CN115138405B - 用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统 - Google Patents

用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统，该系统包括：集成设置的太赫兹光子芯片和微流体装置。太赫兹光子芯片包括集成设置在光子集成芯片基底上的两个连续可调的半导体激光器、耦合器和光混频器，其中，激光器的输出端与耦合器的输入端连接，用于产生两路波长不同的激光；耦合器的输出端与光混频器的输入端连接，用于将两路波长不同的激光合波；光混频器内部集成了太赫兹天线，用于将合波后的两路激光拍频并产生太赫兹波辐射至微流体装置中的样品探测区。微流体装置用于注入、传输及排出待测液相生物样品。该系统结构简单、体积较小、生产成本较低且降低了太赫兹波传播损耗，可以直接获取更加全面的太赫兹波频域光谱。

Description

用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统
技术领域
本发明涉及太赫兹检测技术领域，特别涉及一种用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统。
背景技术
目前，太赫兹技术已广泛应用在生物大分子研究等各个领域中。太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波，可以作为生物大分子研究中的一种新型的远红外相干辐射源。具体应用时，一方面，由于多数生物大分子的转动及振动能级处于太赫兹波段，且太赫兹波辐射的光子能量极低因而对生物分子的组织损伤较低，因此利用太赫兹波的光谱特征吸收特性可以检测转动及振动模式在太赫兹波段内的生物大分子，例如，蛋白质、脱氧核糖核酸(DNA)等。另一方面，由于大部分生物大分子需要在水溶液中才能保持其生物活性，而太赫兹波在水溶液中的吸收损耗极大，给太赫兹波生物大分子活性检测技术的发展造成了巨大的阻碍。
为了解决太赫兹波在生物大分子活性检测中的吸收损耗问题，通常采用微流控技术来降低水分子对太赫兹波的吸收作用。微流控技术是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的一种方法，其中微尺度通道的液体层极薄，对太赫兹波的吸收几乎可以忽略不计，因此能够在太赫兹频率下对水溶液中的生物活性样品进行光谱测量。
相关技术中，通过太赫兹微流控技术进行检测时，目前常见的方法是太赫兹时域法(THz-TDS)，其中，采用的太赫兹波源为脉冲太赫兹波。太赫兹时域法的系统测试平台通常由超快脉冲激光器、分束镜、时间延迟系统、太赫兹发射器、抛物面反射镜及太赫兹探测器等六部分组成。超快脉冲激光器发射的超短激光脉冲经过分束镜后分为泵浦脉冲和探测脉冲；泵浦脉冲经过时间延迟系统后入射到太赫兹发射器产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲通过抛物面镜进行准直和聚焦，聚焦后的太赫兹波穿透过微流控芯片，被太赫兹探测器接收并探测。通过调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟，获得待探测样品的太赫兹时域光谱，时域光谱经过傅里叶变换得到频域光谱，通过分析频域光谱最终获得被测样品的生物特征信息。
然而，申请人发现，上述太赫兹时域法存在以下技术问题：第一，用于调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟的光学延迟线的可调节范围较小，导致频谱的分辨率偏低。第二，作为辐射源的飞秒激光器体积过于庞大笨重，导致整个测试系统尺寸较大，不易携带。第三，当采用轻便的光纤飞秒激光器作为辐射源时，光纤飞秒激光器造价昂贵，导致测试系统的成本偏高。第四，测试系统整体较为复杂，搭建难度较高。第五，太赫兹波在空间传播的损耗较大。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统，通过基于双模激光器拍频产生连续可调谐的太赫兹波，并将太赫兹光子芯片和微流体装置系统集成，提高了片上系统的集成度，有利于实现液相生物检测的小型化、低成本化，并且由于太赫兹微流控片上系统集成度的提高，使太赫兹波的传播距离缩短，进而降低了太赫兹波传播过程中的损耗，解决了太赫兹微流控检测系统的体积较大、成本较高、操作复杂和传播损耗较大等技术问题。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统，包括：集成设置的太赫兹光子芯片和微流体装置，所述太赫兹光子芯片包括：两个连续可调的半导体激光器、耦合器、集成了太赫兹天线的光混频器和光子集成芯片基底，其中，
