CN111208060A - 传感芯片及其制备方法、检测系统和检测方法 - Google Patents

传感芯片及其制备方法、检测系统和检测方法 Download PDF

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Abstract

一种传感芯片及其制备方法、检测系统和检测方法，传感芯片包括：基底层；波导层，位于基底层上；光栅，位于波导层上，光栅包括光栅脊和光栅槽，光栅脊和光栅槽用于接触待测介质，光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：光栅构成等效平面结构，或者，光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质。本发明通过使光栅构成等效平面结构，能够减小光栅脊对波导层中传输的光的散射能力，这有利于提高Q值，而通过使光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质，也能够使光栅可视等效平面结构，从而提高Q值；综上，通过使光栅满足上述预设条件中的一种或两种，均能够提高传感芯片的Q值，相应使得传感芯片的检测性能得以提升。

Description

传感芯片及其制备方法、检测系统和检测方法
技术领域
本发明实施例涉及传感技术领域，尤其涉及一种传感芯片及其制备方法、检测系统和检测方法。
背景技术
光学方法常被用来进行生物或者化学样品的分析，基于光学方法的传感芯片，具有非破坏性测量、不受电磁干扰、灵敏度高、响应速度快等优点，已经在诸多医疗领域进行应用。其中，导模共振(guided mode resonance，GMR)传感器具有窄线宽、高反射率共振光(或低透射率共振光)、良好稳定性以及易于探测等诸多优点，使其在生物传感芯片方面得到了广泛的应用。
导模共振原理是由于衍射光栅将光耦合进入波导层形成导模，同时波导层中的导模受到光栅脊的调制，又会将一部分光泄露出去，且泄露光之间产生干涉。由此，产生一种在特定入射波长、特定入射角度及偏振下产生窄光谱带宽及高衍射效率的现象。基于低损耗介电材料的导模共振效应能够产生窄带宽(<1nm)、高反射率(95％～100％)的共振光，与表面等离子共振(surface plasma resonance，SPR)效应相比，导模共振效应能更高精度地测量共振波长的微小变化，因此被广泛应用于生物传感领域。
由于导模共振具有极高的反射率(极低的透射率)，在检测系统的特定入射波长及入射角度下，当外界环境发生变化时，共振波长或共振角度会发生偏移，从而使得所述检测系统的特定入射波长或者入射角度对应的反射率发生改变。因此基于共振强度(即光强反射率大小)变化的检测方法被采用。
发明内容
本发明实施例解决的问题是提供一种传感芯片及其制备方法、检测系统和检测方法，提高传感芯片的检测性能。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种传感芯片，包括：基底层；波导层，位于所述基底层上；光栅，位于所述波导层上，所述光栅包括光栅脊和光栅槽，所述光栅脊和光栅槽用于接触待测介质，所述光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：所述光栅构成等效平面结构，或者，所述光栅脊的折射率设置为与所述待测介质构成等效连接介质。
相应的，本发明实施例还提供一种传感芯片的制备方法，包括：形成基底层；在所述基底层上形成波导层；在所述波导层上形成光栅，所述光栅包括光栅脊和光栅槽，所述光栅脊和光栅槽用于接触待测介质，所述光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：所述光栅构成等效平面结构，或者，所述光栅脊的折射率设置为与所述待测介质构成等效连接介质。
相应的，本发明实施例还提供一种检测系统，包括：光源模块，适于发出出射光；导模共振传感器，包括：前述传感芯片；位于所述基底层上的壳体，所述壳体与所述基底层围成微腔，所述微腔用于容纳所述波导层、光栅以及待测介质；其中，所述导模共振传感器适于接收所述出射光并在实现导模共振后激发检测光；探测模块，适于接收所述检测光并对所述检测光进行检测。
相应的，本发明实施例还提供另一种检测系统，包括：提供待测介质、以及前述的检测系统；开启光源模块，发出所述出射光；将所述待测介质通入所述微腔中；开启所述光源模块、并将所述待测介质通入所述微腔中后，采用所述探测模块接收所述检测光并对所述检测光进行检测。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：
本发明实施例的传感芯片包括位于所述波导层上的光栅，所述光栅包括光栅脊和光栅槽，所述光栅脊和光栅槽用于接触待测介质，所述光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：所述光栅构成等效平面结构，或者，所述光栅脊的折射率设置为与所述待测介质构成等效连接介质；其中，通过使所述光栅构成等效平面结构，能够减小所述光栅脊对波导层中传输的光的散射能力，从而使光更好地被约束在所述波导层内，这有利于提高所述传感芯片的Q值(品质因子)，而通过使所述光栅脊的折射率设置为与所述待测介质构成等效连接介质，即所述光栅脊的折射率与所述待测介质的折射率相近，也能够使所述光栅可视为等效平面结构，因此，也能够使光更好地被约束在所述波导层内，从而提高Q值；综上，通过使所述光栅满足上述预设条件中的一种或两种，均能够提高所述传感芯片的Q值，相应使得传感芯片的检测性能得以提升。
可选方案中，所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米，光栅脊可视为所述波导层外的“缺陷”，通过使所述光栅脊的厚度较小，使所述光栅构成等效平面结构，以减小所述光栅脊对所述波导层中传输的光的散射能力，从而提高传感芯片的Q值。
可选方案中，所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，或者，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7，其中，占空比越小，可视为所述波导层外的“缺陷”越小，使所述光栅构成等效平面结构，从而减小所述光栅脊对所述波导层中传输的光的散射能力，而占空比越大，也能够将所述光栅视为等效平面结构，即有利于实现消除所述波导层外的“缺陷”的效果，因此，通过使所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，或者，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7，均能够提高所述传感芯片的Q值。
附图说明
图1是本发明传感芯片一实施例的结构示意图；
图2是图1所示传感芯片在不同折射率的待测介质条件下，共振波波长和反射率的关系图；
图3是图2中虚线框内的放大图；
图4是本发明传感芯片另一实施例的结构示意图；
图5是图4所示传感芯片在不同折射率的待测介质条件下，共振波波长和反射率的关系图；
图6是图5中虚线框内的放大图；
图7是本发明传感芯片又一实施例的结构示意图；
图8是本发明传感芯片再一实施例的结构示意图
图9是本发明传感芯片的制备方法一实施例的流程示意图；
图10是图9所示实施例中步骤S1对应的结构示意图；
图11是图9所示实施例中步骤S3对应的波导层的厚度和灵敏度的关系图；
图12至图13是图9所示实施例中步骤S5对应的结构示意图；
图14是图9所示实施例中步骤S6对应的结构示意图；
图15是图9所示实施例中步骤S7对应的流程示意图；
图16是图9所示实施例中步骤S7对应的结构示意图；
图17是本发明检测系统一实施例的结构示意图；
图18是本发明检测系统另一实施例的结构示意图；
图19是采用图18所示检测系统，在不同折射率的待测介质条件下，共振波长与反射率的关系图；
图20是采用图18所示检测系统，在不同厚度的生物分子层条件下，共振波波长和反射率的关系图。
具体实施方式
传统导模共振传感芯片的基本原理是：衍射光栅产生的某级次衍射光，若同时满足波导层中传播的条件，即可在波导层中形成导模传输。但由于波导层的一端受光栅脊的调制，所以一部分导模光又会泄露出去成为泄露模，泄露模之间产生干涉，由此产生导模共振现象。
这种易于探测的泄漏模式导致导模共振传感芯片的Q值较低，从而影响其对低信号的探测。品质因数是一个结合灵敏度和Q值来描述传感芯片性能的参量，为了提高传感性能，相应需提高其灵敏度和Q值。然而，当提高传感芯片的Q值(即线宽变小)时，相应又会导致其灵敏度下降。所以，受到灵敏度的限制，难以提高导模共振传感芯片的Q值，从而导致目前传感芯片的检测性能不佳。
