CN106066303A - 一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导。所述纳流道棱镜波导包括太赫兹多次衰减全反射(M‑ATR)棱镜1，规则排列的阵列式纳流道2，盖片3，太赫兹波耦合面4，所述阵列式纳流道2设置于太赫兹M‑ATR棱镜1上下两面，所述盖片3用于密封纳流道2，所述盖片3与阵列式纳流道结构2接触的一面设有与纳流道2垂直的微流道31，所述微流道31上设有进出样孔32，所述太赫兹波耦合面4设置在太赫兹M‑ATR棱镜1两端。利用本发明的纳流道棱镜波导，可在溶液环境下的生物分子的太赫兹光谱检测中，增强生物分子的太赫兹特征吸收信号，提高特征光谱的信噪比。

Description

一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导 及其制备方法

技术领域

本发明涉及太赫兹生物分子检测技术，具体涉及一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导及其制备方法。

背景技术

生物分子的太赫兹光谱包含着丰富的物理和化学信息，能够直接反映分子的低频振动，这些振动直接关系着生物分子的空间构象以及相应的化学性质和生物功能。因此，太赫兹光谱是一种有效的生物检测技术。

鉴于蛋白质等生物分子只有在水环境下才能实现各项生命功能，检测生理溶液中活性生物分子的太赫兹光谱才更具有实际的意义。但是，水对太赫兹波的强吸收，一直是在溶液环境中检测生物分子太赫兹特征光谱的障碍。水分子的强极性导致的对太赫兹波的强吸收，会掩盖相对较弱的生物分子的吸收衰减信号；另外，相比晶格结构的分子间振动，生物分子在溶液中的振动模态更加多样和随机，这使得很难在太赫兹光谱上观测到明显、稳定、复现性强的特征光谱。

为了减弱水的背景吸收，同时对生物分子的振动模态做一定的约束，一些学者将生物溶液注入到百纳米级的阵列式流道中，并结合高光谱分辨率的太赫兹源，探测了缓冲液中短链RNA、双链DNA的太赫兹光谱，获得了10～20GHz宽的特征吸收峰。上述结果表明纳流道能够减小水与太赫兹波的作用，同时提供生物分子的受限环境，增强特征振动模态的振子强度，是在溶液中检测太赫兹特征光谱的一条行之有效的途径。然而，上述方法中太赫兹波束仅穿过百纳米级厚度的流道芯片，这样太赫兹波与样本的作用光程受纳流道深度的限制，这使得溶液中生物分子的吸收信号相对缓冲液参照信号的动态范围很低，需反复对比样本信号和参考信号才能确定特征吸收峰位。因此，如何提高太赫兹液相探测中特征信号的信噪比，是太赫兹生物检测技术亟待突破的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱 镜波导及其制备方法，用以在液相环境的太赫兹生物检测中，提高生物分子特征光谱的信噪比。

为达到上述目的，本发明具体公开了如下的技术方案：

1、一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导，所述纳流道棱镜波导由阵列式纳流道与太赫兹多次衰减全反射(M-ATR)棱镜集成。

优选的，所述纳流道棱镜波导包括太赫兹M-ATR棱镜1，规则排列的阵列式纳流道2，盖片3，太赫兹波耦合面4，所述阵列式纳流道2设置于太赫兹M-ATR棱镜1上下两面，所述盖片3用于密封纳流道2，所述盖片3与阵列式纳流道结构2接触的一面设有与纳流道2垂直的微流道31，所述微流道31上设有进出样孔32，所述太赫兹波耦合面4设置在太赫兹M-ATR棱镜1两端。

