卵形、线形、正弦波形、矩形、金字塔形、或者同心圆环形。这些将在下文中详细描述。

图2示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件的俯视图，以及采用根据本发明的光子共振器件结合生物分子前后所得到的有关反射率的曲线图。

图2以共振波导线性光栅为例示出了本发明的光子共振器件表面上所形成的包括具有相邻共振条件的多个单元的通道。

图2中的（A）和图2中的（C）示出了根据本发明的两个示例的光子共振器件的构造。本发明的光子共振器件包括多个通道（pad），每个通道包括具有相邻共振条件的多个单元。由于光子共振器件表面上包括多个通道，因此，本发明的光子共振器件可以同时进行多路检测，同时检测一种分析物的多种浓度和/或同一浓度的多种分析物和/或不同分析物的不同浓度；每个通道上固定的生物化学样品可以不同；几个通道上可以固定相同生物分子以获得更加可靠的测量结果；有些通道可以不用于固定生物分子而仅仅作为基准以提供实时基准从而获得更加可靠的测量结果。由于本发明的光子共振器件上设置了多个通道，因此可以根据具体测试要求对多个通道进行适应性布置和修改，从而可以灵活地应对多种生物检测。在图2中的（A）和图2中的（C）的两个示例中，这些通道以二维形式布置在光子共振器件表面上。

在图2中的（A）中，示出了光子共振器件表面上所形成的5个通道，通道pad1至通道pad5，每个通道均包括10个单元（光栅）。在图2中的（A）中，每个通道的10个光栅的周期Λ逐步变化，从Λ=440nm逐步变化到Λ=460nm，相邻的两个光栅之间的周期之差△Λ=2nm，即一个通道内的相邻两个光栅周期变化的步长为2nm。

图2中的（B）示出了采用图2中的（A）中的一个通道进行测试所获得的结果曲线。图2中的（B）给出的采用图2中的（A）所示的两个通道来进行测试所得的两条测试曲线，一条通道作为基准（即，对照），所测试的曲线（实线）作为基准线，另一个通道用于结合生物分子（生物分子的等效厚度为4nm，介质折射率为1.5），所得到的另一条曲线（虚线）作为测试结果曲线。曲线的横坐标表示每个通道中的各光栅的周期，纵坐标表示所得到的反射率。根据两个曲线的偏移量能够确定结合到芯片表面上的生物分子的数量以及各单元的衍射效率和生物分子层厚度之间的对应关系。

图2中的（C）示出了根据本发明的另一个示例的光子共振器件表面上所形成的多个通道。在图2中的（C）中，光子共振器件表面上也设置了5个通道，pad1至pad5，每个通道包括具有相邻共振条件的多个光栅，该示例中示出了每个通道中的各个光栅的占空比f从0.4变化到0.6，相邻两个光栅之间具有恒定的占空比差值。

图2中的（D）示出了利用根据本发明的图2中的（C）所示的构造的光子共振器件来进行生物分子（生物分子的等效厚度为4nm，介质折射率为1.5）检测的结果的曲线图。与图2中的（B）类似，与一个通道（基准通道）对应的结果曲线用作基准线，与另一个通道（测试通道）对应的另一结果条曲线作为测试曲线，可以通过两条曲线的偏移来测量结合到芯片表面上的生物分子的数量。

基于此，利用本发明的光子共振器件，通过强度序列形式的曲线的偏移能够得到光子共振器件表面上所结合的生物分子量或者光子共振器件表面附近的本体溶液折射率。

下面参照图3至图10详细描述根据本发明的光子共振器件上所形成的多个通道的实施例。

图3中的（A）示出了根据本发明的光子共振器件波导层上只设置了一个通道的示例，在该通道上设置了具有相邻共振条件的M个光栅，f₁至f_M。图3中的（B）示出了根据本发明的光子共振器件上设置了多个通道的示例。该光子共振器件上的多个通道采用二维形式布置在波导层上，每个通道与图3中的（A）所示的通道相似，均包括M个光栅，f₁至f_M。

图4中的（B）示出了包括具有相邻共振条件的M个单元（光栅）的通道中的各光栅沿一个方向排列的示例，但是本发明不限于此，也可以设置如图4中的（A）所示的以阵列形式布置的具有相邻共振条件的多个单元（光栅）的通道，其中每个单元（光栅）与对其进行支撑的衬底和波导层构成一个微通道。

图5示出了根据本发明的光子共振器件波导层上所设置的多个通道均相同的示例。图5中的（A）的光子共振器件波导层上的每个通道中的多个光栅沿着一个方向排列，而图5中的（B）的光子共振器件波导层上的每个通道中的多个光栅以阵列形式排列。

图6示出了根据本发明的光子共振器件波导层上所设置的多个通道不相同的示例。图6中的（A）所示的光子共振器件波导层上的多个通道中每个通道的具有相邻共振条件的多个单元沿一个方向排列，而图6中的（B）所示的光子共振器件波导层上的多个通道中的每个通道的具有相邻共振条件的多个单元以二维矩阵形式布置在波导层上。图6所示的光子共振器件上所设置的多个通道彼此之间是不相同的，例如其中一个通道包括的具有相邻共振条件的多个光栅中每相邻的两个光栅之间仅在周期上有变化，且周期之差为2nm，而另一个通道中具有相邻共振条件的多个光栅中每相邻的两个光栅之间不仅在周期上有2nm的变化，在其他参数（例如，光栅蚀刻深度）上也有变化。

