CN109374570A - 一种太赫兹生物传感器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹生物传感器件，将共面波导和微流控沟道设计在一个器件上，将太赫兹的产生、传输和探测以及微流控芯片都集成在一起，可直接在外部泵浦激光的激励下产生太赫兹信号，由此实现对器件的微流控沟道中的液体生物样品的太赫兹探测；避免使用太赫兹TDS系统，方便生物样品的检测；基于共面波导的太赫兹微流控芯片的沟道形状及厚度尺寸的设计是根据流体力学、各种生物分子线度及太赫兹探测区域半径等因素设计的，适用于大部分生物溶液样品的太赫兹光谱检测；另外，微流控芯片由于其通道尺寸非常小，节省了样品的使用量。
Description
技术领域
本发明属于液体样品的太赫兹时域光谱测量技术领域，具体涉及一种太赫兹生物传感器件。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10THz(波长在30～3000μm)之间的电磁波，其波段位于微波和红外之间。近十几年来超快激光技术和半导体材料科学与技术的迅速发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，促进了太赫兹在光谱学和成像技术方面的广泛应用。
太赫兹时域光谱系统是利用飞秒激光对光电导材料或电光材料进行激发，发射出的太赫兹脉冲被聚焦后，照射到样品上，太赫兹脉冲就被样品调制，携带了样品信息的太赫兹脉冲再次聚焦到探测器上，通过控制探测光和泵浦光的时间延迟来完成对整个太赫兹脉冲在时域上的相干测量。然后对太赫兹时域谱进行傅里叶变换，最后得到样品的频域信息。利用这种探测技术已经对大量的物质进行了频谱分析，例如在半导体、药品、生物分子的研究分析中，光谱学发挥着非常重要的作用。然而它具有如下的局限性，(1)样品太大；由于太赫兹聚焦的光斑的大小由衍射极限决定，因此小于波长的样品会使太赫兹波漏掉。(2)频谱分辨率低；光路中由于太赫兹反射器、探测器以及相干元件会使探测到的太赫兹脉冲有反射回波，而反射回波产生在主波之后，在对太赫兹脉冲进行傅里叶变换时，主波与反射回波之间的距离限制了时间窗口的长度，从而使傅里叶变换后的频谱分辨率受到影响，使得本该出现的样品吸收峰不易被发现。(3)系统尺寸大；典型的太赫兹时域光谱系统主要部件包括如下部分，波长为800nm的飞秒激光器、太赫兹发射和接收部分以及准直聚焦光路，这使系统的尺寸很难缩小，无法实现便携。(4)水的吸收；由于水中氢键的影响造成了水对太赫兹的强烈吸收，而系统对样品体积要求不能太小，这就对水溶性生物样品的太赫兹光谱提取造成了极大困难。传统的太赫兹时域光谱系统对液体的检测通常是通过一个微流控沟道来实现，将制作好的微流控沟道置于太赫兹光路中，当太赫兹穿过液体时，携带了液体的信息，然后在接收端通过光电导取样或者电光方法得到液体样品的信息。这种方法存在的问题是：太赫兹时域光谱系统过于庞大，不易于携带，且太赫兹在空间传播的损耗较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种太赫兹生物传感器件，可直接在外部泵浦激光的激励下产生太赫兹信号，由此实现对器件的微流控沟道中的生物样品的太赫兹探测。
一种太赫兹生物传感器件，包括从上至下依次固连在一起的盖片(2)、介质层(3)和基片(1)；
所述盖片(2)下表面开有凹槽，作为液体通道；盖片(2)上表面开有两个分别联通液体通道的通孔，分别作为进液口(4)和出液口(5)；