为了解决所述技术问题，本发明实施例提供一种传感芯片，包括：波导层，位于所述基底层上；光栅，位于所述波导层上，所述光栅包括光栅脊和光栅槽，所述光栅脊和光栅槽用于接触待测介质，所述光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：所述光栅构成等效平面结构，或者，所述光栅脊的折射率设置为与所述待测介质构成等效连接介质。其中，通过使所述光栅构成等效平面结构，能够减小所述光栅脊对波导层中传输的光的散射能力，从而使光更好地被约束在所述波导层内，这有利于提高所述传感芯片的Q值，而通过使所述光栅脊的折射率设置为与所述待测介质构成等效连接介质，即所述光栅脊的折射率与所述待测介质的折射率相近，也能够使所述光栅可视为等效平板波导，因此，也能够使光更好地被约束在所述波导层内，从而提高Q值；综上，通过使所述光栅满足上述预设条件中的一种或两种，均能够提高所述传感芯片的Q值，相应使得传感芯片的检测性能得以提升。
为使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1是本发明传感芯片一实施例的结构示意图。其中，I代表入射光(incidentlight)，R代表反射光(reflective light)，T代表透射光(transmitted light)。
参考图1，所述传感芯片适于对待测介质进行检测，所述传感芯片包括：基底层100；波导层110，位于所述基底层100上；光栅，位于所述波导层110上，所述光栅包括光栅脊120和光栅槽(未标示)，所述光栅槽用于容纳待测介质，所述光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：所述光栅构成等效平面结构，或者，所述光栅脊120的折射率n2设置为与所述待测介质构成等效连接介质。
所述基底层100用于为波导层110和光栅脊120起到支撑作用。
本实施例中，所述基底层100的材料为透明材料。因此，在所述传感芯片的使用过程中，入射光不仅可以从朝向所述光栅脊120的方向入射，也可以从朝向所述基底层100的方向入射，这提高了该传感芯片的使用灵活性。而且，透明材料对光的吸收较小，便于对透射谱的测量。
本实施例中，所述基底层100的材料为石英，石英的折射率为1.45。在其他实施例中，所述基底层的材料还可以为玻璃或其他透明材料。
所述光栅将光耦合进入波导层110中形成导模。同时，又由于所述光栅脊120的周期性调制作用，所述波导层110中的导模受到所述光栅脊120的调制，又会将一部分光泄露出去，形成泄漏模，从而引起光场能量的重新分配，进而产生导模共振效应。
所述光栅包括光栅脊120和光栅槽(未标示)，所述光栅脊120和光栅槽用于接触待测介质，当待测介质改变时，可视为外界环境发生变化，共振波长或共振角度会发生偏移，从而引起共振强度(即光强反射率大小)变化以实现检测。
所述光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：所述光栅构成等效平面结构，或者，所述光栅脊120的折射率n2设置为与所述待测介质构成等效连接介质。
本实施例中，所述光栅构成等效平面结构。通过使所述光栅构成等效平面结构，能够减小所述光栅脊120对波导层110中传输的光的散射能力，从而使光更好地被约束在所述波导层110内，这有利于提高所述传感芯片的Q值，相应使得传感芯片的检测性能得以提升。
具体地，为了使所述光栅构成等效平面结构，所述光栅脊120的厚度dg小于或等于50纳米。所述光栅脊120可视为波导层110外的“缺陷”，会将波导层110内传播的光耦合至外界环境中，因此，通过使所述光栅脊120的厚度dg较小，以减小所述光栅脊120对波导层110中传输的光的散射能力，从而提高传感芯片的Q值。
具体地，为了显著提高传感芯片的Q值，所述光栅脊120的高度dg小于或等于30纳米。但是，当所述光栅脊120的高度dg过小时，也容易增加形成所述光栅脊120的工艺难度。为此，本实施例中，考虑到传感芯片的Q值以及光栅脊120的制备难度，所述光栅脊120的高度dg为10纳米至30纳米。
本实施例中，所述光栅脊120和波导层110为一体结构，从而降低形成所述光栅脊120的工艺复杂度，例如，可以通过对波导光栅材料层进行图形化处理的方式，将图形化处理后的剩余波导光栅材料层作为所述波导层110，将位于所述波导层110上的凸起作为所述光栅脊120。相应的，所述光栅脊120的材料和所述波导层110的材料相同，所述光栅脊120的折射率n2和所述波导层110的折射率n3相同。
本实施例中，所述光栅脊120的占空比在0.3至0.7的范围内，以降低制备光栅脊120的难度，例如，占空比可以为0.4、0.5或0.6。
增大所述光栅脊120的光栅周期Λ有利于增大共振波长，从而提高传感芯片的灵敏度；但是，若所述光栅周期Λ过大，则相应会导致共振波波长过大，而待测液体可能会吸收波长较大的共振波，从而容易导致检测精准度下降。为此，本实施例中，所述光栅脊120的光栅周期Λ为150纳米至1000。
具体地，所述光栅脊120的光栅周期Λ可以为400纳米至600纳米，例如，410纳米、505纳米、550纳米等。
所述波导层110作为导模层，光场能量更倾向于分布在折射率较高的材料中，因此，所述波导层110的材料为高折射率材料，所述波导层110的折射率n3大于或等于1.8，所述波导层110的折射率n3较高，从而使得所述传感芯片具有较高的灵敏度。
获得越大折射率n3的波导层110的成本则越高。为此，本实施例中，考虑到成本以及获得波导层110的容易度，所述波导层110的折射率n3为1.8至2.7。
本实施例中，所述波导层110的材料为氮化硅。该材料是较为常见的材料且折射率合适，此外，还易于实现表面化学修改，以便于该传感芯片适于实现特异性生物识别。在其他实施例中，所述波导层的材料还可以为二氧化钛。
所述传感芯片的灵敏度主要受到所述波导层110的厚度的影响，且所述波导层110的厚度dwg过小或者过大，均会导致所述传感芯片的灵敏度降低。为此，本实施例中，所述波导层110的厚度dwg为40纳米至350纳米。40纳米至350纳米为所述传感芯片的最大灵敏度区域所对应的波导层厚度范围，从而易于使所述传感芯片达到其最佳灵敏度。
在一个具体实施例中，所述光栅脊120的光栅周期Λ可以为400纳米至600纳米，相应的，基于所述光栅周期Λ的条件下，所述波导层110的厚度dwg为90纳米至150纳米。
结合参考图2和图3，图2是本实施例所述传感芯片在不同折射率的待测介质条件下，共振波波长和反射率的关系图，横坐标表示波长(nm)，纵坐标表示反射率，从左至右的三条曲线分别表示在折射率n1为1.33、1.353和1.373的待测介质条件下，波长和反射率的关系图。图3是图2中虚线框内的放大图，表示在折射率n1为1.33的待测介质条件下，共振波波长和反射率的关系图。
作为一种示例，所述待测介质为待测液体。
由图2可知，所述传感芯片具有窄线宽w(如图3所示)和高灵敏度的特性，即使是检测折射率n1相近的待测介质时，也能实现传感，并获得精准的数据，同时提升了探测极限。由图3可知，该曲线的线宽w较小，而线宽w越小则Q值越大，因此，该传感芯片的Q值较大。其中，线宽w指的是：在反射率为0.5的位置处，曲线上所对应最大波长和最小波长的差值。
结合图2和图3可知，本实施例所述传感芯片能够同时具备高灵敏度和高Q值的特性，与传统导模谐振传感芯片相比，所述传感芯片的品质因数较高。
作为一种示例，以光栅周期Λ为410nm、占空比f为0.5、波导层110的折射率n3与光栅脊120的折射率n2均为2、基底层100的折射率n4为1.45为例，并选用折射率n1分别为1.333、1.353和1.373的水与二甲基亚砜(DMSO)的待测混合溶液，提取不同折射率下的谱线峰值(如图2所示)，获得所述传感芯片的灵敏度为107.75nm/RIU。如图3所示，提取折射率n1为1.333情况下的谱线，得到谱线线宽w为0.048nm，并将该谱线的中心波长除以线宽w，获得Q值等于1.27×104，所以该传感芯片的品质因数等于1.37×106，本实施例所述传感芯片的品质因数高于传统导模共振传感芯片一个或两个量级。
需要说明的是，在另一些实施例中，所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，或者，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7。其中，所述光栅脊的占空比越小，可视为所述波导层外的“缺陷”越小，使所述光栅构成等效平面结构，从而减小所述光栅脊对所述波导层中传输的光的散射能力，即能够使光更好地被约束在波导层内，而占空比越大，也能够将所述光栅视为等效平面结构，且有利于实现消除所述波导层外的“缺陷”的效果，因此，通过使所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，或者，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7，均能够提高所述传感芯片的Q值。