图7示出了根据本发明的光子共振器件波导层上所设置的多个通道可以以一维形式（图7中的（A）），也可以以二维形式（图7中的（B））来布置。

图8示出了根据本发明的光子共振器件的多个通道以二维形式布置在光子共振器件波导层上的示意图。这些通道可以以任意二维方式布置在波导层上，而不需要沿水平方向或垂直方向排列，并且也不需要以阵列形式布置在波导层上。

图9示出了根据本发明的光子共振器件波导层上设置的多个通道沿垂直方向（图9中的（A））和沿水平方向（图9中的（B））布置在波导层上的示例。

图10示出了一个微通道（由一个单元（光栅）及对其进行支撑的衬底及波导层）的截面图。该微通道包括衬底100、衬底上所形成的波导层101及波导层101上形成的共振波导线性光栅。如图所示，该光栅的宽度d=140nm，周期Λ=450nm，以及蚀刻深度为e，则该光栅的占空比f=d/Λ=0.3。图10仅以示例方式示出了常规光栅的三个参数。除此之外，与共振波导线性光栅相关的几何参数还包括波导层厚度和波导层折射率等。

下面参照附图，详细描述根据本发明实施例的光子共振器件的构造。如上所述，本发明的改进之处在于作为用于生物检测的必需元件的芯片本身的设计。即，本发明提供了一种具有独特设计的光子共振器件来作为生物检测芯片，该生物检测芯片的特征在于包括衬底、衬底上形成的波导层以及波导层上所形成的一个或多个具有相邻共振条件的多个单元的通道。通过连续改变每个通道的多个单元的几何参数或者逐步改变每个通道的多个单元的几何参数，来实现具有相邻共振条件的多个单元的通道；或者通过对每个通道的多个单元的几何参数进行连续改变和逐步改变相结合的方式来实现具有相邻共振条件的多个单元。

下面以共振波导线性光栅为例详细说明根据本发明的光子共振器件波导层上所形成的通道的构造，即详细说明包括具有相邻共振条件的多个单元的通道的构造。

图11示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件的一个通道pad的示意图。该通道pad通过其所包括的具有相邻共振条件的多个单元的的占空比f（宽度）（作为光栅的一个几何参数）的连续改变来实现具有相邻共振条件的多个单元。图11中的（A）是通道pad的截面图，其包括了沿A1A2截取的第一端的截面图（a）和沿B1B2截取的第二端的截面图（b），在截面图（a）中示出了第一端光栅的宽度d=310nm，周期Λ=450nm，而截面图（b）中示出了第二端光栅的被逐渐减小到140nm的宽度d和周期Λ=450nm。图11中的（B）示出了通道pad的中间一小段区域的俯视图，从图11中的（B）可以看出，该通道中的共振波导线性光栅的宽度（即，占空比）从通道的一端到另一端逐渐减小，从而实现了根据本发明的光子共振器件波导层上所形成的一个或多个包括具有相邻共振条件的多个单元的通道。

图12示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件的一个通道pad的示意图。该通道pad通过其所包括的具有相邻共振条件的多个单元的的占空比f（宽度）的逐步改变来实现具有相邻共振条件的多个单元。图12中的（A）是通道pad的截面图，其包括了第一端的截面图（a）和第二端的截面图（b），在截面图（a）中示出了第一端光栅的宽度d=310nm，周期Λ=450nm，而截面图（b）中示出了第二端光栅的宽度被逐步减小到140nm，周期不变。图11中的（B）分别示出了通道pad的第一端和第二端的俯视图。从图11中的（B）可以看出，第一端和第二端的单元内，光栅的宽度（占空比）保持不变，也就是说，每个单元内部的光栅几何参数保持不变。而在从一端到另一端的方向上，每相邻的两个单元之间，几何参数逐步改变，例如，一个通道内的每相邻的两个单元之间的占空比之差小于0.01。图12所示的通道pad所包括的多个共振波导线性光栅的宽度（即，占空比）从通道的一端到另一端逐步减小，从而实现了根据本发明的光子共振器件波导层上所形成的一个或多个包括具有相邻共振条件的多个单元的通道。

图13示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件的一个通道的示意图。与图11中的光栅占空比参数连续变化和图12中的光栅占空比参数逐步变化有所不同，图13所示的实施例中的光子共振器件的通道pad中为了实现具有相邻共振条件的多个单元而发生变化的几何参数既包括有几何参数的连续变化也包括几何参数的逐步变化。图13中的（A）和图13中的（B）与图12中的（A）和图12中的（B）相同，示出了在通道pad中从通道pad的一端到另一端通过每相邻两个单元的占空比（宽度）的逐步变化。除此之外，图13所示的通道pad中，还包括了从通道pad的第一端A1到第二端A2的波导层厚度的连续变化，如图13（C）所示。也就是说，为了实现根据本发明的光子共振器件的通道所包括的具有相邻共振条件的多个单元，图13所示的通道pad中既包括了占空比几何参数的逐步变化也包括了波导层厚度的连续变化。

如上所述，对于共振波导线性光栅而言，所涉及到的几何参数包括光栅周期Λ、占空比f、波导层厚度h、波导层折射率n和光栅蚀刻深度e。如图14所示，可以对通道pad中所包括的多个共振波导线性光栅的所涉及到的几何参数中的一个或多个逐步改变，以实现根据本发明的光子共振器件波导层上所形成的包括具有相邻共振条件的多个单元的通道。