在对应于液体通道(6)正下方的位置，所述基片(1)上表面设置有共面波导(7)；共面波导(7)包括在基底上镀有的3条平行且互不接触的金线，顺次定义为第一金线(8)、第二金线(9)和第三金线(10)；第一金线(8)与第二金线(9)上表面跨接有第一低温砷化镓(11)，用于接收泵浦激光，形成第一光电导开关；第二金线(9)与第三金线(10)上表面跨接有第二低温砷化镓(12)，用于接收探测激光，形成第二光电导开关；第一低温砷化镓(11)和第二低温砷化镓(12)分别位于3条金线的两端；第一金线(8)靠近第一低温砷化镓(11)的一端接电源正极，第二金线(9)靠近第一低温砷化镓(11)的一端接地；第二金线(9)与第三金线(10)均靠近第二低温砷化镓12的一端之间串连电流表。
较佳的，所述基片(1)的材料为抛光熔融石英；盖片(2)的材料为PDMS；介质层(3)的材料为聚酰亚胺。
较佳的，介质层(3)的厚度为10μm。
较佳的，基片(1)、盖片(2)的长度都为7mm，宽度都为6mm；介质层(3)的长度为5mm，宽度为4mm；基片(1)的厚度为1mm，盖片(2)的厚度为200μm；进液口(4)和出液口(6)的半径都为1mm；液体通道(6)长度为3mm，宽度为2mm，流体通道(6)的深度为50μm。
较佳的，第二金线(9)的有效传输长度为1mm，宽度为50μm；第三金线(10)和第一金线(8)的长度均为1mm，宽度均为100μm；第二金线(9)、第三金线(10)以及第一金线(8)的厚度均为0.25μm；第一金线(8)与第二金线(9)之间以及第二金线(9)与第三金线(10)之间的间隔均为55μm。
本发明具有如下有益效果：
本发明将共面波导和微流控沟道设计在一个器件上，将太赫兹的产生、传输和探测以及微流控芯片都集成在一起，可直接在外部泵浦激光的激励下产生太赫兹信号，由此实现对器件的微流控沟道中的液体生物样品的太赫兹探测；避免使用太赫兹TDS系统，方便生物样品的检测；
基于共面波导的太赫兹微流控芯片的沟道形状及厚度尺寸的设计是根据流体力学、各种生物分子线度及太赫兹探测区域半径等因素设计的，适用于大部分生物溶液样品的太赫兹光谱检测；另外，微流控芯片由于其通道尺寸非常小，节省了样品的使用量；
基底采用熔融抛光石英，其特点是对可见光透明、太赫兹透过率极高、疏水性强、具有一定机械强度、抗腐蚀性较强和低损耗等特点，且激光从基底下方入射，使检测过程更加可靠，结果更加准确，从而增加了该传感器件的灵敏度；
该传感器的制造方法简单，制造效率高，且加工成本低，键合过程中不涉及精密加工，所以制造出的芯片厚度一致且均匀，芯片的质量更好。
附图说明
图1为本发明的太赫兹生物传感器件的剖面示意图；
图2为本发明中面波导的示意图；
图3为本发明的太赫兹生物传感器件的俯视图。
1-基片，2-盖片，3-介质层，4-进液口,5-出液口，6-液体通道，7-共面波导，8-第一金线，9-第二金线，10-第三金线，11-第一低温砷化镓，12-第二低温砷化镓，13，14,15,16-电极。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
太赫兹波导可以分为两大类。第一类是自由空间波导，它捕捉和限制自由空间中产生的太赫兹辐射，突出的例子是悬浮线波导和平行板波导。第二类是片上波导，其中太赫兹辐射被限制在表面附近，例如共面线，微带线或共面波导。与自由空间波导相比，片上波导通常表现出更高的衰减和色散，这是因为与自由空间相比，传播电场主要局限于有损耗的介电材料。因此它们通常不适合对信号进行长距离传输，但可以通过光刻的方式使波导的结构更紧凑，并且能为光谱应用提供高频分辨率。高频分辨率的产生是因为通过适当设计光刻结构特征来消除阻抗不连续性的信号反射带来的干扰。共面波导作为一种性能优越、加工方便的微波平面传输线，在电路中正发挥越来越大的作用，尤其到了毫米波频段，共面波导更拥有微带线所不可比拟的性能优势。与常规的微带传输线相比，共面波导具有容易制作，容易实现无源、有源器件在微波电路中的串联和并联以及容易提高电路密度等优点。随着毫米波技术的发展，微带线在诸多方面中表现出了其很多不足，比如在高频段的损耗的问题与色散的问题等，这些问题已变得越来越不容忽视了。在这样的大环境下，共面波导得到了更广泛的运用。