优选的，所述太赫兹波耦合面4面形精度小于500nm，表面粗糙度小于100nm，所述波束耦合面倾斜角为波束入射角，波速入射角大小设置成大于临界内反射角。

优选的，所述纳流道2宽500～800nm、深800～1200nm，相邻两通道的间距500～800nm。

优选的，所述微流道31有两条并分别置于纳流道2两侧，所述微流道31宽200～500μm、深5～100μm，所述微流道31的长度能贯穿每一条纳流道2。

优选的，所述进样孔32设置在每一条微流道31的两端。

2、所述增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导的制备方法，包括以下步骤：

1)通过热氧化在硅棱镜上表面形成厚度为800～1200nm的SiO₂层；

2)在SiO₂层上刻蚀厚度与SiO₂层一致，宽度为500～800nm的规则排列的阵列式纳流道，相邻两通道的间距500～800nm；

3)取玻璃片，采用湿法刻蚀在玻璃片对应位置刻蚀出与纳流道垂直的微流道，微流道宽200～500μm、深5～100μm；

4)通过激光打孔，在玻璃片的微流道两头打出进出样孔；

5)通过阳极键合，将经步骤2)制备的带有阵列式纳流道的硅棱镜与步骤4)制备的玻璃片键合，使微流道连通各条纳流道，并形成密封的流道结构；

6)重复1～5的步骤，在硅棱镜的下表面也形成同样密封的流道结构，即形成纳流道硅棱镜；

7)通过切削、抛光或者湿法刻蚀技术制作纳流道硅棱镜的波束耦合面，并设计波束耦合 面的入射角，即形成纳流道棱镜波导。

优选的，步骤3)所述玻璃片的厚度为400～1000μm。

优选的，所述波束耦合面面形精度小于500nm，表面粗糙度小于100nm，所述波束耦合面倾斜角为波束入射角，波速入射角大小设置成大于临界内反射角。

本发明的有益效果在于：

1、利用本发明的纳流道棱镜波导，可在太赫兹波段下，实现阵列式纳流道与太赫兹M-ATR结合的探测方式；

2.利用本发明的纳流道棱镜波导，可在溶液环境下的生物分子的太赫兹光谱检测中，增强生物分子的太赫兹特征吸收信号，提高特征光谱的信噪比。为实现在生理状态下对活性生物分子太赫兹指纹峰的高信噪比探测提供支持。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：

图1表示纳流道棱镜波导的结构示意图；

图2表示纳流道棱镜波导的右视图；

图3表示纳流道棱镜波导的俯视图；

图4表示阵列式纳流道集成太赫兹M-ATR，对吸收信号增强作用的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

选用电阻率大于1000Ω·cm高阻硅为棱镜材料，保证太赫兹的高透射。根据太赫兹光斑大小，为了使尽可能多的能量耦合入硅棱镜，拟选取5mm厚的硅片；

棱镜表面阵列式流道的侧壁面采用氧化-光刻的方法形成。所以内反射界面为硅-二氧化硅、溶液界面。流道面用上述2个物质折射率的加权平均值计算出有效介质的折射率，

$n_{em}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{SiO}}_2}}{p}{n}_{{\mathrm{SiO}}_2}+\frac{{\mathrm{\ω}}_{Sol}}{p}{n}_{Sol}---\left(1\right)$

上式中为SiO₂通道侧壁的宽度，ω_Sol为通道中溶液占据的宽度，p为阵列的周期间距。在本例中n_Sol＝1.0～1.5，

根据下式确定全内反射的入射角，

$d_p=\frac{\mathrm{\λ}/n_{Si}}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\θ}-{(n_{em}/n_{Si})}^2}}---\left(2\right)$

d_p为太赫兹波的电场强度衰减至表面处的1/e时的特征穿透深度，λ为入射波波长，θ为入射角。在本例中n_Si＝3.4～3.5，入射角的选取应大于临界角，本例中选55°。

根据比尔-朗伯定律，太赫兹波每经过一次内反射，就会与纳流道区域内的生物溶液作用，发生1次特征吸收，

$E^2\left(z\right)=E_0^2{e}^{-\mathrm{azn}---\left(3\right)}$

上式中E₀和E分别为入射和出射硅棱镜的太赫兹波强度，α为生物溶液特征吸收带的吸收系数，z为流道中溶液的厚度，n为太赫兹波与流道中溶液作用的内反射次数。由于z很小，仅为亚微米级，所以公式(3)可简化为线性变化。本例设计10次内发射，将特征吸收带的信噪比提高1个数量级。

将硅棱镜的上下表面都集成流道结构，那么棱镜的长度可根据全内反射的次数由下式确定

l＝nd tan θ (4)

上式中l为全内反射硅棱镜的长度，d为两个反射面间的距离，θ为入射角。那么使入射光以55°入射，在5mm厚的棱镜上全反射10次所需的最小棱镜长度为7.2cm。纳流道的长度在10mm，以保证倏逝波完全投射在阵列式纳流道区域，棱镜的宽度可选为20mm，那么该尺寸的芯片在4寸硅片上加工实现。

实施例1

纳流道棱镜波导的制备方式如下：

1)通过热氧化在硅棱镜上表面形成厚度为800nm的SiO₂层；

2)在SiO₂层上刻蚀厚度与SiO₂层一致，宽度为800nm的规则排列的阵列式纳流道，相邻两通道的间距800nm；

3)取玻璃片，采用湿法刻蚀在玻璃片对应位置刻蚀出与纳流道垂直的微流道，微流道宽400μm、深50μm；

4)通过激光打孔，在玻璃片的微流道两头打出进出样孔；

5)通过阳极键合，将经步骤2)制备的带有阵列式纳流道的棱硅镜与步骤4)制备的玻璃片键合，使微流道连通各条纳流道，并形成密封的流道结构；

6)重复1～5的步骤，在硅棱镜的下表面也形成同样密封的流道结构，即形成纳流道硅棱镜；

7)通过切削技术制作纳流道硅棱镜的波束耦合面，并设计波束耦合面的入射角，即形成纳流道棱镜波导。

所制备的纳流道棱镜波导如图1所示，其中1表示M-ATR棱镜，2表示规则排列的阵列式纳流道，3表示盖片，4表示太赫兹波耦合面，31表示微流道，32表示进出样孔。其中图2、3分别表示纳流道棱镜波导的右视图和俯视图。