在其他实施例中，所述光栅的预设条件还可以是光栅脊的厚度和占空比相结合的情况。即所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米，且所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，或者，所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米，且所述光栅脊的占空比大于或等于0.7。
图4是本发明传感芯片另一实施例的结构示意图。
本实施例与前述实施例的相同之处，不再赘述。本实施例与前述实施例的不同之处在于：光栅脊220的折射率n2设置为与待测介质构成等效连接介质。
通过使所述光栅脊220的折射率n2设置为与待测介质构成等效连接介质，即所述光栅脊220的折射率n2与待测介质的折射率相近，也能够使所述光栅可视为等效平面结构，从而使光更好地被约束在波导层210内，进而提高Q值。
因此，所述光栅脊220的折射率n2与待测介质的折射率的比值不宜过小，也不宜过大。所述比值过小或者过大，均会导致所述光栅无法被视为等效平面结构。为此，本实施例中，所述光栅脊220的折射率n2与待测介质的折射率的比值为0.7至1.3。
具体地，所述光栅脊220的材料的折射率n2小于或等于1.6，所述光栅脊220的材料为低折射率材料，所述光栅脊220的折射率n2更接近待测介质环境的折射率n1。
本实施例中，所述光栅脊220的材料为介质材料。通过选用介质材料，便于通过沉积工艺或者磁控溅射工艺形成所述光栅脊220，从而有利于提高所述光栅脊220和波导层210的结合力。
作为一种示例，所述光栅脊220的材料为二氧化硅。二氧化硅的形成工艺简单，且二氧化硅的折射率为1.45，液体的折射率通常为1.33，两者的折射率相近，以保证在对待测液体进行检测时，将光限制在所述波导层210中传播。
在其他实施例中，所述光栅脊的材料也可以为任意适于形成光栅的材料。
结合参考图5和图6，图5是本实施例所述传感芯片在不同折射率的待测介质条件下，共振波波长和反射率的关系图，横坐标表示波长(nm)，纵坐标表示反射率，从左至右的三条曲线分别表示在折射率n1为1.33、1.353和1.373的待测介质条件下，波长和反射率的关系图。图6是图5中虚线框内的放大图，表示在折射率n1为1.33的待测介质条件下，共振波波长和反射率的关系图。
作为一种示例，所述待测介质为待测液体。
由图5可知，所述传感芯片具有窄线宽w(如图6所示)和高灵敏度的特性，即使是检测折射率n1相近的待测液体时，也能实现传感，并获得精准的数据，同时提升了探测极限。由图6可知，该曲线的线宽w较小，而线宽w越小则Q值越大，因此，该传感芯片的Q值较大。结合图5和图6可知，本实施例所述传感芯片能够同时具备高灵敏度和高Q值的特性，与传统导模谐振传感芯片相比，所述传感芯片的品质因数较高。
作为一种示例，以光栅周期Λ为410nm、占空比f为0.5、波导层210的折射率n3为2，光栅脊220的折射率n2为1.45、所述基底层200的折射率n4为1.45为例，并选用折射率n1分别为1.333、1.353和1.373的水与二甲基亚砜(DMSO)的待测混合溶液，提取不同折射率下的谱线峰值(如图5所示)，获得所述传感芯片的灵敏度为97.25nm/RIU。如图6所示，提取折射率n1为1.333情况下的谱线，得到谱线线宽w为0.00328nm，并将该谱线的中心波长除以线宽w，获得Q值等于1.86×105，所以其品质因数等于1.81×107，本实施例所述传感芯片的品质因数高于传统导模共振传感芯片两个或三个量级。
对本实施例所述传感芯片的具体描述，可参考前述实施例中的相应描述，在此不再赘述。
需要说明的是，在其他实施例中，所述光栅同时满足：所述光栅构成等效平面结构，且所述光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质。
例如，所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米，且所述光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质；或者，所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，且所述光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质；或者，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7，且所述光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质；或者，所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米，所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，且所述光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质；或者，所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7，且所述光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质。
图7是本发明传感芯片又一实施例的结构示意图。
本实施例与前述实施例的相同之处，不再赘述。本实施例与前述实施例的不同之处在于：所述传感芯片还包括：位于基底层300上的壳体360，所述壳体360与所述基底层300围成微腔365，所述微腔365用于容纳待测介质。
其中，所述波导层310和光栅位于所述微腔中。
本实施例中，所述基底层300的平面尺寸大于波导层310的平面尺寸，以便于为壳体360的固定提供空间。
所述微腔365用于容纳待测介质，当所述微腔365内通入待测介质后，可视为外界环境折射率的变化，从而使光栅脊320和光栅槽接触待测介质，进而导致导模共振效应的共振峰发生变化，由此实现传感。其中，所述微腔365的腔体厚度可在制备壳体360的过程中进行调整，以满足实际需求。例如：可根据待测介质的用量，相应调整腔体厚度。
本实施例中，所述待测介质为待测液体，因此，沿光栅脊320的延伸方向(未标示)上，壳体360的两个相对侧壁具有开口(图未示)，一个侧壁中的开口作为待测液体流入口，另一个侧壁中的开口作为待测液体流出口，所述开口由对应侧壁和基底层300顶部围成。这使得传感芯片具备可流通液体的特性。
具体地，一个侧壁中的开口作为待测液体流入口，从而将待测液体注入至微腔365内，另一个侧壁中的开口作为待测液体流出口，从而使待测液体从微腔365中流出，操作方便、检测简单；且在检测过程中，能够通过开口依次注入不同折射率的待测液体，从而导致导模共振效应的共振峰发生变化，进而基于共振强度(即光强反射率大小)的变化实现检测，操作方便且检测效率较高。
其中，所述开口的高度和宽度只要能够实现液体的流通即可。本实施例中，开口高度为2mm，宽度为5mm。需要说明的是，图7是与光栅脊320延伸方向相垂直的方向的剖视图，因此未示意出该开口。
本实施例中，所述壳体360的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。该材料具有粘性，易于将所述壳体360固定于基底层300上，且与玻璃或石英之间具有很好的贴附性。
对本实施例所述传感芯片的具体描述，可参考前述实施例中的相应描述，在此不再赘述。
图8是本发明传感芯片再一实施例的结构示意图。
本实施例与前述实施例的相同之处，在此不再赘述。本实施例与前述实施例的不同之处在于：所述传感芯片适于检测生物分子，所述传感芯片还包括：修饰层470，保形覆盖所述光栅脊420和波导层410的表面，所述修饰层470适于吸附待测生物分子。
所述修饰层470用于吸附生物溶液中的待测生物分子，在检测过程中，当吸附完成时，相当于所述光栅脊420和波导层410的表面形成了一层具有一定折射率的薄膜，该薄膜的形成，同样可视为外界环境折射率的变化，从而导致导模共振效应的共振峰发生变化，由此实现生物识别传感，达到生物传感效果。
具体地，以传感芯片用于检测蛋白质分子为例，所述修饰层470中相应含有氨基。在另一些实施例中，传感芯片还可用于检测其他生物分子，例如核酸等。在其他实施例中，传感芯片还可用于检测生物素(biotin)溶液中的待测生物分子，实现特异性识别传感。
对本实施例所述传感芯片的具体描述，可结合参考前述实施例中的相应描述，在此不再赘述。
相应的，本发明实施例还提供一种传感芯片的制备方法。参考图9，示出了本发明传感芯片的制备方法一实施例的流程示意图。
结合参考图10，执行步骤S1，形成基底层500。
所述基底层500用于为所述传感芯片的制备提供工艺平台。
本实施例中，所述基底层500的材料为透明材料。具体地，所述基底层500的材料为石英。在其他实施例中，所述基底层的材料还可以为玻璃。
参考图12，执行步骤S2，在所述基底层500上形成波导层510。
所述波导层510作为导模层，光场能量更倾向于分布在折射率较高的材料中，因此，所述波导层510的材料为高折射率材料，所述波导层510的折射率n3大于或等于1.8，其折射率n3较高，从而使得传感芯片具有较高的灵敏度。