本发明将太赫兹的产生、传输、探测以及微流控芯片都集成在一起，液体在微流控沟道里，只需要将两束激光入射到用于产生和探测的两片低温砷化镓上，通过共面波导来传输太赫兹，太赫兹携带的液体信息导致探测端低温砷化镓上的载流子形成的电流大小发生改变，从而达到检测液体的目的，真正意义上的成为了片上系统。
如图1所示，本发明的一种太赫兹生物传感器件，包括从上至下依次固连在一起的盖片2、介质层3和基片1；盖片2下表面开有凹槽，作为液体通道6；盖片2上表面开有两个分别联通液体通道6的通孔，分别作为进液口4和出液口5；
在对应于液体通道6正下方的位置，所述基片上表面设置有共面波导；共面波导包括在基底上镀有的3条平行且互不接触的金线，顺次定义为第一金线8、第二金线9和第三金线10；第一金线8与第二金线9上表面跨接有第一低温砷化镓11，用于接收泵浦激光，形成第一光电导开关；第二金线9与第三金线10上表面跨接有第二低温砷化镓12，用于接收探测激光，形成第二光电导开关。第一低温砷化镓11和第二低温砷化镓12分别位于3条金线的两端。第一金线8靠近第一低温砷化镓11的一端接电源正极，第二金线9靠近第一低温砷化镓11的一端接地；第二金线9与第三金线10均靠近第二低温砷化镓12的一端之间串连电流表，用于接收第二光电导开关产生的太赫兹信号的时域信息。
如图3所示，为了便于对3条金线供电和引出信号，通过金丝线分别从第一金线8和第二金线9位于第一低温砷化镓11的一侧引出两个电极13和电极14，该两个电极间接20V偏压；再通过金丝线分别从第二金线9和第三金线10位于第二低温砷化镓12的一侧引出两个电极15和16，该两电极之间接一个电流表。
基片1的材料为抛光熔融石英；盖片2的材料为PDMS；介质层3的材料为聚酰亚胺。介质层3的厚度为10μm，此时太赫兹波的传输损耗最小。第二金线9的有效传输长度为1mm，宽度为50μm；第三金线10和第一金线8的长度均为1mm，宽度均为100μm；第二金线9、第三金线10以及第一金线8的厚度均为0.25μm，第一金线8与第二金线9之间以及第二金线9与第三金线10之间的间隔均为55μm，这些都是减小太赫兹波在共面波导上传输损耗的最佳参数。基片1、盖片2的长度都为7mm，宽度都为6mm；介质层3的长度为5mm，宽度为4mm；基片1的厚度为1mm，盖片2的厚度为200μm；进液口4和出液口5的半径都为1mm；液体通道6长度为3mm，宽度为2mm，流体通道6的深度为50μm。
本发明的一种太赫兹生物传感器件的工作过程为：
将该生物传感器件置于带有机械延迟线的飞秒激光泵浦和探测脉冲光路中。为了在共面波导7中产生太赫兹信号，将来自Ti：蓝宝石激光器(100fs持续时间，800nm中心波长，1GHz重复率，800mW平均功率)中出射的飞秒激光分为两束，一束泵浦光脉冲透过基底1聚焦到第一光电导开关的第一低温砷化镓11上，此时第一低温砷化镓11上会产生载流子；且产生载流子的那一面与金线(9)的上表面相接触，因此能有效地传输太赫兹波。如图3，向其施加20V偏压，正极加在第一金线8上，而第二金线9用来当作地线，在外加电场的作用下，载流子的移动会向外辐射出太赫兹信号。太赫兹信号沿着第一砷化镓11、第一金线8以及第二金线9水平方向上传播，因此会携带着液体通道6中样品信息并传播到第二低温砷化镓12上；Ti：蓝宝石激光器的另一束探测光脉冲聚焦在第二光电导开关的第二低温砷化镓12上，此时也会产生载流子，到达第二低温砷化镓12的太赫兹波相当于给第二低温砷化镓12加了一个电场，因此会使载流子定向移动，从而产生电流，通过电极15和电极16之间的电流表瞬态光电流来记录太赫兹时域光谱的信息，然后进行傅里叶变换得到频域信息。经过数据处理后可获得液体通道6中样品信息。
共面波导7的制作是分如下几个步骤：