图15示出了根据本发明的另一个实施例的光子共振器件波导层上所形成的通道pad的示意图。如图该通道pad的侧视图（A）和俯视图（B）所示，该通道pad中所包括的多个共振波导线性光栅的周期为亚波长，并且在（Λ-0.2Λ，Λ+0.2Λ）范围内变化。

图16示出了根据本发明的另一个实施例的光子共振器件波导层上所形成的通道pad的示意图。如整个通道的侧视图（A）和整个通道的俯视图（B）所示，该通道pad中所包括的多个共振波导线性光栅的波导层厚度h连续变化，从通道pad的第一端的厚度2h₀连续变化为第二端的厚度h₀。

图17示出了根据本发明的另一个实施例的光子共振器件波导层上所形成的通道pad的示意图。如整个通道的侧视图（A）和整个通道的俯视图（B）所示，该通道pad中所包括的多个共振波导线性光栅的光栅蚀刻深度e连续变化（相应地，所产生的波导层厚度连续变化），从通道pad的第一端的光栅蚀刻深度2e₀连续变化为第二端的光栅蚀刻深度e₀。其中A1A2表示蚀刻前表面。

为了实现根据本发明的光子共振器件波导层上所形成的一个或多个具有相邻共振条件的多个单元。在实际制造工艺上，可以连续变化一个通道所包括的具有相邻共振条件的多个单元的几何参数，这样形成的实际结构例如如图18中的（A）所示。然而，在实际生物检测时，在检测器的一个或几个像素级别上，可以将这种连续变化的一个单元中的几何参数视为局部恒定的，例如图18中的（B）所示。也就是说，虽然几何参数是连续变化的，但是在实际检测中可以将这些单元视为几何参数逐步变化的多个单元。

图19示出了根据本发明的另一个实施例的光子共振器件波导层上所形成的一个通道pad的示意图，其包括通道pad的侧视图（A）、俯视图（B）和有关波导层折射率的曲线图。如测试图（A）和曲线图（C）所示，通道pad中所包括的多个共振波导线性光栅的波导层折射率从通道pad的第一端到第二端连续变化，从第一端的波导层折射率2n₀变化到第二端的波导层折射率n₀。

图20示出了根据本发明的另一个实施例的光子共振器件波导层上所形成的一个通道pad的示意图。图20与图19相同，也示出了通道pad中从通道pad的第一端到第二端的共振波导线性光栅的波导层折射率连续变化的示例。图20与图19不同之处在于，图20中所示的衬底包括多层材料。

图21示出了根据本发明的另一个实施例的光子共振器件波导层上所形成的多个通道的示意图。如图21所示，该光子共振器件波导层上所形成的多个通道所包括的多个单元（共振波导线性光栅）二维布置在波导层上。这些单元在横向上具有逐步变化的周期，而在纵向上具有逐步变化的填充因素，以此方式在波导层上形成多个包括具有相邻共振条件的多个单元的通道。

图22示出了根据本发明的另一个实施例的光子共振器件波导层上所形成的一个通道的示意图。该通道通过波导层折射率的连续变化来实现具有相邻共振条件的多个单元。

图23示出了根据本发明的另一个实施例的光子共振器件波导层上所形成的一个通道的示意图。该通道通过波导层厚度的连续变化来实现具有相邻共振条件的多个单元。

图24示出了根据本发明的另一个实施例的光子共振器件波导层上所形成的一个通道pad的示意图。该通道pad也由具有相邻共振条件的多个单元形成，这些单元也可以是线性光栅。与先前实施例所示出的横截面为矩形的光栅不同，该实施例中的光栅的横截面为三角形，光栅侧边与底边之间的夹角为一锐角。如图24中的通道pad的侧视图（A）和俯视图（B）所示，通道pad中从通道pad的第一端开始到第二端线性光栅的形状逐步变化，从而实现根据本发明的光子共振器件的包括具有相邻共振条件的多个单元的通道。

以上以共振波导线性光栅为例来说明了如何实现根据本发明的光子共振器件波导层上形成的一个或多个包括具有相邻共振条件的多个单元的通道。光栅的制造对于本领域技术人员而言是已知的，例如可以采用电子束光刻技术或者印迹技术，在此将不进行详细描述。

为了实现根据本发明的光子共振器件，以上描述了共振波导线性光栅的示例，具体地讲，通过连续改变和/或逐步改变一个通道中的多个共振波导线性光栅的一个或多个几何参数来实现根据本发明的光子共振器件。这些几何参数需要缓慢变化以能够在共振周围平滑变化来实现具有相邻共振条件的多个单元并且能够获得空间共振分布。为了实现具有相邻共振条件的多个单元（例如，共振波导线性光栅），一次可以仅仅改变一个几何参数，或者一次可以改变几个几何参数，本发明对此没有限制，只要能够实现每个通道包括具有相邻共振条件的多个单元即可。

以上以共振波导线性光栅为例说明了如何实现根据本发明的光子共振器件。除了共振波导线性光栅之外，还可以采用2D光子晶体来代替共振波导线性光栅作为一个通道中的一个单元，来实现根据本发明的光子共振器件波导层上形成的一个或多个包括具有相邻共振条件的多个单元的通道。