获得越大折射率n3的波导层510的成本则越高。为此，本实施例中，考虑到成本以及获得波导层510的容易度，所述波导层510的折射率n3为1.8至2.7。
本实施例中，所述波导层510的材料为氮化硅。该材料是较为常见的材料且折射率合适，此外，还易于实现表面化学修改，以便于该传感芯片适于实现特异性生物识别。在其他实施例中，所述波导层的材料还可以为二氧化钛。
本实施例中，所述波导层510通过等离子体增强化学气相沉积的方式形成于所述基底层500的表面，从而提高所述波导层510的厚度均一性。在其他实施例中，所述波导层还可以通过磁控溅射的方式蒸镀于所述基底层的表面。
继续参考图9，需要说明的是，所述传感芯片的灵敏度主要受到所述波导层510的厚度的影响，因此，形成所述基底层500之前，所述制备方法还包括：执行步骤S15，进行波导层厚度确定步骤。
通过先进行波导层厚度确定步骤，以确定所述传感芯片的最大灵敏度区域所对应的波导层厚度范围，从而确定所述波导层510的预设厚度dwg，以便于使所述传感芯片达到其最佳灵敏度。
具体地，后续制程还包括形成位于所述波导层上的光栅，所述光栅包括光栅脊和光栅槽，所述光栅脊和光栅槽用于接触待测介质，因此，所述波导层厚度确定步骤包括：确定波导光栅参数，所述波导光栅参数包括所述光栅脊的预设厚度dg和光栅周期Λ、以及所述波导层的折射率n3。其中，所述波导光栅参数根据传感芯片的性能需求设定。
其中，所述光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：所述光栅构成等效平面结构，或者，所述光栅脊的折射率设置为与所述待测介质构成等效连接介质。所述光栅脊的折射率设置为与所述待测介质构成等效连接介质，即所述光栅脊的折射率与所述待测介质的折射率相近，也能够使所述光栅可视为等效平面结构。具体地，为了使所述光栅构成等效平面结构，一种方式是减小所述光栅脊的预设厚度dg。
结合参考图11，所述波导层厚度确定步骤还包括：根据所述波导光栅参数，获得不同厚度的所述波导层对应的灵敏度。
通过获得不同厚度的波导层对应的灵敏度，从而能够从所述多个厚度值中选取灵敏度的最大值所对应的厚度作为所述波导层的预设厚度dwg。
由于导模共振现象对入射光的波长和角度极其敏感，当外界环境发生变化时，共振波长或共振角度也会发生变化。因此传感芯片可实现基于共振波长或共振角度偏移的检测。相应的，灵敏度为共振波长灵敏度或共振角度灵敏度。
本实施例中，以所述灵敏度为共振波长灵敏度为例进行说明。
具体地，根据所述波导光栅参数，获得不同厚度的所述波导层对应的灵敏度的步骤包括：提供衍射光栅方程和平板波导方程。
本实施例中，采用等式(1)表示衍射光栅方程：
Λ(n3sinθd-n1sinθ)＝mgλ，mg＝0,1,2，…， (1)
其中，Λ为光栅周期，λ为入射光的波长，n1为待测介质的折射率，n3为波导层的折射率，θd为衍射光的传播角度，θ为入射角度，mg为衍射级数。
本实施例中，基于光栅所需满足的预设条件，且由于光栅脊的预设厚度通常小于波导层的厚度，因此，可将光栅脊对入射光的相位移动和全反射的影响忽略，衍射光的传播角度即为高折射率波导层中传播的角度。所以，所述传感芯片可以简化为平板波导模型，相应采用等式(2)表示平板波导方程：
k0n3dcos(θd)-mπ＝φt+φb，m＝0,1,2，…， (2)
其中，k0为真空中的波数，k0＝2π/λ，m为整数，相位移动量φt+φb由波导层中的全反射角、以及与波导层相接触的两边界的折射率(即折射率n1和折射率n4)决定，d为波导层的厚度。
需要说明的是，在其他实施例中，当光栅脊的预设厚度远小于波导层的厚度时，等式(2)中的d也可以表示光栅脊与波导层的总厚度。相应的，后续获得灵敏度的最大值所对应的厚度d后，将厚度d减去光栅脊的预设厚度dg，即可获得灵敏度的最大值所对应的波导层的预设厚度dwg。
本实施例中，根据所述波导光栅参数，获得不同厚度的所述波导层对应的灵敏度的步骤还包括：利用所述衍射光栅方程替换所述平板波导方程中的共振波长项，获得基于共振波长偏移的平板波导方程。
等式(2)仅能代表单波长的传播的条件，由于传感芯片适于通过共振波长的偏移来实现感测，因此，需要对等式(2)进行修正，以满足共振波长的偏移的现象。
以入射光正入射至所述光栅上为例，根据等式(1)，共振波长是光栅周期、折射率、入射角度和衍射光的传播角度的函数。因此，利用等式(1)替换等式(2)式中的k0，即利用所述衍射光栅方程替换所述平板波导方程中的共振波长项，并考虑波导层中的衍射光的传播角度与光栅的衍射角度相同。因此，采用等式(3)表示基于共振波长偏移的平板波导方程：
kgmgdcot(θd)-mπ＝φt+φb，m＝0,1,2，…， (3)
其中，kg＝2π/Λ。
本实施例中，根据所述波导光栅参数，获得不同厚度的所述波导层对应的灵敏度的步骤还包括：求解所述基于共振波长偏移的平板波导方程，获得衍射光传播角度。
当所述波导光栅参数、波导层的厚度、以及外界环境(即待测介质)的折射率确定时，可以求解等式(3)以获得衍射光的传播角度θd(常数)。
本实施例中，根据所述波导光栅参数，获得不同厚度的所述波导层对应的灵敏度的步骤还包括：利用所述衍射光传播角度和所述衍射光栅方程，获得任一厚度的所述波导层对应的共振波长灵敏度。
当获得衍射光的传播角度θd后，即可使用等式(1)来求解共振波长。同时可以通过改变外界环境的折射率来计算灵敏度。由此，可以通过等式(1)和等式(3)求解波导光栅模型的波长灵敏度为Sw＝Δλ/Δn。
因此，通过上述方式，能够获得不同厚度的波导层对应的灵敏度。结合参考图11，示出了波导层的厚度和灵敏度的关系图。横坐标表示波导层的厚度，纵坐标表示灵敏度。
本实施例中，所述波导层厚度确定步骤包括：确定所述灵敏度的最大值所对应的厚度作为所述波导层的预设厚度dwg。
所述高折射率波导层510的预设厚度dwg过小或者过大，均会导致传感芯片的灵敏度降低。为此，本实施例中，所述波导层510的预设厚度dwg为40纳米至350纳米。
如图11所示，在一个具体实施例中，所述光栅脊120的光栅周期Λ为400纳米至600纳米，相应的，90纳米至150纳米为传感芯片在上述光栅周期Λ下的最大灵敏度区域所对应的波导层厚度范围，从而易于使传感芯片达到其最佳灵敏度。
所述预设厚度dwg即为待形成的波导层510的目标厚度。相应的，在基底500层上形成波导层510的步骤中，根据波导层510的预设厚度dwg形成波导层510。
本实施例中，所述基底层500的平面尺寸大于波导层510的平面尺寸，以便于后续为壳体的固定提供空间。在其他实施例中，所述基底层和波导层的平面尺寸也可以相同，即所述波导层完全覆盖所述基底层。
结合参考图12和图13，执行步骤S3，在波导层510上形成光栅(未标示)，所述光栅包括光栅脊520和光栅槽(未标示)，所述光栅脊520和光栅槽用于接触待测介质，所述光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：所述光栅构成等效平面结构，或者，光栅脊520的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质。
所述光栅脊520和光栅槽用于接触待测介质，当待测介质改变时，可视为外界环境发生变化，共振波长或共振角度会发生偏移，从而基于共振强度(即光强反射率大小)变化实现检测。
所述光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：所述光栅构成等效平面结构，或者，所述光栅脊520的折射率n2设置为与所述待测介质构成等效连接介质。
本实施例中，以所述光栅构成等效平面结构为例进行说明。通过使所述光栅构成等效平面结构，能够减小所述光栅脊520对波导层510中传输的光的散射能力，从而使光更好地被约束在所述波导层510内，这有利于提高所述传感芯片的Q值，相应使得传感芯片的检测性能得以提升。
具体地，为了使所述光栅构成等效平面结构，所述光栅脊520的厚度dg小于或等于50纳米。所述光栅脊520可视为波导层510外的“缺陷”，会将波导层510内传播的光耦合至外界环境中，因此，通过使所述光栅脊520的厚度dg较小，以减小所述光栅脊520对所述波导层510中传输的光的散射能力，从而提高传感芯片的Q值。
具体地，为了显著提高传感芯片的Q值，所述光栅脊520的高度dg小于或等于30纳米。但是，当所述光栅脊520的高度dg过小时，也容易增加形成所述光栅脊520的工艺难度。为此，本实施例中，考虑到传感芯片的Q值以及光栅脊520的制备难度，所述光栅脊520的高度dg为10纳米至30纳米。
作为一种示例，所述光栅脊520的占空比在0.3至0.7的范围内，以降低制备光栅脊520的难度，例如，占空比可以为0.4、0.5或0.6。
本实施例中，所述光栅脊520的光栅周期Λ为150纳米至1000。具体地，所述光栅脊520的光栅周期Λ可以为400纳米至600纳米，例如，410纳米、505纳米、550纳米等。
