CN111135886A - 光波导微流体芯片 - Google Patents

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陈昌
刘博�
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Abstract

本发明提供一种光波导微流体芯片，包括：光波导和微流道，光波导用以将光沿水平方向导入微流道内，还包括：依次由下而上设置的下包层、波导层和上包层，波导层是氮化硅材料，波导层用以形成光波导；微流道由上而下贯穿上包层和波导层延伸进下包层；下包层和上包层均是厚度为15～30μm的高分子聚合材料，微流道不贯穿下包层、宽度为10‑100μm。具有有益效果：在柔性基底上沉积光学性能可调的氮化硅薄膜，扩展以氮化硅为光学器件材料应用的范围和形式，生产芯片级光学检测系统，把传统的台式甚至大型的光学系统缩小到芯片尺寸，保证同等甚至更出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品的高通量芯片级光学检测和分析集成系统，大幅度降低系统成本。

Description

光波导微流体芯片
技术领域
本发明涉及一种光波导微流体芯片，尤其涉及一种光波导微流体生物检测芯片。
背景技术
在现代生化分析流程中，高通量检测设备已经被广泛使用。这些设备大多采用基于微流体技术或者微孔阵列的生物芯片，装载在高性能的光学系统中，实现对诸如核酸、蛋白、病毒、细菌、细胞等等不同尺寸的生物样品的分析。这些光学系统的设计通常都基于复杂的几何光学，其体积大、成本高、需要光学准直、维护成本较高。
在精准医疗时代，小型化、高性能、低成本和可移动的集成化分析系统受到很大关注。尤其是lab on chip的概念，经过几十年的发展，基于微流体技术对生物样品的操控方面取得了长足的进步，但真正的lab on chip系统仍然缺少一种微纳尺度下的高通量生物样品的芯片级的片上光学检测和分析集成系统。
同时，在高分子聚合物薄膜上沉积光学氮化硅薄膜等材料，将以SiN为波导的集成光学器件同硅或者玻璃衬底分开且聚合物具有一定的延展性，这大大增加了以SiN等材料为波导的集成光学器件的其应用范围。
在高分子聚合物上沉积薄膜，为了不破坏聚合物的分子结构需要将沉积温度控制的越低越好，而目前主流的SiN薄膜生长温度在400度左右，仍然太高。
发明内容
为解决目前现代生化分析仪器体积庞大、成本高和满足精准医疗时代所需求的仪器小型化、可移动和集成化等一系列新的需求。本发明通过集成电路量产工艺来生产这种芯片级光学检测和分析系统，将传统光学系统的功能通过集成光学或片上光学器件来实现，不仅可以把传统的台式甚至大型的光学系统缩小到芯片尺寸，而且还保证同等甚至更出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品的高通量芯片级光学检测和分析集成系统，大幅度降低系统成本。
本发明提供一种光波导微流体芯片，包括：光波导和微流道，所述光波导用以将光沿水平方向导入所述微流道内，其特征在于：
还包括：依次由下而上设置的下包层、波导层和上包层，所述波导层是氮化硅材料，所述波导层用以形成所述光波导；
所述微流道由上而下贯穿所述上包层和所述波导层延伸进所述下包层；
所述下包层是厚度为15～30μm的高分子聚合材料，所述上包层是厚度为15～30μm的高分子聚合材料，所述微流道不贯穿所述下包层，所述微流道宽度为10-100μm。
优选地，若干个所述光波导相互平行，以将光导入所述微流道，所述光波导的宽度为300-600nm。
优选地，整层或大部分所述波导层形成一个片状的所述光波导。
优选地，所述波导层厚度为150-1000nm。
优选地，还包括氮化硅材料的入射光栅，以与所述光波导形成耦合光波导，将所述上包层上方的光导入所述光波导直至导入所述微流道；所述入射光栅凸出于所述波导层向上延伸进所述上包层。
优选地，包括若干个相互平行的所述耦合光波导。
优选地，所述波导层厚度为150-1000nm，所述耦合光波导的宽度为300-600nm。
优选地，还包括光纤，所述光纤与所述光波导光连接。
优选地，所述波导层的折射率为1.75-2.2。
优选地，所述高分子聚合材料是SU-8树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅烷、聚乙烯或苯丙环丁烯。
