CN104655566A

CN104655566A - 一种光子集成阵列免标记光学生化传感检测系统

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Publication number: CN104655566A
Application number: CN201510092073.2A
Authority: CN
Inventors: 韩秀友; 赵明山; 任军; 武震林
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2015-03-01
Filing date: 2015-03-01
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2035-03-01
Also published as: CN104655566B

Abstract

一种光子集成阵列免标记光学生化传感检测系统，该系统包括宽谱光源、微透镜、光子集成芯片、微流控通道、微透镜阵列、线阵光电探测器、数据采集与处理单元。该发明利用传感单元微环的高Q值特性和生物分子敏感层的特异性捕获功能实现待测生化样品的高灵敏感、免标记感知，光学信号处理单元将传感单元输出波长的改变转换为光功率的变化，通过线阵光电探测器探测，然后经数据采集与处理单元进行功率比值处理，经“样品浓度—波长—功率比值”函数解调来获得待测生化样品中目标生物分子种类与浓度。该传感检测系统消除了环境温度变化和光源功率抖动的影响，解调算法简便，可实现多参数免标记联检，利于光学生化检测系统的低成本和小型化。

Description

一种光子集成阵列免标记光学生化传感检测系统

技术领域

本发明属于光学传感技术领域，具体涉及一种光子集成阵列免标记光学生化传感检测系统。

背景技术

光学生化传感技术在重大疾病检测、新型药物创制、环境安全监测等领域具有广阔的应用前景。光子集成光学生化传感检测技术基于光学波导微结构感知单元，结合波导表面特异性生物敏感层固载工艺，通过光学参量(如波长、功率、偏振、相位等)的检测获得生化样品种类、浓度信息，在提高检测灵敏度、降低传感检测系统成本、实现小型化等方面极具优势和发展潜力。

对多目标生物分子的快速、高灵敏检测是光子集成光学生化传感检测技术研发的目标。高效的解调方案和消除光源不稳定性及传感芯片温度敏感性是实现以上目标的关键，人们对此进行了深入的研究。

在先技术[1](A.Densmore,M.Vachon,D.-X.Xu,S.Janz,R.Ma,Y.-H.Li,G.Lopinski,A.J.Lapointe,C.C.Luebbert,Q.Y.Liu,P.Cheben,and J.H.Schmid.“Silicon photonic wire biosensor array for multiplexed real-time andlabel-free molecular detection,”Optics Letters,2009,34(23):3598-3600)中，采用螺旋臂马赫—曾德干涉结构阵列进行了多目标生物分子免标记传感，检测解调方法是：光源输出光波的波长固定，检测输出端口的光功率，利用光功率与马赫—曾德干涉结构两臂相位差的正弦函数关系，拟合得到相位改变量，解调获得待测目标生物分子的浓度。尽管采用了接近等长的螺旋臂来抑制环境温度的影响，但是该方案是通过探测绝对光功率来解调，检测结果极易受到光源功率抖动的影响。

在先技术[2](M.Iqbal,M.A.Gleeson,B.Spaugh,F.Tybor,W.G.Gunn,M.Hochberg,T.B.Jones,R.C.Bailey,and L.C.Gunn.“Label-free biosensor arraysbased on silicon ring resonators and high-speed optical scanning instrumentation,”IEEE J.of Selected Topics in Quantum Electronics,2010,16(3):654-661)中，采用波导微环阵列进行多目标分子的免标记传感，检测解调方法是：通过高精度的机械装置控制输入、输出光纤依次对准每个微环单元的输入、输出波导光栅，然后扫描可调谐激光器的波长，接收端同步进行光电探测、采样、拟合得到微环输出光波峰值波长，通过峰值波长的改变量来解调获得待测生化样品的浓度。随着阵列中微环数量的增加，该方案的操作复杂度和时间将极大增加。为了抑制环境温度敏感性，该传感阵列中单独设置参考微环监测环境温度变化，阵列结构复杂。为了避免可调谐激光器扫描波长的不稳定性，需要另外采用光学标准具来监测光波长，增加了系统成本。

在先技术[3](D.Duval,J.Osmond,S.Dante,C.Domínguez,L.M.Lechuga,“Grating couplers integrated on Mach–Zehnder interferometric biosensors operatingin the visible range,”2013,IEEE Photonics Journal,5(2):3700108)中，采用双Y分支波导构成马赫-曾德干涉结构阵列进行多目标分子免标记传感，检测解调方法是：法布里珀罗半导体激光器的尾纤输出的光波通过波导光栅耦合进入马赫-曾德干涉结构传感单元，经第一个Y分支波导分成两路，分别进入传感臂和参考比，然后经第二个Y分支波导汇合输出。检测第二个Y分支波导输出的光功率，通过光功率值拟合得到传感臂的相位改变量，来解调获得待测生化样品的浓度。采用波导光栅耦合结构在一定程度上降低了光源尾纤与波导芯片对准的精度要求，有利于便携式、小型化传感检测系统的实现。但是该方案采用绝对光功率探测，极易受到光源功率抖动和环境温度变化的影响。