需要说明的是，在另一些实施例中，所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，或者，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7。其中，所述光栅脊的占空比越小，可视为所述波导层外的“缺陷”越小，使所述光栅构成等效平面结构，从而减小所述光栅脊对波导层中传输的光的散射能力，即能够使光更好地被约束在波导层内，而占空比越大，也能够将所述光栅视为等效平面结构，且有利于实现消除所述波导层外的“缺陷”的效果，因此，通过使所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，或者，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7，均能够提高所述传感芯片的Q值。
在其他实施例中，所述光栅的预设条件还可以是光栅脊的厚度和占空比相结合的情况。即所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米，且所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，或者，所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米，且所述光栅脊的占空比大于或等于0.7。
本实施例中，光栅脊520的折射率n2设置为与待测介质构成等效连接介质。通过使所述光栅脊520的折射率n2设置为与待测介质构成等效连接介质，即所述光栅脊520的折射率n2与待测介质的折射率相近，也能够使所述光栅可视为等效平面结构，从而使光更好地被约束在波导层510内，进而提高Q值。
因此，所述光栅脊520的折射率n2与待测介质的折射率的比值不宜过小，也不宜过大。所述比值过小或者过大，均会导致所述光栅无法被视为等效平面结构。为此，本实施例中，所述光栅脊520的折射率n2与待测介质的折射率的比值为0.7至1.3。
具体地，所述光栅脊520的材料的折射率n2小于或等于1.6，所述光栅脊520的材料为低折射率材料，所述光栅脊520的折射率n2更接近待测介质环境的折射率n1。
本实施例中，所述光栅脊520的材料为介质材料。通过选用介质材料，便于通过沉积工艺或者磁控溅射工艺形成所述光栅脊520，从而有利于提高所述光栅脊520和波导层510的结合力。
作为一种示例，所述光栅脊520的材料为二氧化硅。二氧化硅的形成工艺简单，且二氧化硅的折射率为1.45，液体的折射率通常为1.33，两者的折射率相近，以保证在对待测介质进行检测时，将光限制在所述波导层510中传播。
在另一些实施例中，所述光栅脊的材料也可以为任意适于形成光栅的材料。
需要说明的是，在其他实施例中，所述光栅同时满足：所述光栅构成等效平面结构，且所述光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质。
例如，光栅脊的厚度小于或等于50纳米，且光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质；或者，所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，且所述光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质；或者，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7，且所述光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质；或者，所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米，所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，且所述光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质；或者，所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7，且所述光栅脊的折射率设置为与待测介质构成等效连接介质。
具体地，在所述波导层510上形成光栅的步骤包括：在所述波导层510上形成光栅材料层525(如图12所示)；对所述光栅材料层525进行图形化处理，形成凸出于所述波导层510上的所述光栅脊520。
本实施例中，采用沉积工艺或者磁控溅射工艺，在所述波导层510上形成光栅材料层525。
本实施例中，采用电子束刻蚀工艺，对所述光栅材料层525进行图形化处理。在另一些实施例中，根据光栅材料层的材料，还可以采用纳米压印工艺，对所述光栅材料层进行图形化处理。
在其他实施例中，为了降低形成所述光栅的工艺复杂度，所述波导层和光栅脊还可以为一体结构。相应的，在所述基底层上形成波导层、以及在所述波导层上形成光栅的步骤包括：在所述基底层上形成波导光栅材料层；对所述波导光栅材料层进行图形化处理，所述图形化处理后的剩余所述波导光栅材料层作为所述波导层，位于所述波导层上的凸起作为所述光栅脊。具体地，采用电子束刻蚀工艺或离子束辅助刻蚀工艺，对所述波导光栅材料层进行图形化处理。
结合参考图14，在波导层510上形成光栅后，所述制备方法还包括：执行步骤S4，在所述基底层500上固定壳体560，所述壳体560与基底层500围成微腔565，所述微腔565用于容纳波导层510和光栅，所述微腔565还用于容纳所述待测介质。
微腔565用于容纳待测介质，当微腔565内通入待测介质后，可视为外界环境折射率的变化，从而使光栅脊520和光栅槽接触待测介质，进而导致导模共振效应的共振峰发生变化，由此实现传感。
本实施例中，所述待测介质为待测液体，因此，沿光栅脊520的延伸方向(未标示)上，壳体560的两个相对侧壁具有开口(图未示)，一个侧壁中的开口作为待测液体流入口，另一个侧壁中的开口作为待测液体流出口，所述开口由对应侧壁和基底层500顶部围成。这使得传感芯片具备可流通液体的特性。
具体地，一个侧壁中的开口作为待测液体流入口，从而将待测液体注入至微腔565内，另一个侧壁中的开口作为待测液体流出口，从而使待测液体从微腔565中流出，操作方便、检测简单；且在检测过程中，能够通过该开口依次注入不同折射率的待测液体，从而导致导模共振效应的共振峰发生变化，进而基于共振强度(即光强反射率大小)变化实现检测，操作方便且检测效率较高。
需要说明的是，图14是与光栅脊520延伸方向相垂直的方向的剖视图，因此未示意出该开口。
本实施例中，所述壳体560的材料为聚二甲基硅氧烷，该材料具有粘性，使得所述壳体560可直接粘在基底层500上，且与基底层500之间具有很好的贴附性。
在其他实施例中，根据传感芯片的应用方式，可以不设置该壳体。
结合参考15和图16，在所述波导层510上形成光栅后，所述制备方法还包括：执行步骤S5，对所述光栅脊520和波导层510的表面进行表面修饰处理，形成保形覆盖所述光栅脊520和波导层510的表面的修饰层570，所述修饰层570适于吸附待测生物分子。
通过形成修饰层570，使传感芯片具备检测生物分子的功能。具体地，修饰层570用于吸附生物溶液中的待测生物分子，在检测过程中，当吸附完成时，相当于所述光栅脊520和波导层510的表面形成了一层具有一定折射率的薄膜，该薄膜的存在同样可视为外界环境折射率的变化，从而导致导模共振效应的共振峰发生变化，由此实现特异性识别传感，达到生物传感效果。
本实施例中，以所述传感芯片用于检测蛋白质分子为例，所述修饰层570中相应含有氨基，所述修饰层570适于吸附蛋白质分子。
参考图15，示出了所述表面修饰处理的流程示意图。具体地，所述表面修饰处理的步骤包括：
执行步骤S51，采用碱性溶液对所述光栅脊520和波导层510的表面进行第一表面处理，适于在所述光栅脊520和波导层510的表面吸附羟基。
通过在所述光栅脊520和波导层510的表面吸附羟基，为后续在所述光栅脊520和波导层510的表面吸附氨基提供工艺基础。本实施例中，该碱性溶液为氢氧化钠(NaOH)溶液。其中，为了保证所述光栅脊520和波导层510的表面吸附有足够的羟基，并避免不必要的时间和资源浪费，第一表面处理的处理时间为15分钟至30分钟。
具体地，通过一个侧壁中的开口向微腔565内注入该碱性溶液的方式，进行该第一表面处理，无需采用额外的装置以提供反应环境，工艺简单、易于实现。在完成所述第一表面处理后，通过另一个侧壁中的开口使该碱性溶液从微腔565中流出，从而为后续通入其它液体做好准备。
需要说明的是，如无特别说明，后续处理所采用的溶液均通过一个侧壁中的开口注入至微腔565内，在完成相应处理后，通过另一个侧壁中的开口流出。
执行步骤S52，采用含氨基溶液对所述光栅脊520和波导层510进行第二表面处理，使所述光栅脊520和波导层510的表面在含氨基溶液中静置至第一预设时间，使氨基与羟基发生吸附。