所述两个连续可调的半导体激光器的输出端与所述耦合器的输入端连接，所述两个连续可调的半导体激光器用于生成两路波长不同的激光；
所述耦合器的输出端与所述光混频器的输入端连接，所述耦合器用于将所述两路波长不同的激光进行合波；
所述光混频器内部集成了太赫兹天线，所述光混频器用于将所述合波后的两路激光拍频并产生太赫兹波，将所述太赫兹波向上辐射至所述微流体装置的样品探测区；
所述两个连续可调的半导体激光器、所述耦合器和所述光混频器集成设置在所述光子集成芯片基底上，并通过光波导结构相连；
所述微流体装置用于注入、传输及排出待测液相生物样品。
所述太赫兹光子芯片发射的太赫兹波经过所述微流体装置的样品探测区后携带了所述待测液相生物样品的特征信息，通过外部太赫兹信号检测装置检测并解析，以获得待测液相生物样品的信息。
所述外部太赫兹信号检测装置包括热电探测器，可以检测所述微流体装置的样品探测区加入待测生物样品后穿透过该区域并携带了样品信息的太赫兹波的功率大小。通过改变两路激光的频率差实现所述太赫兹光子芯片发射的太赫兹波的频率调谐，检测在不同发射太赫兹频率下穿透过所述样品探测区的太赫兹波的功率大小，得到待测液相生物样品的太赫兹频谱。
另外，根据本发明上述实施例的用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统，还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，微流体装置，还包括：盖片、基片、进液口、液体通道和出液口。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述盖片和所述基片采用高分子聚合物作为制作材料，高分子聚合物包括但不限于：环烯烃共聚物COC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA和聚碳酸酯PC中的任一种，所述盖片的下表面和所述基片的上表面覆盖聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜，所述PDMS膜上具有预先刻制的所述液体通道；所述进液口和所述出液口位于所述盖片的预设位置处，所述进液口、所述样品探测区和所述出液口通过所述液体通道依次相连，所述进液口用于接收注入的所述待检测的液相生物样品，所述出液口用于排出废液。
进一步地，在本发明的一个实施例中，该系统还包括：调节器件，用于调节向所述两个连续可调的半导体激光器注入电流的大小，以实现所述两个连续可调的半导体激光器的波长调谐。
进一步地，在本发明的一个实施例中，太赫兹波的频率为所述两路波长不同的激光的频率差。
进一步地，在本发明的一个实施例中，半导体激光器包括但不限于：分布式反馈(DFB)激光器和分布式布拉格反射(DBR)激光器中的任一种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，耦合器包括但不限于：多模干涉器(MMI)和Y分支耦合器中的任一种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光子集成芯片基底采用III-V族化合物半导体材料作为制作材料，所述III-V族化合物半导体材料包括但不限于：InP、GaAs、AlAs、InGaAsP、InGaAlAs和InGaAs中的任一种。
本发明的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
(1)本发明中将太赫兹波的产生、传输和微流体装置实现了系统集成，实现了对微流体通道中的液体生物活性样本的太赫兹探测，由于通道的尺寸非常小，节省了样品的使用量，促进了太赫兹光谱在液相生物探测中的应用。
