CN107014777A - 聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器。其包括从下往上依次层叠的基底、下包层和上包层；所述下包层设置有贯穿其上表面的单模波导，所述单模波导的两端分别设置有光输入端和光输出端；所述单模波导与所述光输入端连接的一端设置有第一弧形部分，与所述光输出端连接的一端设置有第二弧形部分；所述第一弧形部分的外侧设置有参考微盘，所述参考微盘通过第一多模干涉耦合器与所述第一弧形部分连接；所述第二弧形部分的外侧设置有液体微腔，所述液体微腔通过第二多模干涉耦合器与所述第二弧形部分连接。本发明结构简单紧凑、性能稳定，易于集成化、规模化，抗电磁干扰能力强，在低浓度生物检测领域具有很强的实际应用价值。

Description

聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器。
背景技术
光学生物传感器由于其灵敏度高，抗电磁干扰，可多功能集成及高灵活性等优势广泛应用于临床分析、医疗诊断、食品药品安全和环境检测中。但是当前诸如癌症、艾滋病和一些快速传播的病毒(SARS、Ebola)等仍然是人类健康的巨大威胁，为了解决这些问题需要在分子探测领域对极低浓度生物分子的特性进行快速可靠的检测，这不仅对生物传感器的性能提出了更高的要求，也对传感器的便携、特异性和集成特性有更多的需求。其中回音壁模式的谐振腔由于具有高Q值的特点对折射率的扰动非常敏感还具有很高的分辨率，可以提高灵敏度和降低探测极限；同时谐振腔的表面还可以进行表面功能化修饰，从而只能与特定的生物分子发生相互作用；回音壁模式谐振腔是无标记检测，相对于荧光检测不会对待测物质产生干扰反应，操作简单。因此，回音壁模式的光学谐振腔引起了人们的广泛研究。
发明内容
本发明的发明目的是：为了解决现有平面光波导谐振腔传感器利用消逝场传感的不足，本发明提出了一种结构简单紧凑、制作工艺难度小、易于集成的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器。
本发明的技术方案是：一种聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，包括从下往上依次层叠的基底、下包层和上包层；所述下包层设置有贯穿其上表面的单模波导，所述单模波导的两端分别设置有光输入端和光输出端；所述单模波导与所述光输入端连接的一端设置有第一弧形部分，与所述光输出端连接的一端设置有第二弧形部分；所述第一弧形部分和第二弧形部分均为向所述单模波导外侧凸起的弧形结构；所述第一弧形部分的外侧设置有参考微盘，所述参考微盘通过第一多模干涉耦合器与所述第一弧形部分连接；所述第二弧形部分的外侧设置有液体微腔，所述液体微腔通过第二多模干涉耦合器与所述第二弧形部分连接。
进一步地，所述基底采用硅，所述下包层采用二氧化硅，所述上包层采用聚合物材料。
进一步地，所述参考微盘与所述单模波导采用相同的材料和波导厚度。
进一步地，所述参考微盘与所述液体微腔采用不同的半径尺寸。
进一步地，所述单模波导、参考微盘、液体微腔、第一多模干涉耦合器和第二多模干涉耦合器均采用平面集成光波导。
进一步地，所述参考微盘和所述液体微腔具有近似周期性滤波特性。
进一步地，所述液体微腔从上包层刻蚀穿透基底。
进一步地，所述参考微盘和所述液体微腔通过所述单模波导级联。
进一步地，所述单模波导与所述参考微盘通过所述第一多模干涉耦合器实现光场耦合。
进一步地，所述单模波导与所述液体微腔通过所述第二多模干涉耦合器实现光场耦合。
本发明的有益效果是：本发明采用液体微腔结构，将待测液体作为微腔芯层直接与光相互作用，通过检测输出谱谐振峰漂移，来获得待测液体折射率信息，能够极大的提升传感器灵敏度和降低探测极限，同时液体微腔与参考微盘级联形成游标效应，能够进一步提升传感器灵敏度；本发明结构简单紧凑、性能稳定，易于集成化、规模化，抗电磁干扰能力强，在低浓度生物检测领域具有很强的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器结构示意图。
图2是本发明实施例中液体微腔的光场平面分布示意图。
图3是本发明的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器的输出光谱图。
图4是本发明的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器的谐振波长漂移示意图。
其中，下包层1，光输入端2，光输出端3，单模波导4，第一弧形部分5，第二弧形部分6，参考微盘7，第一多模干涉耦合器8，液体微腔9，第二多模干涉耦合器10。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器结构示意图。一种聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，包括从下往上依次层叠的基底、下包层1和上包层；所述下包层1设置有贯穿其上表面的单模波导4，所述单模波导4的两端分别设置有光输入端2和光输出端3；所述单模波导4与所述光输入端2连接的一端设置有第一弧形部分5，与所述光输出端3连接的一端设置有第二弧形部分6；所述第一弧形部分5和第二弧形部分6均为向所述单模波导4外侧凸起的弧形结构；所述第一弧形部分5的外侧设置有参考微盘7，所述参考微盘7通过第一多模干涉耦合器8与所述第一弧形部分5连接；所述第二弧形部分6的外侧设置有液体微腔9，所述液体微腔9通过第二多模干涉耦合器10与所述第二弧形部分6连接。
本发明的传感器为从下往上依次层叠的三层结构，基底采用硅，下包层1采用二氧化硅，上包层采用聚合物材料。本发明在基底硅上制作好二氧化硅的下包层1，再在二氧化硅的下包层1上制作单模波导4和参考微盘7，最后在上包层上制作从上包层刻蚀穿透基底的液体微腔9，并采用第一多模干涉耦合器8和第二多模干涉耦合器10完成单模波导4中光耦合进入参考微盘7与液体微腔9。这里的单模波导4、参考微盘7、液体微腔9、第一多模干涉耦合器8和第二多模干涉耦合器10均由平面集成光波导或分立光学元件构成，并设置在下包层1上表面，参考微盘7与单模波导4采用相同的材料和波导厚度。