该含氨基溶液能够与所述光栅脊520和波导层510的表面的羟基发生吸附，从而将活性氨基固定在所述光栅脊520和高折射率波导层510的表面。
本实施例中，所述含氨基溶液为3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(GOPTS)溶液。具体地，通过一个侧壁中的开口向微腔565内注入该含氨基溶液的方式，使所述光栅脊520和波导层510的表面静置在该含氨基溶液中，无需采用额外装置以满足在含氨基溶液中静置的需求，工艺简单。
本实施例中，为了保证氨基与羟基之间的吸附效果，并避免不必要的时间和资源浪费，所述第一预设时间为2小时至3小时。
执行步骤S53，在达到所述第一预设时间后，对所述光栅脊520和波导层510进行第一清洗处理，适于去除残留的碱性溶液和含氨基溶液。
通过该第一清洗处理，以防残留的碱性溶液和含氨基溶液对后续处理产生不良影响。具体地，依次采用酒精溶液和去离子水进行该第一清洗处理。酒精溶液能与有机溶剂互溶，以提高清洗效果，随后通过去离子水去除剩余杂质。
本实施例中，酒精溶液为无水酒精，采用酒精溶液清洗10分钟至20分钟，采用去离子水清洗10分钟至20分钟，以保证较佳的清洗效果，且防止不必要的浪费。
执行步骤S54，在第一清洗处理后，进行烘干处理。
在步骤S52后，氨基与羟基发生吸附所形成的化学键在光栅脊520和波导层510的表面仅为氢键结合，其结合强度较弱，通过烘干处理，使所述光栅脊520和波导层510的表面发生脱水，从而形成氧的共价键结合，提供了化学键的结合稳定性和强度。
为了保证化学键的结合稳定性和强度，并避免不必要的时间和资源浪费、防止因时间过长或者温度过高所引起的负面效应(例如：降低壳体560和基底层500的粘附性)，工艺温度为50℃至60℃，处理时间为1小时至2小时。
本实施例中，所述传感芯片还可用于检测生物素溶液中的待测生物分子，实现特异性识别传感。相应的，所述表面修饰处理的步骤还包括：
执行步骤S55，在烘干处理后，采用链霉亲和素(SA)溶液对所述光栅脊520和波导层510进行孵化处理，适于使链霉亲和素溶液中的蛋白质分子与所述氨基相结合。
本实施例中，为了保证蛋白质分子与氨基相结合的效果，并避免不必要的时间和资源浪费，所述孵化处理的处理时间为2小时至3小时。
执行步骤S56，在所述孵化处理后，对所述光栅脊520和波导层510进行第二清洗处理，适于去除残留的所述链霉亲和素溶液。
本实施例中，第二清洗处理所采用的清洗溶液为磷酸盐缓冲液，SA溶液是通过磷酸盐缓冲液配制出来的，且磷酸盐缓冲液还可作为配制后续溶液的基准溶液，从而在去除残留的SA溶液的同时，为后续通入其他溶液做好准备。
本实施例中，为了在保证清洗效果的同时，避免不必要的时间和资源浪费，清洗时间为10至20分钟。
执行步骤S57，在所述第二清洗处理后，采用反应溶液对所述光栅脊520和波导层510进行第三表面处理，适于封闭剩余的氨基结合位点。
在步骤S55后，可能存在蛋白质分子未与所有氨基相相结合的情况，也是说，光栅脊520和波导层510的表面可能存在残存的氨基结合位点，后续对生物素溶液进行检测时，该未封闭结合点的氨基会和生物素溶液中的蛋白质分子相结合，从而影响检测结果，为此，通过第三表面处理，封闭剩余的氨基结合位点，仅保留与蛋白质分子相结合的氨基，从而保证检测结果的精准性。
本实施例中，所述反应溶液为牛血清白蛋白(BSA)溶液，该溶液不会与检测探针和待测生物分子发生反应，从而进一步保证检测结果的精准性。具体地，为了保证对未与反应溶液中蛋白质分子相结合的氨基的封闭效果，同时，避免不必要的时间和资源浪费、防止所述光栅脊520或波导层510受损，或者各化学键的结合效果受到影响，所述牛血清白蛋白溶液的浓度为0.5mg/ml至1mg/ml，处理时间为30分钟至40分钟。
执行步骤S58，在所述第三表面处理后，对所述光栅脊520和波导层510进行第三清洗处理，适于去除残留的所述反应溶液。
通过第三清洗处理，以防残留反应溶液对后续检测结果的精准性产生影响。
本实施例中，第三清洗处理的清洗溶液为磷酸盐缓冲液。为了在保证清洗效果的同时，避免不必要的时间和资源浪费，清洗时间为10分钟至20分钟。
本实施例中，在步骤S58后，完成了对光栅脊520和波导层510的表面的化学修饰工作，后续仅需通入不同浓度的生物素溶液即可进行特异性识别检测。
在另一些实施例中，当该传感芯片用于检测非生物素溶液的蛋白质分子时，则无需执行步骤S55至S58。在其他实施例中，当传感芯片用于检测非生物溶液的其它待测溶液时，也可以不进行表面修饰处理。此外，当传感芯片包含有固定壳体的情况下，步骤S4和步骤S5的工艺顺序还可以互换。
对本实施例所形成的传感芯片的具体描述，可参考前述实施例中的相应描述，在此不再赘述。
相应的，本发明实施例还提供一种检测系统。参考图17，示出了本发明检测系统一实施例的结构示意图。
本实施例所述检测系统包括：光源模块10，适于发出出射光；导模共振传感器16，包括前述实施例所述的传感芯片18，以及基底层(未标示)上的壳体19，所述壳体19与基底层围成微腔，所述微腔用于容纳波导层、光栅以及待测介质，其中，所述导模共振传感器16适于接收所述出射光并在实现导模共振后激发检测光；探测模块20，适于接收所述检测光并对所述检测光进行检测。
所述光源模块10用于产生光信号。本实施例中，所述光源模块10适于发出单色光，以便于在检测过程中，在微腔中通入水(折射率为1.333)后，接着根据传感芯片的光强反射率，调整所述光源模块10的出射光，直至获得强反射率的最大值后能够固定所述出射光的波长，随后基于所述固定的波长进行检测。
适于发出单色光的光源模块10所发出的光源信号稳定，能够避免其他波长信号的影响，使检测结果具有较高的信噪比。本实施例中，所述光源模块10为可调谐激光器，通过对所述可调谐激光器进行调节，能够根据实际需求，使所述光源模块10发出某一特定波长的出射光。在其他实施例中，所述光源模块还可以为氦氖激光器或半导体激光器。
本实施例中，所述检测系统还包括：偏振片14，所述偏振片14位于所述出射光的光路上，所述偏振片14用于调整所述出射光的偏振态，输出偏振光。相应的，所述导模共振传感器16适于接收所述偏振光。
所述偏振片14用于将出射光的光信号转换成经偏振的光信号。本实施例中，所述出射光为单色光，因此，所述偏振光包括TM偏振光和TE偏振光中的一种或两种，以便于后续区分所述TM偏振光所对应光强反射率和所述TE偏振光所对应光强反射率。因此，在采用所述检测系统进行检测时，通过将TM偏振光所对应光强反射率减去所述TE偏振光所对应光强反射率，即可消除噪声信号对检测信号的干扰，从而进一步提高所述检测系统的检测精度。
具体地，通过调整所述偏振片14的偏正角，使所述偏振片14同时输出TM偏振光和TE偏振光，或者，依次输出TM偏振光和TE偏振光。
所述检测系统利用了导模共振现象在不同偏振下产生不同共振波长或共振角度的特性。例如，在特定的共振波长和共振角度下，TM偏振模式下具有高光强反射率，对待测液体的变化响应明显，可作为传感偏振模式；而TE偏振模式则具有低光强反射率，对待测样液体的响应不明显。但是，由于两种偏振模式共享相同的实验环境以及检测系统的光学组件，因此，两个偏振模式受到待测液体、室温波动和仪器变化等外界因素的影响相同。因此，在采用所述检测系统进行检测时，通过将TM偏振光所对应光强反射率减去所述TE偏振光所对应光强反射率，即可消除噪声信号对检测信号的干扰，从而进一步提高所述检测系统的检测精度。
本实施例中，所述偏振片14为格兰棱镜。
本实施例中，所述检测系统还包括：准直调整模块11，位于所述出射光的光路上，且所述准直调整模块11位于所述光源模块10和偏振片14之间，所述准直调整模块11适于使出射光经过后输出平行光。
具体地，所述准直调整模块11包括：光纤准直器12，适于使出射光经过并实现光束准直；光阑13，适于调整准直后的光束光斑大小。光纤准直器12使经过的光信号变得准直，并通过光阑13使准直后的光束均能入射至偏振片14中，以保证光信号强度。具体地，所述光纤准直器12可以为透镜或针孔等。
本实施例中，所述检测系统还包括：分束镜15，适于使所述偏振光透过。
本实施例中，所述分束镜15为非偏振分束镜，具体为半透半反镜。所述分束镜15使一定波长的偏振光几乎完全透过，从而使导模共振传感器16接收所需波长的偏振光。具体地，所述分束镜15位于偏振光和检测光的光路上。
在检测过程中，所述导模共振传感器16接收所述出射光，并通过导模共振原理激发检测光后，所述检测光为一定波长范围内的共振光，该共振光经所述分束镜15发生反射，从而被探测模块10接收。
具体地，所述偏振片14所输出的偏振光包括TM偏振光和TE偏振光中的一种或两种，相应的，所述探测模块20用于接收所述检测光，并根据所述检测光，获得所述TM偏振光所对应光强反射率和所述TE偏振光所对应光强反射率的差值。
本实施例中，所述待测介质为待测液体，因此，沿所述光栅脊的延伸方向上，所述壳体19的两个相对的侧壁具有开口，一个侧壁中的开口作为待测介质流入口，另一个侧壁中的开口作为待测介质流出口，开口由对应的侧壁和基底层顶部围成，在检测过程中，将待测介质通过开口通入微腔中且导模共振传感器16接收出射光后，导模共振传感器16通过导模共振原理激发检测光，该检测光为一定波长范围内的共振光。