图25示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件波导层上形成的2D光子晶体的俯视图。25中的（A）示出了常规的表示矩形孔的2D光子晶体的俯视图。25中的（B）、25中的（C）和25中的（D）分别示出了根据本发明的光子共振器件波导层上形成的2D光子晶体的俯视图。其中，25中的（B）示出了通过填充因数在x方向上的变化所形成的多个包括具有相邻共振条件的多个单元的通道；25中的（C）示出了通过填充因数在y方向上变化所形成的多个包括具有相邻共振条件的多个单元的通道；而图25中的（D）示出了通过填充因数在x和y方向上都发生变化所形成的多个包括具有相邻共振条件的多个单元的通道。

图26示出了根据本发明的另一个实施例的光子共振器件波导层上形成的2D光子晶体的俯视图。26中的（A）示出了常规的表示圆形柱的2D光子晶体的俯视图。图26中的（B）和图26中的（C）分别示出了根据本发明的光子共振器件波导层上形成的2D光子晶体的俯视图。其中，图26中的（B）示出了通过直径变化所形成的多个包括具有相邻共振条件的多个单元的通道；图26中的（C）示出了通过改变圆形柱在x方向、y方向或者x和y方向上的位置来形成多个包括具有相邻共振条件的多个单元的通道。

根据本发明的光子共振器件波导层上设置有一个或多个通道，而每个通道均包括具有相邻共振条件的多个单元。由于每个通道包括了具有相邻共振条件的多个单元，因此在进行生物分子检测或者本体溶液折射率检测时，每个通道将给出一个强度序列形式的测量结果。相比较常规的以一个点的形式的测量结果，这种分布曲线形式的测量结果将给出更多的数据信息，从而能够提供更加可靠的测试结果。另外，如本领域技术人员已知的是，由于共振条件与入射光波长和入射角度相关，因此应当理解的是，针对一个特定的入射光波长和入射角度来设计每个通道，即，根据特定入射光波长和入射角度来适应性地调整每个通道的多个单元的一个或多个几何结果参数，其中，几何结果参数例如为光栅周期、波导层厚度、波导层折射率和占空比等。

图1示出了如何利用根据本发明的如上所述的光子共振器件来构建针对生物分子检测或本体溶液折射率检测的光子共振检测系统。下面参照附图，详细描述根据本发明的其他实施例的光子共振检测系统。

图27示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图。如图27中的（A）所示，光子共振检测系统包括光源1、单色仪3、包括光子共振器件的峰值跟踪芯片PTC、检测器5。利用该光子共振检测系统，从光源1发出的光通过单色仪3后变成单色光入射到峰值跟踪芯片PTC，入射到峰值跟踪芯片PTC上的光在光子共振器件的波导层内传播并且与待测生物分子或本体溶液反应，然后从峰值跟踪芯片PTC反射输出到检测器5，在这种情况下入射光不会穿过待测溶液。检测器5可以采集到来自光子共振器件的二维信号。图27中的（A）中所示为光从峰值跟踪芯片PTC背面入射的情况，但是本发明不限于此。图27中的（B）示出了光从峰值跟踪芯片PTC正面入射的情况，在这种情况下，入射光首先通过待测溶液。

图28示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图。如图28中的（A）所示，光子共振检测系统包括光源1、偏振器2、单色仪3、包括光子共振器件的峰值跟踪芯片PTC、检测器5。利用该光子共振检测系统，从光源1发出的光通过偏振器2和单色仪3后变成单色偏振光入射到峰值跟踪芯片PTC，入射到峰值跟踪芯片PTC上的光在光子共振器件的波导层内传播并且与待测生物分子或本体溶液反应，然后从峰值跟踪芯片PTC透射输出到检测器5，在这种情况下，入射光将穿过待测溶液。检测器5可以采集到来自光子共振器件的二维信号。图28中的（A）中所示为光从峰值跟踪芯片PTC背面入射的情况，但是本发明不限于此。图28中的（B）示出了光从峰值跟踪芯片PTC正面入射的情况，在这种情况下，入射光首先通过待测溶液。

图29示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图。该光子共振检测系统包括光源1、偏振器2、单色仪3、包括根据本发明的光子共振器件的峰值跟踪芯片PTC和检测器5。如图29所示，从光子共振器件输出的光信号垂直方向入射到检测器5，这与图27所示的有所不同，在图27中，从光子共振器件输出的光信号以通常反射光形式入射到检测器5。这是因为，图29所示的测量信号不是对应于0级衍射的信号。对于所属领域的技术人员而言，应当理解的是，应当针对不同的衍射级别来设计根据本发明的光子共振器件及其对应的光子共振检测系统。

图30示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图。图30所示的光子共振检测系统包括光源1、偏振器2、单色仪3、包括根据本发明的光子共振器件的峰值跟踪芯片PTC和检测器5。该光子共振检测系统是一种具有偏振器的光反射形式的架构。

图31示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图。图31所示的光子共振检测系统包括光源1、单色仪3、包括根据本发明的光子共振器件的峰值跟踪芯片PTC、偏振装置8和检测器5。在该光子共振检测系统中，偏振装置8位于从峰值跟踪芯片PCT反射的光路径上。偏振装置8可以由一个偏振器组成，通过旋转该偏振器（参见图31中的（B））能够选择不同的偏振模式，以便分离以两种偏振模式获取的图像信息。作为选择，偏振装置8也可以由两个偏振器组成（参见图31中的（A）），一个偏振器用于选择TE偏振模式，另一个偏振器用于选择TM偏振模式，通过对两个偏振器的选择来选择不同的偏振模式，以便分离以两种偏振模式获取的图像信息。