发明内容

本发明针对上述光学生化传感检测系统存在解调方法复杂、成本高、易受光源稳定性和环境温度变化影响等问题，提出一种光子集成阵列免标记光学生化传感检测系统。该传感检测系统包括：宽谱光源，微透镜，光子集成芯片、微流控通道、微透镜阵列，线阵光电探测器和数据采集与处理单元传感单元。

所述光子集成芯片包括：1×N多模波导光分路单元，N个级联双波导微环传感单元，N个光学信号处理单元。

所述1×N多模波导光分路单元的输出波导与N个级联双波导微环传感单元依次通过L形波导连接；

所述N个级联双波导微环传感单元依次与N个光学信号处理单元依次通过直波导连接；

所述每个级联双波导微环传感单元由第一直波导、第一微环、第二微环和第二直波导依次耦合构成，第一微环的半径大于第二微环的半径；

所述每个光学信号处理单元由1×2光波导分路器、第一拱形波导、第二拱形波导和2×2光波导耦合器依次相连构成，第一拱形波导的长度大于第二拱形波导的长度；

所述N个传感单元微环波导表面分别固载N种不同种类的特异性生物分子敏感层；

所述微流控通道覆盖于N个传感单元上；

所述宽谱光源与微透镜通过光纤连接；

所述线阵光电探测器与数据采集与处理单元传感单元通过电缆连接。

所述光子集成阵列免标记光学生化传感检测系统，按照以下步骤进行传感检测：

a.宽谱光源输出的光波经微透镜耦合进入1×N多模波导光分路单元等分为N路，然后分别经过L形波导进入N个传感单元，光波在传感单元的微环波导中传播，倏逝波与波导上包层的生物分子发生相互作用。

b.传感单元微环波导表面固载不同种类的特异性生物分子敏感层，生物分子敏感层捕获微流控通道输送的待测样品溶液中与其特异性匹配的目标分子，实现免标记传感；捕获目标分子前后波导上包层的折射率不同，导致光波在微环中传输的有效折射率不同，引起传感单元输出光波波长的改变。

c.传感单元输出的光波经直波导进入光学信号处理单元后，由1×2光分路器分成两路，分别进入第一拱形波导和第二拱形波导，第一拱形波导和第二拱形波导的长度不同，两路光波传输产生相位差，然后进入2×2波导耦合器耦合输出，两端口输出光功率分别是相位差的正弦平方函数和余弦平方函数。传感单元输出光波波长的改变经光学信号处理单元转换为两端口输出光功率的变化。

d.光学信号处理单元输出的光波经微透镜阵列聚焦进入线阵光电探测器进行光电转换，电信号经电缆进入数据采集与处理单元；在数据采集与处理单元中，对每个光学信号处理单元输出两路光信号转换的电信号进行比值处理，信号功率比值为余切平方函数。每个光学信号处理单元输出两路光信号功率的变化转换为信号功率比值的变化，基于此构建“样品浓度——光波长——功率比值”解调函数。

e.依据“样品浓度——光波长——功率比值”解调函数，通过每个光学信号处理单元输出两端口信号功率比值的改变量和与光学信号处理单元对应的传感单元微环波导表面的特异性生物分子敏感层类型，获得待测样品溶液中含有的与敏感层特异性匹配的目标分子的种类和浓度。N个传感单元微环波导表面分别固载N种不同种类的特异性生物分子敏感层，一次送样即实现多目标分子的联检功能。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的光子集成阵列免标记光学生化传感检测系统具有以下突出的有益效果：

(1)本发明中传感单元与光学信号处理单元级联处于光子集成芯片上，二者对环境温度响应特性相同，光学信号处理单元进行信号处理的同时抵消了温度改变对传感单元输出光波波长漂移的影响，避免了额外设置参考通道监测环境温度变化的复杂结构。

(2)本发明中光学信号处理单元将传感单元输出光波波长的改变转换为两端口输出光功率的变化，构建“样品浓度——光波长——功率比值”解调函数，只需探测两端口功率比值的变化即解调得到待测目标分子的浓度，解调方法和数据处理简便，功率比值检测消除了光源功率抖动的影响。