本实施例中，所述探测模块20包括光电探测器21以及与所述光电探测器21相连的电脑22，所述光电探测器21用于输出在固定波长下的光强反射率，所述电脑22根据所述光电探测器21输出的数据进行数据记录和数据处理，以区分所述TM偏振光所对应光强反射率和所述TE偏振光所对应光强反射率。
在其他实施例中，也可以采用光谱仪代替所述光电探测器。
在另一些实施例中，所述光源模块适于发出出射光，且所述出射光为白光。白光的波长范围分布较广(例如为500纳米至2000纳米)，可满足几乎所有导模共振结构的探测、检测方便(例如，无需将出射光的波长调整至最大的光强反射率对应的波长)，且白光所对应光源模块的成本较低。
相应的，所述偏振片用于将出射光调整为TM偏振光并输出。导模共振现象具有在不同偏振下产生不同共振波长或共振角度的特性。在特定入射波长及入射角度下，TM偏振态下具有高光强反射率，对待测样液体的变化响应明显，因此，也能实现传感偏振模式。其中，在其他实施例中，基于出射光为白光的情况下，根据实际情况，所述偏振片也可以用于将出射光调整为TE偏振光并输出。
在白光的情况下，所述探测模块包括光谱仪和电脑，从而在接收检测光后能够获得检测光的光谱，以获得谱线峰值(即共振峰)。
需要说明的是，在其他实施例中，该检测系统还可用于检测生物分子，该传感芯片相应还包括：修饰层，保形覆盖所述光栅脊和高折射率波导层的表面，所述修饰层适于吸附待测生物分子。对该修饰层的具体描述，可参考前述传感芯片的第四实施例中的相应描述，在此不再赘述。
本实施例中，所述传感芯片18的检测性能较佳(例如，Q值较高)，从而显著提高了所述检测系统的检测精度。其中，对所述导模共振传感器16中各部件的具体描述，可结合参考前述实施例中的相应描述，在此不再赘述。
参考图18，示出了本发明检测系统另一实施例的结构示意图。
本实施例与前述实施例的检测系统的相同之处，不再赘述。本实施例与前述实施例的检测系统的不同之处在于：所述偏振片54的位置不同。
本实施例中，所述偏振片54位于所述检测光的光路上，所述偏振片54用于调整所述检测光的偏振态，输出偏振光；相应的，所述探测模块60适于接收所述偏振光并对所述偏振光进行检测。
具体地，所述偏振片位于分束镜55和检测模块60之间，检测光经所述分束镜55发生反射，以输出反射光后，所述偏振片用于调整所述反射光的偏振态以输出偏振光，从而使所述探测模块50接收所述偏振光。
对所述检测系统的具体描述，可参考前述实施例中的相应描述，在此不再赘述。
相应的，本发明实施例还提供一种检测方法。
结合参考图17，所述检测方法包括：提供待测介质、以及第一实施例所述的检测系统；开启光源模块10，发出出射光；将所述待测介质通入所述导模共振传感器16的微腔中；开启光源模块10、并将所述待测介质通入所述导模共振传感器16的微腔中后，采用所述探测模块20接收所述检测光并对所述检测光进行检测。
本实施例中，所述待测介质为待测液体，因此，采用注射泵将待测液体通过特氟龙管通入开口中，从而向微腔内通入特定折射率的待测液体，此时可视为外界环境折射率的改变，使得导模共振现象产生的共振波长发生改变，实现传感机理。其中，传感芯片的检测性能，通过所述检测系统所获得检测数据的精准度较高，且进一步提升了探测极限。
本实施例中，以所述光源模块10所发出的出射光为单色光为例，所述检测方法还包括：调整所述偏振片14的偏振角度，用于使所述偏振片14同时输出所述TM偏振光和所述TE偏振光，或者，用于使所述偏振片14依次输出所述TM偏振光和所述TE偏振光。
作为一种示例，将所述偏振片14的偏振角度调整至45度，从而使所述偏振片14同时输出所述TM偏振光和所述TE偏振光。所述探测模块20包括光电探测器21以及与所述光电探测器21相连的电脑22，所述光电探测器21用于收集并输出光强反射率，所述电脑22根据所述光电探测器41输出的数据进行数据记录和数据处理，以区分所述TM偏振光所对应光强反射率和所述TE偏振光所对应光强反射率，从而计算所述TM偏振光所对应光强反射率和所述TE偏振光所对应光强反射率的差值作为光强反射率差值。
在另一些实施例中，也可以先使所述偏振片输出所述TM偏振光，且采用所述探测模块收集所述TM偏振光所对应光强反射率之后，再调整所述偏振片的偏振角度，使所述偏振片输出所述TE偏振光，并采用所述探测模块收集所述TE偏振光所对应光强反射率，相应也能获取所述TM偏振光所对应光强反射率和所述TE偏振光所对应光强反射率的差值作为光强反射率差值。
本实施例中，将所述待测介质通入所述微腔中后，采用所述探测模块20收集所述TM偏振光所对应光强反射率和所述TE偏振光所对应光强反射率的差值。因此，通过向微腔内依次通入不同折射率的待测介质，从而获得两种待测介质的光强反射率差值的差值。
如图19所示，示出了采用所述检测系统，在不同折射率的待测介质条件下，测得的共振波长与反射率的关系图。横坐标表示波长，左纵坐标表示待测介质的折射率分别为1.333和1.3331的情况下，所对应TM模式的反射率(也即光强反射率)，右纵坐标表示待测介质的折射率分别为1.333和1.3331的情况下，所对应TE模式的反射率(也即光强反射率)。
作为一种示例，在检测到过程中，先向所述微腔内通入水(折射率为1.333)，根据所述光电探测器21所接收的光强反射率，调整所述光源模块10的出射光源，直至所述光强反射率为最大值后固定所述出射光的波长(如图19中实线L1所示位置处的波长)。
如图19所示，偏振光为TM偏振模式时，在波长约为609.48nm的位置处(如图19中实线L1所示位置)，光强反射率的峰值为0.9999(如图19中A位置所示)，而同一待测液体在TE偏振模式下的光强反射率为0.1095(如图19中B位置所示)。因此，针对折射率为1.333的待测液体，TM偏振光所对应光强反射率和所述TE偏振光所对应光强反射率的差值为0.8904。接着向所述微腔内通入水与二甲基亚砜(DMSO)的混合液体，所述混合液体的折射率为1.3331，此时，偏振光为TM偏振模式下的光强反射率为0.2032(如图19中C位置所示)，偏振光为TE偏振模式下的光强反射率为0.1095，TM偏振光所对应光强反射率和TE偏振光所对应光强反射率的差值为0.0937。
因此，当待测液体的折射率由1.333变为1.3331时，两种待测液体的光强反射率差值变化量为0.7967，光强反射率差值变化量除以折射率变化量(即0.0001)得到灵敏度S为7969/RIU，由此可见，所述检测系统的检测精度较高。
在另一些实施例中，所述光源模块所发出的出射光也可以为白光，相应的，使所述偏振片仅输出TM偏振光。导模共振现象具有在不同偏振下产生不同共振波长或共振角度的特性。在特定入射波长及入射角度下，TM偏振态下具有高光强反射率，对待测样液体的折射率变化响应明显，因此，也能实现传感偏振模式。在这种情况下，采用所述探测模块获得检测光的光谱，以获得谱线峰值(即共振峰)，从而实现检测。
在又一些实施例中，所述传感芯片相应还包括：修饰层，保形覆盖所述光栅脊和高折射率波导层的表面，所述修饰层适于吸附待测生物分子。相应的，所述检测系统还可用于检测生物分子。其中，当所述光栅脊和高折射率波导层的表面附着一定厚度的生物素分子层后，共振波长会发生变化，由于在检测过程中会固定所述出射光的波长且出射光为单色光，因此，最终得到光强反射率的变化量，以此实现生物传感，
如图20所示，示出了采用所述检测系统，在不同厚度的生物分子层条件下，共振波波长和反射率的关系图。横坐标表示波长，左纵坐标表示生物分子层的厚度分别为0pm和10pm的情况下，所对应TM模式的反射率(也即光强反射率)，右纵坐标表示生物分子层的厚度分别为0pm和10pm的情况下，所对应TE模式的反射率(也即光强反射率)。
在检测到过程中，先向所述微腔内通入水(折射率为1.333)，根据所述光电探测器所接收的光强反射率，调整所述光源模块的出射光源，直至所述光强反射率为最大值后固定所述出射光的波长(如图20中实线L2所示位置处的波长)。
如图20所示，偏振光为TM偏振模式时，在波长约为609.47nm的位置处(如图20中实线L2所示位置)，光强反射率的峰值为0.9999(如图20中E位置所示)，而在TE偏振模式下，光强反射率为0.10949(如图20中F位置所示)。因此，针对生物分子层的厚度为0pm的情况下，TM偏振光所对应光强反射率和所述TE偏振光所对应光强反射率的差值为0.89041。
接着向所述微腔内通入生物素溶液(biotin)，以获得厚度为10pm的蛋白质生物分子层，此时，偏振光为TM偏振模式下的光强反射率为0.2096，偏振光为TE偏振模式下的光强反射率为0.10948，TM偏振光所对应光强反射率和TE偏振光所对应光强反射率的差值为0.10012。
因此，当增加一层厚度为10pm的蛋白质生物分子层时，两种厚度的光强反射率差值的变化量为0.79029，所述光强反射率差值的变化量除以厚度变化量(即10pm)得到灵敏度为79.029/nm，由此可见，所述检测系统的检测精度较高。