也就是说，在多通道二维布置在光子共振器件上时，可以针对光子共振器件的每个部分采用不同的偏振模式（TE偏振或TM偏振）。在这种情况下，可以通过旋转一个偏振器或者旋转将以两个不同偏振方式获得的图像分开的两个偏振器来选择不同的偏振模式，以获得不同图像信息。此时，可以将一个偏振器或者两个偏振器（可以为TE偏振器和TM偏振器）设置在光子共振检测系统中的从光子共振器件输出的光信号与检测器之间的光路径上。

图32示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图。该光子共振检测系统包括光源1、单色仪3、分束器9、包括根据本发明的光子共振器件的峰值跟踪芯片PTC和检测器5。在该光子共振检测系统中，从光源1发出的光经过单色仪3后变成单色光被分束器9反射到峰值跟踪芯片PTC，而从峰值跟踪芯片PTC输出的光信号透过分束器9入射到检测器5。

图33示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图。该光子共振检测系统包括光源1、单色仪3、分束器9、远心透镜10、包括根据本发明的光子共振器件的峰值跟踪芯片PTC和检测器5。该光子共振检测系统与图32所示的不同之处在于，在分束器9和峰值跟踪芯片PTC之间的光路径上设置了远心透镜10，用于将分束器9反射的单色光垂直入射到峰值跟踪芯片PTC中所包括的光子共振器件。

以上实施例中示出的光子共振检测系统中均设置了单色仪来将入射光转变成单色光入射到光子共振器件。如所属领域技术人员已知的是，共振条件包括入射光波长和入射光角度，因此应当针对具体的共振条件来设计光子共振器件的具体结构，或者针对具体结构的光子共振器件来选择共振条件，以便使得共振条件与具体结构的光子共振器件相互适应，以实现生物分子检测或本体溶液折射率检测。也就是说，本发明的光子共振检测系统中光源的选择应当与共振条件相关，因此本发明的光源可以是发出紫外光或者发出红外光的光源，也可以是发出白光的光源，不限于特定波长，只要其所发出的光的波长与其共振条件相适应即可。

图34示出了根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统的示意图。该光子共振检测系统包括光源1、偏振器2、预散射元件11、包括根据本发明的光子共振器件的流控芯片4和检测器5。该光子共振检测系统与图1所示的光子共振检测系统不同之处在于，该光子共振检测系统中用预散射元件11来代替图1中的单色仪。预散射元件11例如可以为图35所示的三棱镜。

在图34所示的光子共振检测系统的构造中，从光源1（例如，高功率白光LED）发出的光经过偏振器2后进入预散射元件30（预散射元件可以是全息光栅、红外光栅或三棱镜，并且可以使用不同衍射级次的色散光栅），从预散射元件30发出的光被散射成多种不同波长的光，如图35所示。被预散射元件30散射后形成的多种不同波长的光照射到流控芯片4上。入射到流控芯片4的光与光子共振器件表面附近的生物分子或者本体介质发生反应后，从流控芯片4射出，射出的光的二维信号能够被检测器5采集，从而获得检测数据。

从图35右侧示图可以看出，由于光源被预散射元件散射后形成了多种波长λ的光，因此这些不同波长的光将以不同的角度θ入射到流控芯片4。那么，流控芯片4表面上的特定通道被波长特定和角度特定的光照射。

根据本发明的光子共振器件上设置了多个通道，每个通道包括具有相邻共振条件的多个单元。在这种情况下，需要对给定通道中的具有相邻共振条件的多个单元的几何参数进行适应性修改，以使得不同的通道可以通过不同的共振条件（λ_rp，θ_rp）来照射，其中p表示通道编号。

不同通道可以对应于不同的共振条件，然而本发明不限于此。给定通道的某些单元可以出现在另一通道中，作为另一个通道中的某些单元。而且，几个通道可以具有相同的激发条件（λ_rp，θ_rp）。

从图35中可以看出，不同波长的光照射到了光子共振器件的不同通道上。由图35的右上示图可以看出，相同波长的光同时照射到了两个通道上。这种情况下，可以将其中一个通道作为基准，另一个作为检测通道。

图36示出了根据本发明的一个实施例的光子共振器件的SEM图像。图36所示的SEM图像是采用放大倍率为×70000的扫描电子显微镜拍摄的图像。图36中的左侧视图所示的光栅的周期Λ=450nm，占空比f=0.4，中间视图所示的光栅的周期Λ=450nm，占空比f=0.5，右侧示图所示的光栅的周期Λ=450nm，占空比f=0.6。

图37示出了采用根据本发明的一个实施例的在光栅的周期、占空比和波导层厚度上连续变化以实现相邻共振条件的多个单元的光子共振器件来进行生物分子检测和本体折射率检测时所得到的有关衍射效率的示图。

图37是在【00.6】强度级别上测得的衍射效率。其中，图37中的（A）至图37中的（C）是用于测量折射率介于n=1.33和n=1.47之间的本体溶液折射率的测试结果，而图37中的（D）至图37（F）是用于对生物分子（该生物分子折射率n_DNA=1.5，其所在的水溶液折射率n=1.33）进行检测的测试结果。其中，图37中的（A）和图37中的（D）中所示出的检测芯片上所设置的相邻光栅之间的周期之差为2nm（步长2nm）；图37中的（B）和图37（E）中所示出的检测芯片上所设置的相邻光栅之间的占空比之差为1nm；图37中的（C）和图37中的（D）所示的检测芯片上所设置的相邻光栅之间的波导层厚度之差为0.14nm。