(2)由于本发明提高了太赫兹波的产生、传输和微流体装置的集成度，使光混频器与样品探测区间的距离变短，所以缩短了太赫兹波向上辐射至微流体装置的样品探测区的路径，进而降低了太赫兹波在空间传播过程中的损耗。
(3)本发明中太赫兹微流控片上系统无需使用笨重的飞秒激光器或者昂贵的光纤飞秒激光器以及光学延迟线等，所需的连续太赫兹波可以由芯片级半导体激光器拍频产生，成本更低，且整个装置系统更加简单，实现了检测系统的小型化、便携化。
(4)本发明中的太赫兹探测技术采用的是连续太赫兹波，相比于采用脉冲太赫兹波的太赫兹时域法(THz-TDS)，可以得到更全面的太赫兹波光谱信息，避免遗漏样品信息，且拥有更高的频谱分辨率。
(5)本发明中的太赫兹探测技术可以直接得到样品的频谱，不需要进行傅里叶变换，使得操作更加便捷，同时还可以获得对某一特定频率的太赫兹波的响应时间或者其它物理量的连续变化曲线，方便生物样品的检测。
(6)本发明的太赫兹-微流控片上系统结构简单，制造方法简单，制造效率高，且加工成本低。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统的结构示意图。
附图标记：太赫兹光子芯片-10；微流体装置-20；第一激光器-11；第一激光器-12；耦合器-13；光混频器-14；光子集成芯片基底-15；盖片-21；基片-22；进液口-23；样品探测区-24；液体通道-25；出液口-26。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统。
图1为根据本发明一个实施例的用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统的结构示意图。
如图1所示，该用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统包括：太赫兹光子芯片10和微流体装置20。
其中，太赫兹光子芯片10和微流体装置20集成设置，以构成太赫兹微流控片上系统，即本申请将太赫兹波的产生、传输和微流体装置集成在一起，构成了一个太赫兹微流控检测系统。图1中所示的系统仅是便于描述该片上系统所包含的器件和各器件的连接关系，并非是对芯片集成方式的限定。
其中，太赫兹光子芯片10是一种基于双模激光器拍频产生连续太赫兹波的单片光子集成芯片，用于产生连续太赫兹波。如图1所示，该太赫兹光子芯片10包括：两个连续可调的半导体激光器(即第一激光器11和第一激光器12)、耦合器13、集成了太赫兹天线的光混频器14和光子集成芯片基底15。
具体的，第一激光器11和第一激光器12为芯片级半导体激光器，这两个连续可调的半导体激光器的输出端与耦合器13的输入端连接，两个连续可调的半导体激光器用于生成两路波长不同的激光。
在本发明一个实施例中，两个连续可调的半导体激光器以并联的方式连接，产生两路波长不同的激光，通过改变向两个激光器注入电流的大小，可以实现半导体激光器的波长调谐。
具体实施时，作为一种可能的实现方式，可以在太赫兹光子芯片10中设置一个调节器件，用于调节向两个连续可调的半导体激光器注入电流的大小，以实现两个连续可调的半导体激光器的波长调谐。调节器件可以改变分别向第一激光器11和第一激光器12注入电流的大小，使第一激光器11和第一激光器12根据接收到的电流大小生成相应波长的激光。
在本发明一个实施例中，半导体激光器包括但不限于：分布式反馈(DFB)激光器和分布式布拉格反射(DBR)激光器中的任一种。
需要说明的是，由于激光的波长和频率存在对应关系，在波速大小视为不变的情况下，本申请通过调节激光的波长也可对激光的频率进行调节，便于后续实现太赫兹波频率的调谐。并且，在本发明实施例中，通过持续向两个连续可调的半导体激光器注入电流，可以使两个半导体激光器持续输出两路波长不同的激光，从而可以使太赫兹光子芯片在后续输出连续的太赫兹波。
耦合器13的输出端与光混频器14的输入端连接，耦合器13用于将接收到的两路波长不同的激光进行合波，生成合波光。在本发明一个实施例中，耦合器包括但不限于：多模干涉器(multi-mode inferometer，简称MMI)和Y分支(Y-branch)耦合器中的任一种。