(3)本发明中1×N多模干涉光分路单元将宽谱光波分路同时传输至N个传感单元和N个光学信号处理单元，经微透镜阵列进入线阵光电探测器进行光电转换，然后进行数据处理，实现了多目标生物分子的同时联检，效率高；宽谱光源和线阵光电探测器构成检测系统成本低。

附图说明

图1本发明光子集成阵列免标记光学生化传感检测系统结构示意图。

图2单个传感单元结构示意图。

图3单个光学信号处理单元结构示意图。

图4温度恒定时“波长——功率比值”关系曲线。

图5温度改变时“波长——功率比值”关系曲线，

图中：1宽谱光源；2微透镜；3光子集成芯片；4微流控通道；

5微透镜阵列；6线阵光电探测器；7数据采集与处理单元；

81×N多模波导光分路器；

9-1，9-2，9-3，……，9-N，都是传感单元；

10-1，10-2，10-3，……，10-N，都是光学信号处理单元；

S-1第一直波导；S-2第一微环；S-3第二微环；S-4第二直波导；

P-11×2波导分路器；P-2第一拱形波导；P-3第二拱形波导2；

P-42×2波导耦合器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明光子集成阵列免标记光学生化传感检测系统包括：宽谱光源，微透镜，光子集成芯片、微流控通道、微透镜阵列，线阵光电探测器和数据采集与处理单元传感单元。光子集成芯片包括：1×N多模波导光分路单元，N个级联双波导微环传感单元，N个光学信号处理单元。光子集成芯片可以是聚合物、二氧化硅、硅、氮化硅等光波导材料构成。N个传感单元微环波导的表面分别固载N种不同种类的特异性生物分子敏感层。

宽谱光源输出的光波经微透镜耦合进入1×N多模波导光分路单元等分为N路，然后分别经过L形波导进入N个传感单元。图2给出了单个传感单元的结构示意图，传感单元由第一直波导、第一微环、第二微环和第二直波导依次耦合构成，第一微环的半径大于第二微环的半径。波导微环具有高Q值特性，可以高灵敏感知波导上包层折射率的变化。级联两微环的半径不同拓展了传感单元的自由光谱范围。同时满足第一微环和第二微环谐振波长条件的光波从第二直波导耦合输出。

待测样品溶液由微流控通道输送流经传感单元，生物分子敏感层捕获溶液中与其特异性匹配的目标分子，实现免标记传感。光波在传感单元的微环波导中传播，倏逝波与波导上包层固载的生物分子敏感层捕获的目标分子发生相互作用。捕获目标分子前后波导上包层的折射率不同，导致光波在微环中传输的有效折射率不同，引起传感单元输出光波波长的改变。

传感单元输出的光波经直波导进入光学信号处理单元。如图3所示，光学信号处理单元由1×2光波导分路器、第一拱形波导、第二拱形波导和2×2光波导耦合器依次相连构成。第一拱形波导的长度大于第二拱形波导的长度，光波在第一拱形波导、第二拱形波导中传输后产生相位差，光波经2×2波导耦合器耦合输出，2×2波导耦合器两端口输出光功率分别是相位差的正弦平方函数和余弦平方函数。传感单元输出光波波长的改变经光学信号处理单元转换为两端口输出光功率的变化。光学信号处理单元可进行转换的波长范围由拱形波导和第二拱形波导的长度差决定，不受拱形波导弯曲半径的限制，可以对传感单元输出的波长进行完全单调转换，不存在混淆盲区。

光学信号处理单元输出的光波经微透镜阵列聚焦进入线阵光电探测器进行光电转换为电信号，电信号经电缆进入数据采集与处理单元；在数据采集与处理单元中，对每个光学信号处理单元输出两路光信号转换的电信号进行比值处理，信号功率比值为余切平方函数。每个光学信号处理单元输出两路光信号功率的变化转换为信号功率比值的变化，基于此构建“样品浓度——光波长——功率比值”解调函数。

依据“样品浓度——光波长——功率比值”解调函数，通过每个光学信号处理单元输出两端口信号功率比值的改变量和与光学信号处理单元对应的传感单元微环波导表面的特异性生物分子敏感层类型，获得待测样品溶液中含有的与敏感层特异性匹配的目标分子的种类和浓度。N个传感单元微环波导表面分别固载N种不同种类的特异性生物分子敏感层，一次送样即实现多目标分子的联检功能。