图38示出了采用根据本发明的一个实施例的多通道的光子共振器件对不同折射率的本体溶液进行检测的示意图。

如图38所示，可以在本发明的多通道的光子共振器件上设置不同腔室，每个腔室中可以盛载着折射率不同的溶液。在该实施例中，在光子共振器件上设置了5个腔室，每个腔室中承载了由不同配比的水和甘油混合形成的折射率从n=1.33变化到n=1.47的水/甘油混合物。

对于该实施例，可以采用根据本发明的光子共振器件来进行本体溶液折射率的测量，例如，可以采用上述的包括以ΔΛ=2nm作为相邻共振条件的多个单元的通道的检测芯片或者包括以Δf=0.5作为相邻共振条件的多个单元的通道的检测芯片来进行本实施例中的本体溶液折射率的检测。

为了提高灵敏度，在设计包括具有相邻共振条件的多个单元的每个通道时，应当对用于实现相邻共振条件的各参数进行缓慢变化。如果针对的是需要覆盖较大范围折射率（例如，生物分子引起的折射率变化）的应用，则适于形成整个具有相邻共振条件的多个单元的范围将较大。例如，本发明的上述实施例中折射率n_min=1.33到n_max=1.47（Δn=1.475-1.33=1.5×10^-1）和占空比f_min=0.35至f_max=0.65的情况。如果对于一个应用来说，Δn=10^-2已经足够，则可以相应地降低范围f_min-f_max，例如f_min=0.42至f_max=0.58。也就是说，本发明所提出的在光子共振器件表面上所形成的每个通道所包括的具有相邻共振条件的多个单元的设计范围应当与待测生物分子或者待测本体溶液相对应，根据不同的生物分子或本体溶液来调整包括具有相邻共振条件的多个单元的每个通道的设计。

图38中的（B）示出了5个通道中不同周期光栅所获得的衍射效率。

下面参照图39和图40来分别描述利用根据本发明的光子共振检测系统来进行生物分子检测和本体溶液折射率检测的方法。

如图39所示，采用根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统检测生物分子的方法，包括：将光源发出的光照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第一光信号（S10）；将光子共振器件表面上的成分与要检测的生物试剂中的生物分子进行反应（S11）；将光源发出的光再次照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第二光信号（S12）；以及利用第一光信号与第二光信号之间的空间偏移来计算与光子共振器件表面上的成分发生反应的生物分子数量（S13）。

如图40所示，采用根据本发明的一个实施例的光子共振检测系统来检测溶液本体折射率的方法，包括：将光源发出的光照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第一光信号（S20）；将光子共振器件表面与要检测的溶液接触（S21）；将光源发出的光再次照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第二光信号（S22）；以及利用第一光信号与第二光信号之间的空间偏移来计算与光子共振器件接触的溶液的本体折射率（S23）。

本发明的改进之处在于在波导层上设置了一个或多个通道，而每个通道包括具有相邻共振条件的多个单元。如上所述，为了实现每个通道所包括的具有相邻共振条件的多个单元，对每个通道的多个单元的几何参数进行了连续变化和/或逐步变化。其中，“连续变化”表示将包括多个单元的一个通道看作一个整体，从该通道的第一端到第二端对所关注的一个或多个几何参数进行连续变化，此时，在某些情况下，该通道是一个整体，其所关注的几何参数变化体现在不同截面上的不同，而不是实际意义上的单个单元中的不同（例如，如图11所示）；而“逐步变化”通常表示对一个包括多个分立单元的通道（如图12所示）的描述，在这种通道中，每个单元内的几何参数是恒定的，而相邻的两个单元之间的几何参数不同，发生变化，通常也将相邻的两个单元之间的几何参数变化的幅度成为步长。

以上通过实施例对本发明进行了详细说明。本发明提出了主要用于生物分子检测和本体溶液折射率检测的光子共振器件及共振条件的空间检测系统。本发明主要针对用于对生物分子进行检测或者本体溶液折射率进行检测的光子共振器件的改进，在光子共振器件表面上形成多个通道，而每个通道包括具有相邻共振条件的多个单元，利用这样一种构造来实现针对一种待测样品获取作为测量结果的一条分布曲线，由于分布曲线能够提供更加可靠的测量结果，因此可以说本发明的光子共振器件及光子共振检测系统通过独特的检测芯片设计获得了作为测量结果的强度序列，而不是一个点，因此本发明所提出来的光子共振器件及光子共振检测系统能够提供更加可靠的测量结果。本发明的光子共振器件及光子共振检测系统主要用于生物分子检测和本体溶液折射率检测，由于本发明的检测原理建立在光学指数（例如，衍射效率、折射率等）的偏移，因此本发明的生物分子检测是一种无标记的生物分子检测。而且，本发明的改进之处在于用于生物检测和本体溶液折射率检测所必须的检测芯片本身，因此相对于其他检测技术，可以大大降低成本。

本发明还可以总结为以下构思。

构思1一种包括具有多个相邻共振条件的多个共振单元的支撑器件，所述支撑器件被构造为光在其中被传导并且与位于支撑器件表面附件的成分发生反应，所述支撑器件被光源照射，并且通过检测器来测量信号；