光混频器14内部集成了太赫兹天线，光混频器14用于将合波后的两路激光拍频并产生太赫兹波，并将太赫兹波向上辐射至微流体装置20中的样品探测区24。
在本发明一个实施例中，光混频器14将合波后的两路激光拍频产生太赫兹波，所述太赫兹波的频率为两路波长不同的激光的频率差。并且，可以通过对光混频器14内的太赫兹天线等器件进行设置，使太赫兹波的辐射方向为朝向微流体装置20中的样品探测区24，以使太赫兹波辐射至微流体装置20中的样品探测区便于后续进行检测。
第一激光器11、第一激光器12、耦合器13和光混频器14集成设置在光子集成芯片基底15上，且上述各器件通过光波导结构相连，即通过光波导结构连接上述不同器件的输入端与输出端。具体的，图1所示的太赫兹光子芯片10上连接各器件的黑色直线和黑色曲线均为光波导结构，整个太赫兹光子芯片10在以半导体材料制成的光子集成芯片基底上完成。
在本发明一个实施例中，光子集成芯片基底15采用III-V族化合物半导体材料作为制作材料，即太赫兹光子芯片10在III-V族化合物半导体材料衬底上完成，III-V族化合物半导体材料包括但不限于：InP、GaAs、AlAs、InGaAsP、InGaAlAs和InGaAs中的任一种。
进一步的，微流体装置20用于注入、传输及排出待测液相生物样品，并可借助外部太赫兹信号检测装置检测待检测的液相生物样品进入样品探测区24后太赫兹波功率的变化，即，上述太赫兹光子芯片10发射的太赫兹波经过该微流体装置20的样品探测区后携带了待测液相生物样品的特征信息，通过外部太赫兹信号检测装置检测并解析，以获得待检测的液相生物样品的太赫兹频域光谱。
继续参照图1，在本发明一个实施例中，微流体装置20除了包括样品探测区24之外，还包括盖片21、基片22、进液口23、液体通道25和出液口26。其中，盖片21和基片22采用高分子聚合物作为制作材料，高分子聚合物包括但不限于：环烯烃共聚物COC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA和聚碳酸酯PC中的任一种。盖片21的下表面和基片22的上表面覆盖聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜，PDMS膜上具有预先刻制的25液体通道，进液口23和出液口26位于盖片21的预设位置处，进液口23、样品探测区24和出液口26通过液体通道25依次相连，进液口23用于接收注入的待检测的液相生物样品，出液口26用于排出废液。
具体而言，对于微流体装置，采用高分子聚合物，比如，环烯烃共聚物(COC)等，作为基片和盖片，在盖片的下表面和基片的上表面覆盖PDMS膜，在PDMS膜上刻出微流体沟道，在盖片上的相应位置制作进液口和出液口。待测生物活性样品从进液口注入，经过液体通道进入样品探测区进行探测后，废液从出液口排出。
在本发明一个实施例中，具体进行检测时，控制辐射的太赫兹波穿透过微流体装置20，用热电探测器检测在微流体装置中加入样品前后太赫兹波的功率的变化，其中，热电探测器是一种在系统外部设置的太赫兹信号检测装置，可以检测微流体装置的样品探测区加入待测生物样品后穿透过该区域并携带了样品信息的太赫兹波的功率大小。并且，还可以通过改变两路激光的频率差实现太赫兹波频率的调谐，得到在不同太赫兹频率下，所述携带了样品信息的太赫兹波的功率变化曲线。
举例而言，通过调节器件调节向两个连续可调的半导体激光器注入电流的大小，分别改变两路激光的频率，又由于太赫兹波的频率为两路波长不同的激光的频率差，从而实现改变辐射的太赫兹波的频率。并且，检测在不同太赫兹频率下穿透过所述样品探测区的太赫兹波的功率大小，得到待测液相生物样品的太赫兹频谱。
由此，该片上系统将上述太赫兹光子芯片和微流体装置进行系统集成，实现了对微流控通道中的液体生物样本的太赫兹探测。太赫兹技术与微流控技术的结合解决了水分子对太赫兹波的高吸收损耗问题，对比常见的太赫兹时域法，该片上系统的检测方法具有成本低、可量产、便携化和操作简单等优势。