第一步是进行掩模版的设计与制作，把仿真数据及其结构参数在L-EDIT软件中制成模型，画出了表层结构即可，然后进行掩模版实物的制作。
第二步是通过光刻技术将掩模版的图形复制到熔融石英玻璃基底1上。
第三步是将光刻后的熔融石英玻璃放入真空蒸镀机中蒸镀一层0.25μm的金，这样就得到了共面波导。得到了共面波导之后需要将低温砷化镓薄膜转移到共面波导上，结构如图1所示，这样就得到了带有电极的共面波导。将聚酰亚胺旋涂沉积到带有电极的共面波导上，然后通过控制甩胶机的转速和时间以形成10um厚的聚酰亚胺电隔离层。最后通过在SU-8模具上浇铸脱气聚二甲基硅氧烷(PDMS，以1:10固化剂-基料比制备)，在80℃下固化1小时，脱模后得到厚度为200μm的PDMS膜，其中微流控沟道的深度为50μm。再使用1mm直径的打孔器在PDMS通道的端部处形成流体入口和出口孔。接下来使用不可逆的氨-环氧树脂结合技术将具有微流控沟道的PDMS膜粘贴到聚酰亚胺表面，其中要粘合的两个面暴露于50瓦的氧离子刻蚀机中1分钟，在表面上形成羟基。将3-氨基丙基三乙氧基硅烷和去离子水溶液倒在要结合的聚酰亚胺的那一面上，并且将3-缩水甘油氧基丙基三乙氧基硅烷和丙二醇溶液倒在要结合的PDMS沟道那一面上，各自停留20分钟，在此之后将氨基硅烷溶液和环氧硅烷溶液涂在经过氧气处理的两个表面上。使两个功能化表面接触并放置1小时，直到聚酰亚胺层和PDMS之间形成结合，流经通道的流体是使用计算机控制的注射泵。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)
1.一种太赫兹生物传感器件，其特征在于，包括从上至下依次固连在一起的盖片(2)、介质层(3)和基片(1)；
所述盖片(2)下表面开有凹槽，作为液体通道；盖片(2)上表面开有两个分别联通液体通道的通孔，分别作为进液口(4)和出液口(5)；
在对应于液体通道(6)正下方的位置，所述基片(1)上表面设置有共面波导(7)；共面波导(7)包括在基底上镀有的3条平行且互不接触的金线，顺次定义为第一金线(8)、第二金线(9)和第三金线(10)；第一金线(8)与第二金线(9)上表面跨接有第一低温砷化镓(11)，用于接收泵浦激光，形成第一光电导开关；第二金线(9)与第三金线(10)上表面跨接有第二低温砷化镓(12)，用于接收探测激光，形成第二光电导开关；第一低温砷化镓(11)和第二低温砷化镓(12)分别位于3条金线的两端；第一金线(8)靠近第一低温砷化镓(11)的一端接电源正极，第二金线(9)靠近第一低温砷化镓(11)的一端接地；第二金线(9)与第三金线(10)均靠近第二低温砷化镓12的一端之间串连电流表。
2.如权利要求1所述的一种太赫兹生物传感器件，其特征在于，所述基片(1)的材料为抛光熔融石英；盖片(2)的材料为PDMS；介质层(3)的材料为聚酰亚胺。
3.如权利要求1所述的一种太赫兹生物传感器件，其特征在于，介质层(3)的厚度为10μm。
4.如权利要求1所述的一种太赫兹生物传感器件，其特征在于，基片(1)、盖片(2)的长度都为7mm，宽度都为6mm；介质层(3)的长度为5mm，宽度为4mm；基片(1)的厚度为1mm，盖片(2)的厚度为200μm；进液口(4)和出液口(6)的半径都为1mm；液体通道(6)长度为3mm，宽度为2mm，流体通道(6)的深度为50μm。
5.如权利要求1所述的一种太赫兹生物传感器件，其特征在于，第二金线(9)的有效传输长度为1mm，宽度为50μm；第三金线(10)和第一金线(8)的长度均为1mm，宽度均为100μm；第二金线(9)、第三金线(10)以及第一金线(8)的厚度均为0.25μm；第一金线(8)与第二金线(9)之间以及第二金线(9)与第三金线(10)之间的间隔均为55μm。
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