通过聚焦透镜，将差频连续太赫兹源发出的太赫兹光束聚焦到约5mm直径，垂直投射到硅棱镜的太赫兹耦合斜面上，太赫兹波束会在棱镜内发生10次内反射，每次发生内反射的倏逝波都会与棱镜表面纳流道结构中的生物分子作用，增强特征吸收频带的强度，然后从另一耦合面射出。

如图4所示，图4表示本发明中阵列式纳流道集成太赫兹M-ATR，对吸收信号增强作用的原理示意图；其中：1表示棱镜波导、2表示阵列式纳流道、3表示太赫兹波、4表示溶液、5表示壁面、6表示倏逝波、7表示溶液中的生物分子。

检测λ-DNA溶液，其浓度约在1.0μg/μL左右。首先将流道内通入缓冲液，将差频连续太赫兹源的分辨率调至几百MHz，并在0.1-1.0THz波段扫频，获得该波段的参考信号P_R(v)；然后将流道用去离子水清洗、干燥，充入待测的生物溶液，按照上述要求获得样本信号P_S(v)；最后阻断太赫兹光路，测量仪器系统的背景噪声信号P_B(v)。那么生物溶液相对参考缓冲液的相对透过率可由下式获得

$T\left(v\right)=\frac{P_S\left(v\right)-P_N\left(v\right)}{P_B\left(v\right)-P_N\left(v\right)}---\left(5\right)$

将T(v)随频率v作图，图谱中出现明显信号衰减的频带即为溶液中生物分子的特征吸收峰。

本实施例中运用纳流道棱镜波导进行10次衰减全反射，可将上述吸收峰的强度增强1个数量级。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述 优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导，其特征在于，所述纳流道棱镜波导由阵列式纳流道与太赫兹多次衰减全反射(M-ATR)棱镜集成。

2.根据权利要求1所述一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导，其特征在于，所述纳流道棱镜波导包括太赫兹M-ATR棱镜(1)，规则排列的阵列式纳流道(2)，盖片(3)，太赫兹波耦合面(4)，所述阵列式纳流道(2)设置于太赫兹M-ATR棱镜(1)上下两面，所述盖片(3)用于密封纳流道(2)，所述盖片(3)与阵列式纳流道结构(2)接触的一面设有与纳流道(2)垂直的微流道(31)，所述微流道(31)上设有进出样孔(32)，所述太赫兹波耦合面(4)设置在太赫兹M-ATR棱镜(1)两端。

3.根据权利要求2所述一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导，其特征在于，所述太赫兹波耦合面(4)面形精度小于500nm，表面粗糙度小于100nm，所述波束耦合面倾斜角为波束入射角，波速入射角大小设置成大于临界内反射角。

4.根据权利要求2所述一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导，其特征在于，所述纳流道(2)宽500～800nm、深800～1200nm，相邻两通道的间距500～800nm。

5.根据权利要求2所述一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导，其特征在于，所述微流道(31)有两条并分别置于纳流道(2)两侧，所述微流道(31)宽200～500μm、深5～100μm，所述微流道(31)的长度能贯穿每一条纳流道(2)。

6.根据权利要求2所述一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导，其特征在于，所述进样孔(32)设置在每一条微流道(31)的两端。

7.权利要求1～6任一项所述增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过热氧化在硅棱镜上表面形成厚度为800～1200nm的SiO₂层；

2)在SiO₂层上刻蚀厚度与SiO₂层一致，宽度为500～800nm的规则排列的阵列式纳流道，相邻两通道的间距500～800nm；

3)取玻璃片，采用湿法刻蚀在玻璃片对应位置刻蚀出与纳流道垂直的微流道，微流道宽200～500μm、深5～100μm；

4)通过激光打孔，在玻璃片的微流道两头打出进出样孔；

5)通过阳极键合，将经步骤2)制备的带有阵列式纳流道的硅棱镜与步骤4)制备的玻璃片键合，使微流道连通各条纳流道，并形成密封的流道结构；

6)重复1～5的步骤，在硅棱镜的下表面也形成同样密封的流道结构，即形成纳流道硅棱镜；

7)通过切削、抛光或者湿法刻蚀技术制作纳流道硅棱镜的波束耦合面，并设计波束耦合面的入射角，即形成纳流道棱镜波导。

8.根据权利要求7所述增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导的制备方法，其特征在于，步骤3)所述玻璃片的厚度为400～1000μm。

9.根据权利要求7所述增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导的制备方法，其特征在于，所述波束耦合面面形精度小于500nm，表面粗糙度小于100nm，所述波束耦合面倾斜角为波束入射角，波速入射角大小设置成大于临界内反射角。