光源功率抖动影响的消除：利用光学信号处理单元两端口输出功率的比值进行解调，光源功率的抖动在做功率比值处理时相抵消，因此光源功率抖动影响被消除。

光子集成芯片环境温度敏感性的消除：图4是在环境温度恒定时“波长——功率比值”关系曲线，光功率比值改变量δR映射了样品浓度引起传感单元的波长漂移量为δλ＝δλ_Sample。图5是环境温度改变时“波长——功率比值”关系曲线，温度改变时，温度变化引起传感单元的波长漂移量为δλ_T-S、光学信号处理单元的波长漂移量为δλ_T-P(即为“光功率比值—波长”曲线漂移量)，因传感单元和光学信号处理单元具有相同的温度响应特性，故有δλ_T-S＝δλ_T-P；虽然传感单元的波长改变总量为δλ’＝δλ_Sample+δλ_T-S，但是由于δλ_T-P＝δλ_T-S，对应的光功率比值改变量仍为δR，映射的仍是样品浓度引起传感单元的波长漂移量δλ_Sample。因此可以消除光子集成芯片的温度敏感性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明阐述的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种光子集成阵列免标记光学生化传感检测系统，其特征在于：

该传感检测系统包括：宽谱光源(1)、微透镜(2)、光子集成芯片(3)、微流控通道(4)、微透镜阵列(5)、线阵光电探测器和(6)数据采集与处理单元传感单元(7)；

光子集成芯片(3)包括：1×N多模波导光分路单元(8)；N个级联双波导微环传感单元(9-1)、(9-2)、(9-3)、……、(9-N)；N个光学信号处理单元(10-1)、(10-2)、(10-3)、……、(10-N)；

1×N多模波导光分路单元(8)的输出波导与N个级联双波导微环传感单元依次通过L形波导连接；

N个级联双波导微环传感单元依次与N个光学信号处理单元依次通过直波导连接；

每个传感单元由第一直波导(S-1)、第一微环(S-2)、第二微环(S-3)和第二直波导(S-4)依次耦合构成，第一微环(S-2)的半径大于第二微环(S-3)的半径；

每个光学信号处理单元由1×2光波导分路器(P-1)、第一拱形波导(P-2)、第二拱形波导(P-3)和2×2光波导耦合器(P-4)依次相连构成，第一拱形波导(P-2)的长度大于第二拱形波导(P-3)的长度；

N个级联双波导微环传感单元(9-1)、(9-2)、(9-3)、……、(9-N)的微环波导表面分别固载N种不同种类的特异性生物分子敏感层；

微流控通道(4)覆盖于N个传感单元上；

宽谱光源(1)与微透镜(2)通过光纤连接；

线阵光电探测器(6)与数据采集与处理单元传感单元(7)通过电缆连接。

2.一种光子集成阵列免标记光学生化传感检测系统，其特征在于按照以下步骤进行传感检测：

a.宽谱光源(1)输出的光波经微透镜(2)耦合进入1×N多模波导光分路单元等分为N路，然后分别经过L形波导进入N个传感单元，光波在传感单元的微环波导中传播，倏逝波与波导上包层的生物分子发生相互作用；

b.传感单元微环波导表面固载不同种类的特异性生物分子敏感层，生物分子敏感层捕获微流控通道(4)输送的待测样品溶液中与其特异性匹配的目标分子，实现免标记传感；捕获目标分子前后波导上包层的折射率不同，会导致光波在微环中传输的有效折射率不同，引起传感单元输出光波波长的改变；

c.传感单元输出的光波经直波导进入光学信号处理单元后，由1×2光分路器(P-1)分成两路，分别进入第一拱形波导(P-2)和第二拱形波导(P-3)，第一拱形波导(P-2)和第二拱形波导(P-3)的长度不同，两路光波传输产生相位差，然后进入2×2波导耦合器(P-4)耦合输出，两端口输出光功率分别是相位差的正弦平方函数和余弦平方函数；传感单元输出光波波长的改变经光学信号处理单元转换为两端口输出光功率的变化；

d.光学信号处理单元输出的光波经微透镜阵列(5)聚焦进入线阵光电探测器(6)进行光电转换，电信号经电缆进入数据采集与处理单元(7)；在数据采集与处理单元(7)中，对每个光学信号处理单元输出两路光信号转换的电信号进行比值处理，信号功率比值为余切平方函数；每个光学信号处理单元输出两路光信号功率的变化转换为信号功率比值的变化，基于此构建“样品浓度——光波长——功率比值”解调函数；

e.依据“样品浓度——光波长——功率比值”解调函数，通过每个光学信号处理单元输出两端口信号功率比值的改变量和与光学信号处理单元对应的传感单元微环波导表面的特异性生物分子敏感层类型，获得待测样品溶液中含有的与敏感层特异性匹配的目标分子的种类和浓度；N个传感单元微环波导表面分别固载N种不同种类的特异性生物分子敏感层，一次送样即实现多目标分子的联检功能。