需要说明的是，在其他实施例中，所述检测方法还可以采用第二实施例所述的检测系统进行。相应的，通过所述偏振片，以调整所述反射光的偏振态，输出偏振光。采用第二实施例所述检测系统进行的检测方法与前述实施例所述的检测方法的原理相同，在此不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (28)

1.一种传感芯片，其特征在于，包括：
基底层；
波导层，位于所述基底层上；
光栅，位于所述波导层上，所述光栅包括光栅脊和光栅槽，所述光栅脊和光栅槽用于接触待测介质，所述光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：所述光栅构成等效平面结构，或者，所述光栅脊的折射率设置为与所述待测介质构成等效连接介质。
2.如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米。
3.如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述光栅脊的材料的折射率与所述待测介质的折射率的比值为0.7至1.3。
4.如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述光栅脊的材料为介质材料。
5.如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，或者，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7。
6.如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述波导层的厚度为40纳米至350纳米。
7.如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述光栅脊和所述波导层为一体结构。
8.如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述传感芯片还包括：位于所述基底层上的壳体，所述壳体与所述基底层围成微腔，所述微腔用于容纳所述待测介质；
其中，
所述波导层和光栅位于所述微腔中。
9.如权利要求8所述的传感芯片，其特征在于，所述待测介质为待测液体；
沿所述光栅脊的延伸方向上，所述壳体的两个相对的侧壁具有开口，一个侧壁中的所述开口用于作为所述待测液体的流入口，另一个侧壁中的所述开口用于作为所述待测液体的流出口，所述开口由对应侧壁和所述基底层顶部围成。
10.如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述传感芯片适于检测生物分子；
所述传感芯片还包括：修饰层，覆盖所述光栅脊和波导层的表面，所述修饰层适于吸附待测生物分子。
11.一种传感芯片的制备方法，其特征在于，包括：
形成基底层；
在所述基底层上形成波导层；
在所述波导层上形成光栅，所述光栅包括光栅脊和光栅槽，所述光栅脊和光栅槽用于接触待测介质，所述光栅满足预设条件中的一种或两种，所述预设条件包括：所述光栅构成等效平面结构，或者，所述光栅脊的折射率设置为与所述待测介质构成等效连接介质。
12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，形成所述基底层之前，所述制备方法还包括：进行波导层厚度确定步骤；
所述波导层厚度确定步骤包括：确定波导光栅参数，所述波导光栅参数包括所述光栅脊的预设厚度和光栅周期、以及所述波导层的折射率；
根据所述波导光栅参数，获得不同厚度的所述波导层对应的灵敏度；
确定所述灵敏度的最大值所对应的厚度作为所述波导层的预设厚度；
在所述基底层上形成波导层的步骤中，根据所述波导层的预设厚度形成所述波导层。
13.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，在所述波导层上形成光栅的步骤包括：在所述波导层上形成光栅材料层；
对所述光栅材料层进行图形化处理，形成凸出于所述波导层上的所述光栅脊。
14.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，在所述基底层上形成波导层、以及在所述波导层上形成光栅的步骤包括：
在所述基底层上形成波导光栅材料层；
所述波导光栅材料层进行图形化处理，所述图形化处理后的剩余所述波导光栅材料层作为所述波导层，位于所述波导层上的凸起作为所述光栅脊。
15.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，在所述波导层上形成光栅的步骤中，所述光栅脊的厚度小于或等于50纳米。
16.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，在所述波导层上形成光栅的步骤中，所述光栅脊的材料的折射率与所述待测介质的折射率的比值为0.7至1.3。
17.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，在所述波导层上形成光栅的步骤中，所述光栅脊的占空比小于或等于0.3，或者，所述光栅脊的占空比大于或等于0.7。
18.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述灵敏度为共振波长灵敏度或共振角度灵敏度。
19.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述灵敏度为共振波长灵敏度；根据所述波导光栅参数，获得不同厚度的所述波导层对应的灵敏度的步骤包括：
提供衍射光栅方程和平板波导方程；
利用所述衍射光栅方程替换所述平板波导方程中的共振波长项，获得基于共振波长偏移的平板波导方程；
求解所述基于共振波长偏移的平板波导方程，获得衍射光传播角度；
利用所述衍射光传播角度和所述衍射光栅方程，获得任一厚度的所述波导层对应的共振波长灵敏度。
20.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，在所述波导层上形成光栅后，所述制备方法还包括：在所述基底层上固定壳体，所述壳体与所述基底层围成微腔，所述微腔用于容纳所述波导层和光栅，所述微腔还用于容纳所述待测介质。
21.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述传感芯片适于检测生物分子；
在所述波导层上形成光栅后，所述制备方法还包括：对所述光栅脊和波导层的表面进行表面修饰处理，形成覆盖所述光栅脊和波导层的表面的修饰层，所述修饰层适于吸附待测生物分子。
22.一种检测系统，其特征在于，包括：
光源模块，适于发出出射光；
导模共振传感器，包括：如权利要求1至7中任一项所述的传感芯片；位于所述基底层上的壳体，所述壳体与所述基底层围成微腔，所述微腔用于容纳所述波导层、光栅以及待测介质；其中，所述导模共振传感器适于接收所述出射光并在实现导模共振后激发检测光；
探测模块，适于接收所述检测光并对所述检测光进行检测。
23.如权利要求22所述的检测系统，其特征在于，所述待测介质为待测液体；
沿所述光栅脊的延伸方向上，所述壳体的两个相对的侧壁具有开口，一个侧壁中的所述开口作为所述待测介质的流入口，另一个侧壁中的所述开口作为所述待测介质的流出口，所述开口由对应侧壁和所述基底层顶部围成。
24.如权利要求22所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括：偏振片，所述偏振片位于所述出射光的光路上，所述偏振片用于调整所述出射光的偏振态，输出偏振光；所述导模共振传感器适于接收所述偏振光；或者，
所述偏振片位于所述检测光的光路上，所述偏振片用于调整所述检测光的偏振态，输出偏振光；所述探测模块适于接收所述偏振光并对所述偏振光进行检测。
25.如权利要求24所述的检测系统，其特征在于，所述出射光为白光，所述偏振光为TM偏振光或TE偏振光；
或者，
所述出射光为单色光；所述偏振光包括TM偏振光和TE偏振光中的一种或两种。
26.如权利要求22所述的检测系统，其特征在于，所述探测模块包括光电探测器或光谱仪。
27.如权利要求22所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统适于检测生物分子；
所述传感芯片还包括：修饰层，保形覆盖所述光栅脊和波导层的表面，所述修饰层适于吸附待测生物分子。
28.一种检测方法，其特征在于，包括：
提供待测介质、以及如权利要求22至27中任一项权利要求所述的检测系统；
开启光源模块，发出所述出射光；
将所述待测介质通入所述微腔中；
开启所述光源模块、并将所述待测介质通入所述微腔中后，采用所述探测模块接收所述检测光并对所述检测光进行检测。
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