对于生物化学应用而言，所述成分是与溶液中的分析物发生反应的生物样本；对于本体折射率检测而言，所述成分是要确定折射率的成分，其中折射率包括实部和虚部；

多个共振单元属于一个通道，对每个通道的图像在角度上和光谱或者在预散射照射的情况下的准光谱上进行滤波，该滤波能够考虑对应于共振条件的共振波长和共振角度的信号。

构思2根据构思1的支撑器件，其中支撑器件上的通道布置为M行N列的矩形，其中M和/或N等于或大于1。

构思3根据构思1的支撑器件，其中多个通道在支撑器件上的布置不规则。

构思4根据构思1的支撑器件，其中衬底是透明的。

构思5根据构思1的支撑器件，其中衬底是反射的。

构思6根据构思1的支撑器件，其中支撑器件被单色光照射。

构思7根据构思1的支撑器件，其中多个共振单元是共振光栅。

构思8根据构思1的支撑器件，其中多个单元是3D光子晶体结构。

构思9根据构思8的支撑器件，其中一个通道的多个单元的几何结构连续变化，但是在检测器的一个像素或者几个像素级别上实质上恒定。

构思10根据构思1的支撑器件，其被偏振光照射。

构思11根据构思1的支撑器件，其中多个共振单元是多个共振波导光栅。

构思12根据构思11的支撑器件，其中两个相邻共振单元之间的光栅周期有变化。

构思13根据构思11的支撑器件，其中不同共振单元之间的占空比有变化。

构思14根据构思11的支撑器件，其中不同共振单元之间的波导层有变化。

构思15根据构思11的支撑器件，其中不同单元之间的光栅蚀刻深度有变化。

构思16根据构思11的支撑器件，其中多个单元的一个或多个光栅参数连续变换，但是在检测器的一个像素或者几个像素级别上实质上恒定。

构思17根据构思9的支撑器件，其中不同单元的光栅周期、占空比、波导层和光栅蚀刻深度有不同。

构思18根据构思17的支撑器件，其中多个单元的一个或多个光栅参数连续变化，但是在检测器的一个像素或者几个像素级别上实质上恒定。

构思19根据构思17的支撑器件，其中一些参数连续变化，而其他参数不连续变化。

构思20根据构思1的支撑器件，其中多个通道在同一个光子结构芯片上，但是通过要表征的分析物来区分通道定位。

构思21根据构思1的支撑器件，其中多个通道在同一个光子结构芯片上，但是通过要表征的本体溶液来区分通道定位。

构思22根据构思1的支撑器件，其中采用预散射照射，以不同照射条件来聚焦多个通道，照射条件包括入射光波长和光的入射角度。

构思23根据构思13的支撑器件，其中使用棱镜来对照射进行预散射。

构思24根据构思13的支撑器件，其中使用光栅对照射进行预散射。

构思25根据构思1的支撑器件，其中采用可调光源，以不同照射条件来聚焦多个通道，从而以包括入射光波长和光的入射角度的照射条件来激励每个通道。

构思26根据构思1的支撑器件，其中支撑器件包括用作基准的一个或多个通道。

构思27根据构思1的支撑器件，其中波导层的折射率为2，其由折射率为1.5的低折射率介质支撑。

构思28根据构思1的支撑器件，采用激光器作为光源。

构思29根据构思1的支撑器件，其中对白光进行滤波，以选择包括入射光波长和入射角度的照射条件。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (36)

1.一种光子共振器件，其包括：

衬底；以及

衬底上形成的波导层，

其特征在于，在波导层上形成有一个或多个通道，每个通道包括具有相邻共振条件的多个单元，以及

当光子共振器件在共振条件下被照射时，入射到所述光子共振器件的光在所述波导层内传播并且与生物分子或本体溶液反应。

2.根据权利要求1所述的光子共振器件，其特征在于，所述多个通道相同或不同。

3.根据权利要求1所述的光子共振器件，其特征在于，所述多个通道中的一部分相同。

4.根据权利要求1所述的光子共振器件，其特征在于，所述多个通道以二维形式或者一维形式布置在所述光子共振器件上。

5.根据权利要求1所述的光子共振器件，其特征在于，所述多个通道垂直地或者水平地排列在所述波导层上。

6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的光子共振器件，其特征在于，每个通道的多个单元的一个或多个几何参数连续变化和/或逐步变化，以实现相邻共振条件的多个单元。

7.根据权利要求1至5中的任意一项所述的光子共振器件，其特征在于，每个通道的多个单元是多个共振波导线性光栅。

8.根据权利要求7所述的光子共振器件，其特征在于，多个共振波导线性光栅的光栅周期、占空比、波导层厚度、波导层折射率和光栅蚀刻深度中的一个或多个连续变化。

9.根据权利要求7所述的光子共振器件，其特征在于，多个共振波导线性光栅的光栅周期、占空比、波导层厚度、波导层折射率和光栅蚀刻深度中的一个或多个逐步变化。

10.根据权利要求9所述的光子共振器件，其特征在于，多个共振波导线性光栅的周期为亚波长并且处于（Λ-0.2Λ，Λ+0.2Λ）范围内，其中Λ表示光栅周期。

11.根据权利要求9所述的光子共振器件，其特征在于，多个共振波导线性光栅的占空比逐步变化，相邻的两个共振波导线性光栅的占空比之差小于0.01。

12.根据权利要求8所述的光子共振器件，其特征在于，多个共振波导线性光栅的波导层厚度从通道的第一端到第二端连续变化，第一端的波导层厚度是第二端的波导层厚度的二倍。