本发明提供一种光波导微流体芯片，在柔性基底上低温沉积光学性能可调的氮化硅薄膜，扩展了SiN光学器件材料的应用范围和形式，将传统光学系统的功能通过集成光学或片上光学器件来实现，把传统的台式甚至大型的光学系统缩小到芯片尺寸，保证同等甚至更出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品的高通量芯片级光学检测和分析集成系统，大幅度降低系统成本。
附图说明
附图1a～e是本发明光波导微流体芯片的制造流程；
附图2a～f是本发明耦合光波导微流体芯片的制造流程；
附图3是图1的俯视图；
附图4是图1片状光波导的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
在附图中，为了描述方便，层和区域的尺寸比例并非实际比例。当层(或膜)被称为在另一层或衬底“上”时，它可以直接在另一层或衬底上，或者也可以存在中间层。此外，当一层被称为在另一层“下”时，它可以直接在下面，并且也可以存在一个或多个中间层。另外，当层被称为在两个层之间时，它可以是两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。相同的附图标记始终表示相同的元件。另外，当两个部件之间称为“连接”时，包括物理连接，除非说明书明确限定，此种物理连接包括但不限于电连接、接触连接、无线信号连接。
本发明专利提出水平光波导与微流体通道一体化模块方案，快速构建微纳尺度下的高通量生物样品的芯片级的片上光学检测芯片。其中，水平光波导是指将光沿水平方向导入微流道的光波导。
本发明提供一种光波导微流体芯片，如图1e、2f～4所示，包括：光波导1311和微流道2，所述光波导1311用以将光沿水平方向导入所述微流道2内，其特征在于：
还包括：依次由下而上设置的下包层141、波导层13和上包层142，所述波导层13是氮化硅材料，所述波导层13用以形成所述光波导1311；
所述微流道2由上而下贯穿所述上包层142和所述波导层13延伸进所述下包层141；
所述下包层141是厚度为15～30μm的高分子聚合材料，所述上包层142是厚度为15～30μm的高分子聚合材料，所述微流道2不贯穿所述下包层141，所述微流道2宽度为10-100μm；将传统的台式甚至大型的光学系统缩小到芯片尺寸，而且还保证同等甚至更出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品检测的高通量芯片，大幅度降低系统成本。
其中根据引进光波导组131的光源方向不同，如：图1e是从光波导组131左端的光纤(未示出)引入光源、而图2f是从光波导组131上方引入光源，做分别介绍。
下面介绍图1e，即从光波导组131左端的光纤(未示出)引入光源的本光波导微流体芯片：
如图1e所示，光波导微流体芯片中的光波导组131可只包括一个光波导。
如图1e和图3所示，一个微流体上的光波导组131包括若干个，如n个，相互平行的光波导1311、1312…131n，以将光沿水平方向导入所述微流道2，在实际检测中，针对微流道2中含不同标记的生物分子，光波导1311、1312…131n可将分别将波长为λ1、λ2…λn的光沿水平方向导入微流道2中，利用不同波长的光激发不同标记的标记生物分子21可以同时识别这些生物分子，而不在光波导1311、1312…131n导入的激发光场中的非激生物分子20将不被识别，非激生物分子20是未经标记的生物分子或者经标记但位于光场之外而未被激发的生物分子；其中，如图3所示，所述光波导1311、1312…131n的宽度为300-600nm。
如图4所示，整层或大部分所述波导层13形成一个片状的所述光波导1311，片状光波导1311导入的激发光场可减少检测标记生物分子中的背景光信号，大大提高小生物分子的检出率。
如图3～4所示，所述波导层13厚度为150-1000nm，亦即图1e、图3～4中的所述光波导1311、1312…131n的厚度为150-1000nm。
其中，所述光纤与光波导组131光连接，进而与光波导组131中的光波导1311、1312…131n光连接。
下面介绍图2f，即从光波导组131上方引入光源的本光波导微流体芯片：
如图2f所示，还包括氮化硅材料的入射光栅(未示出)，以与所述光波导1311、1312…131n形成耦合光波导，将所述上包层142上方的光导入所述耦合光波导直至沿水平方向导入所述微流道2，其中所述上包层142是透光性层；所述入射光栅凸出于所述波导层13向上延伸进所述上包层142。