本发明的液体微腔9直接与待测液体接触，将待测液体作为液体微腔的芯层，使用芯层导模直接与光相互作用，实现光学传感。通过构造此结构可以充分利用回音壁模式光学谐振腔高Q值的特点，将光学能量绝大部分在谐振腔内，如图2所示，为本发明实施例中液体微腔的光场平面分布示意图，使得被测液体与光充分的相互作用，从而提升传感器灵敏度。
本发明的参考微盘7与液体微腔9通过单模波导4级联，参考微盘7具有近似周期滤波特性的回音壁模式谐振腔，其光谱均具有近似周期性的谐振峰。参考微盘7与液体微腔9采用不同的半径尺寸，只有同时满足参考微盘7和液体微腔9的谐振条件才能在光输出端3形成消光比最大的谐振峰，在光输出端3的光谱呈现近似周期性的谐振峰包络。如图3所示，为本发明的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器的输出光谱图，通过采用此结构能够放大谐振波长的漂移量，提升灵敏度。
本发明采用第一多模干涉耦合器8和第二多模干涉耦合器10分别与参考微盘7和液体微腔9连接，单模波导4与参考微盘7通过第一多模干涉耦合器8实现光场耦合，单模波导4与液体微腔9通过第二多模干涉耦合器10实现光场耦合。
本发明的光源可以采用宽带可调谐激光光源，波长范围为C波段和L波段。
本发明的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器的工作原理为：
首先将宽带可调谐激光光源耦合进入光输入端2，中心波长为1550nm；光输出端3连接到光谱仪；采用毛细管把待测液体注入液体微腔9中，当光源进入光输入端2时，经过第一多模干涉耦合器8和第二多模干涉耦合器10，把单模波导4中的光耦合进入参考微盘7和液体微腔9，然后通过光谱仪获得光输出端3的光谱，待测试结束后使用氮气枪将液体微腔9的被测液体排出；重复上述过程检测已知折射率的折射率匹配液的传感器输出光谱，最后对比被测液体与折射率匹配液的输出光谱，检测光谱的最大谐振峰漂移量，即可得到被测液体的传感信息。如图4所示，为本发明的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器的谐振波长漂移示意图。该检测方法具有操作简单、灵敏度高等优点，特别是在低浓度液体检测方面具有显著优势。
本发明提出液体微腔结构，将待测液体作为微腔芯层，直接与光相互作用，利用回音壁模式的谐振腔高Q值的特点，使得谐振腔对光的束缚能力很强，能量大部分都集中在谐振腔内，光与待测液体充分作用；本发明解决了传统的采用消逝场传感的方法中待测液体与消逝场的相互作用有限的问题，采用液体微腔结构，将待测液体作为光的传播介质，能够直接相互作用，利用芯层导模传感，提高检测灵敏度和降低探测极限；同时与参考微盘级联利用游标效应，进一步提高器件灵敏度。本发明的传感器结构简单紧凑，制作工艺难度小，易于集成，在低浓度生物检测领域具有很强的实际应用价值。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，其特征在于，包括从下往上依次层叠的基底、下包层(1)和上包层；所述下包层(1)设置有贯穿其上表面的单模波导(4)，所述单模波导(4)的两端分别设置有光输入端(2)和光输出端(3)；所述单模波导(4)与所述光输入端(2)连接的一端设置有第一弧形部分(5)，与所述光输出端(3)连接的一端设置有第二弧形部分(6)；所述第一弧形部分(5)和第二弧形部分(6)均为向所述单模波导(4)外侧凸起的弧形结构；所述第一弧形部分(5)的外侧设置有参考微盘(7)，所述参考微盘(7)通过第一多模干涉耦合器(8)与所述第一弧形部分(5)连接；所述第二弧形部分(6)的外侧设置有液体微腔(9)，所述液体微腔(9)通过第二多模干涉耦合器(10)与所述第二弧形部分(6)连接。
2.如权利要求1所述的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，其特征在于，所述基底采用硅，所述下包层(1)采用二氧化硅，所述上包层采用聚合物材料。
3.如权利要求2所述的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，其特征在于，所述参考微盘(7)与所述单模波导(4)采用相同的材料和波导厚度。
4.如权利要求3所述的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，其特征在于，所述参考微盘(7)与所述液体微腔(9)采用不同的半径尺寸。
5.如权利要求4所述的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，其特征在于，所述单模波导(4)、参考微盘(7)、液体微腔(9)、第一多模干涉耦合器(8)和第二多模干涉耦合器(10)均由平面集成光波导或分立光学元件构成。
6.如权利要求5所述的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，其特征在于，所述参考微盘(7)和所述液体微腔(9)具有近似周期性滤波特性。
7.如权利要求6所述的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，其特征在于，所述液体微腔(9)从上包层刻蚀穿透基底。
8.如权利要求7所述的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，其特征在于，所述参考微盘(7)和所述液体微腔(9)通过所述单模波导(4)级联。
9.如权利要求8所述的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，其特征在于，所述单模波导(4)与所述参考微盘(7)通过所述第一多模干涉耦合器(8)实现光场耦合。
10.如权利要求9所述的聚合物微盘与液体微腔级联的高灵敏度生化传感器，其特征在于，所述单模波导(4)与所述液体微腔(9)通过所述第二多模干涉耦合器(10)实现光场耦合。
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