13.根据权利要求8所述的光子共振器件，其特征在于，多个共振波导线性光栅的光栅蚀刻深度从通道的第一端到第二端连续变化，第一端的光栅蚀刻深度是第二端的光栅蚀刻深度的二倍。

14.根据权利要求8所述的光子共振器件，其特征在于，多个共振波导线性光栅的波导层折射率从通道的第一端到第二端连续变化，第一端的波导层折射率是第二端的波导层折射率的二倍。

15.根据权利要求7所述的光子共振器件，其特征在于，多个共振波导线性光栅的光栅周期、占空比、波导层厚度、波导层折射率和光栅蚀刻深度中变化的参数包括逐步变化的参数和连续变化的参数。

16.根据权利要求1所述的光子共振器件，其特征在于，所述衬底由低折射率材料形成，而所述波导层和波导层上形成的多个通道由高折射率材料形成。

17.根据权利要求16所述的光子共振器件，其特征在于，所述低折射率材料是玻璃、塑料或环氧树脂，而所述高折射率材料是二氧化钛、二氧化钽、二氧化铪、氮化硅、氧化铟锡、UV固化材料、热固化材料、聚合物、陶瓷及其组合。

18.根据权利要求16所述的光子共振器件，其特征在于，所述衬底包括多层材料。

19.根据权利要求1至5中的任意一项所述的光子共振器件，其特征在于，每个通道的多个单元是多个2D光子晶体。

20.根据权利要求19所述的光子共振器件，其特征在于，所述多个2D光子晶体为由以下形状组成的组中的不同形状：正方形、三角形、圆形、椭圆形、卵形、线形、正弦波形、矩形、金字塔形、以及同心圆环形。

21.一种光子共振检测系统，包括：

根据权利要求1至20中的任意一项所述的光子共振器件；

光源，用于发光，来照射光子共振器件；以及

检测器，测量从光子共振器件输出的光信号，

其特征在于，从光源发出、入射到光子共振器件的光在光子共振器件中传导并且与光子共振器件表面附近的生物分子或者本体溶液反应，然后从光子共振器件输出所述光信号。

22.根据权利要求21所述的光子共振检测系统，其特征在于，所述检测器测量来自所述光子共振器件的二维信号。

23.根据权利要求21所述的光子共振检测系统，其特征在于，还包括：样品池，其设置在光子共振器件的正面，用于容纳要检测的生物分子或本体溶液。

24.根据权利要求23所述的光子共振检测系统，其特征在于，所述样品池包括用于容纳要测的生物分子或本体溶液的多个独立的腔室。

25.根据权利要求24所述的光子共振检测系统，其特征在于，两个相邻通道容纳在一个单独的腔室内，其中一个通道用作基准通道，而另一个通道用作检测通道。

26.根据权利要求21所述的光子共振检测系统，其特征在于，所述检测器包括照相机。

27.根据权利要求21所述的光子共振检测系统，其特征在于，所述光源选自发光二极管、钨丝灯、卤素灯、氙弧灯和激光器组成的组中的任意一个。

28.根据权利要求21所述的光子共振检测系统，其特征在于，所述光源发出白光、UV光或IR光。

29.根据权利要求21所述的光子共振检测系统，其特征在于，还包括单色仪，从所述光源发出的光通过所述单色仪之后形成单色光、入射到所述光子共振器件。

30.根据权利要求29所述的光子共振检测系统，其特征在于，还包括偏振器，从所述光源发出的光通过所述偏振器和所述单色仪之后形成单色偏振光、入射到所述光子共振器件。

31.根据权利要求29所述的光子共振检测系统，其特征在于，还包括分束器，所述单色光通过所述分束器反射到所述光子共振器件，而从所述光子共振器件输出的光信号通过所述分束器透射到所述检测器。

32.根据权利要求31所述的光子共振检测系统，其特征在于，还包括远心透镜，该远心透镜置于所述分束器和所述光子共振器件之间的光路径上，用于将分束器反射的光垂直入射到光子共振器件上。

33.根据权利要求21所述的光子共振检测系统，其特征在于，还包括预散射元件，从光源发出的光通过所述预散射元件形成不同波长的光、入射到光子共振器件，以满足每个通道的包括共振波长和共振角度的特定共振条件。

34.根据权利要求21所述的光子共振检测系统，其特征在于，还包括两个偏振器，这两个偏振器置于光子共振器件和检测器之间，用于针对光子共振器件上的不同部分来选择不同的偏振。

35.一种采用如权利要求21所述的光子共振检测系统来检测生物分子的方法，包括：

将光源发出的光照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第一光信号；

将光子共振器件表面上的成分与要检测的生物试剂中的生物分子进行反应；

将光源发出的光再次照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第二光信号；以及

利用第一光信号与第二光信号之间的空间偏移来计算与光子共振器件表面上的成分发生反应的生物分子数量。

36.一种采用如权利要求21所述的光子共振检测系统来检测溶液本体折射率的方法，包括：

将光源发出的光照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第一光信号；

将光子共振器件表面与要检测的溶液接触；

将光源发出的光再次照射到光子共振器件，获得从光子共振器件输出的第二光信号；以及

利用第一光信号与第二光信号之间的空间偏移来计算与光子共振器件接触的溶液的本体折射率。

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