综上所述，本发明实施例的用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统，将太赫兹波的产生、传输和微流体装置集成在一起，实现了对微流控沟道中的液体生物活性样本的太赫兹探测，由于通道的尺寸非常小，节省了样品的使用量，大大促进了太赫兹光谱在液相生物探测领域中的应用，并且由于太赫兹微流控片上系统集成度的提高，使太赫兹波的传播距离缩短，进而降低了太赫兹波在空间传播过程中的损耗。该系统无需使用笨重的飞秒激光器或者昂贵的光纤飞秒激光器以及光学延迟线等，所需的连续太赫兹波可以由芯片级半导体激光器拍频产生，成本更低，整个装置系统更加简单，实现了检测系统的小型化、便携化。该太赫兹探测技术采用的是连续太赫兹波，相比于采用脉冲太赫兹波的太赫兹时域法(THz-TDS)，可以得到更全面的太赫兹辐射光谱信息，不会遗漏样品信息，且拥有更高的频谱分辨率。本发明中的太赫兹探测技术可以直接得到样品的频谱，不需要进行傅里叶变换，使得操作更加便捷，同时还可以获得对某一特定频率的太赫兹辐射的响应时间或者其它物理量的连续变化曲线，方便生物样品的检测。本发明的太赫兹微流控片上系统结构简单，制造方法简单，制造效率高，且加工成本低，便于液相生物样品的检测，有效解决了太赫兹时域光谱探测技术中的数据处理复杂、搭建难度大、成本较高等问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统，其特征在于，包括：集成设置的太赫兹光子芯片和微流体装置，所述太赫兹光子芯片包括：两个连续可调的半导体激光器、耦合器、集成了太赫兹天线的光混频器和光子集成芯片基底，其中，
所述两个连续可调的半导体激光器的输出端与所述耦合器的输入端连接，所述两个连续可调的半导体激光器用于产生两路波长不同的激光；
所述耦合器的输出端与所述光混频器的输入端连接，所述耦合器用于将所述两路波长不同的激光进行合波；
所述光混频器内部集成了太赫兹天线，所述集成了太赫兹天线的光混频器用于将所述合波后的两路激光拍频并产生太赫兹波，并通过对所述光混频器内的太赫兹天线进行设置将所述太赫兹波向上辐射至所述微流体装置的样品探测区；
所述两个连续可调的半导体激光器、所述耦合器和所述光混频器集成设置在所述光子集成芯片基底上，并通过光波导结构相连；
所述微流体装置用于注入、传输及排出待测液相生物样品；
所述太赫兹光子芯片发射的太赫兹波经过所述微流体装置的样品探测区后携带了所述待测液相生物样品的特征信息，通过外部太赫兹信号检测装置检测并解析，以获得所述待测液相生物样品的信息；
所述微流体装置，还包括：基片、盖片、进液口、液体通道和出液口；
所述盖片和所述基片采用高分子聚合物作为制作材料，所述高分子聚合物包括但不限于：环烯烃共聚物COC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA和聚碳酸酯PC中的任一种，所述盖片的下表面和所述基片的上表面覆盖聚二甲基硅氧烷膜，所述聚二甲基硅氧烷膜上具有预先刻制的所述液体通道；
所述进液口和所述出液口位于所述盖片的预设位置处，所述进液口、所述样品探测区和所述出液口通过所述液体通道依次相连，所述进液口用于接收注入的待检测的液相生物样品，所述出液口用于排出废液；
在所述太赫兹光子芯片中设置一个调节器件，所述调节器件，用于调节向所述两个连续可调的半导体激光器注入电流的大小，以实现所述两个连续可调的半导体激光器的波长调谐，其中，所述调节器件具体用于改变分别向所述两个连续可调的半导体激光器注入电流的大小，使所述两个连续可调的半导体激光器根据接收到的电流大小生成相应波长的激光；
耦合器包括但不限于：多模干涉器(MMI)和Y分支耦合器中的任一种；
光子集成芯片基底采用III-V族化合物半导体材料作为制作材料，所述III-V族化合物半导体材料包括但不限于：InP、GaAs、AlAs、InGaAsP、InGaAlAs和InGaAs中的任一种。
2.根据权利要求1所述的用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统，其特征在于，所述太赫兹波的频率为所述两路波长不同的激光的频率差。
3.根据权利要求1所述的用于液相生物检测的太赫兹微流控片上系统，其特征在于，所述半导体激光器包括但不限于：分布式反馈(DFB)激光器和分布式布拉格反射(DBR)激光器中的任一种。
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