如图2f和图3所示，一个微流体上的光波导组131包括若干个，如n个，相互平行的耦合光波导1311、1312…131n，以将光沿水平方向导入所述微流道2，在实际检测中，针对微流道2中含不同标记的生物分子，耦合光波导1311、1312…131n可将分别将波长为λ1、λ2…λn的光沿水平方向导入微流道2中，利用不同波长的光激发不同标记的标记生物分子21可以同时识别这些生物分子，而不在耦合光波导1311、1312…131n导入的激发光场中的非激生物分子20将不被识别，非激生物分子20是未经标记的正常细胞或者经标记但位于光场之外而未被激发的生物分子；其中，如图3所示，所述耦合光波导1311、1312…131n的宽度为300-600nm，其中，如图2f所示，所述波导层13厚度为150-1000nm。
在本发明中，所述高分子聚合材料是SU-8树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅烷、聚乙烯或苯丙环丁烯。
在本发明中，氮化硅波导层13是在沉积温度为25-150℃的低温下形成的厚度为150nm-1000nm的氮化硅薄膜层，避免软化，硬化或熔融高分子聚合材料的下包层141，从而实现在高分子聚合材料等柔性基底上集成氮化硅光波导，可用于贴附于其他的检测器件或者材料之上，应用范围大大增加；所述氮化硅波导层13的折射率为1.75-2.2。需要说明的是，氮化硅薄膜可以是折射率均匀的薄膜，也可以是折射率不均匀的薄膜，如折射率分层结构的氮化硅薄膜。
本发明提供的光波导微流体芯片，具有有益效果：在柔性基底上沉积光学性能可调的氮化硅薄膜，扩展以氮化硅为光学器件材料应用的范围和形式，生产芯片级光学检测系统，把传统的台式甚至大型的光学系统缩小到芯片尺寸，保证同等甚至更出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品的高通量芯片级光学检测和分析集成系统，大幅度降低系统成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光波导微流体芯片，包括：光波导和微流道，所述光波导用以将光沿水平方向导入所述微流道内，其特征在于：
还包括：依次由下而上设置的下包层、波导层和上包层，所述波导层是氮化硅材料，所述波导层用以形成所述光波导；
所述微流道由上而下贯穿所述上包层和所述波导层延伸进所述下包层；
所述下包层是厚度为15～30μm的高分子聚合材料，所述上包层是厚度为15～30μm的高分子聚合材料，所述微流道不贯穿所述下包层，所述微流道宽度为10-100μm。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，若干个所述光波导相互平行，以将光导入所述微流道，所述光波导的宽度为300-600nm。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，整层或大部分所述波导层形成一个片状的所述光波导。
4.根据权利要求2～3所述的芯片，其特征在于，所述波导层厚度为150-1000nm。
5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，还包括氮化硅材料的入射光栅，以与所述光波导形成耦合光波导，将所述上包层上方的光导入所述光波导直至导入所述微流道；所述入射光栅凸出于所述波导层向上延伸进所述上包层。
6.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，包括若干个相互平行的所述耦合光波导。
7.根据权利要求5所述的芯片，其特征在于，所述波导层厚度为150-1000nm，所述耦合光波导的宽度为300-600nm。
8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，还包括光纤，所述光纤与所述光波导光连接。
9.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述波导层的折射率为1.75-2.2。
10.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述高分子聚合材料是SU-8树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅烷、聚乙烯或苯丙环丁烯。
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