CN115290617A - 一种区分测序荧光光谱的集成光学器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种区分测序荧光光谱的集成光学器件及其制备方法，其中，区分测序荧光光谱的集成光学器件包括：衬底层，所述衬底层包括检测区；位于所述衬底层的检测区上的光栅结构，所述光栅结构包括若干个光栅区，每个光栅区中具有栅开口；位于所述光栅结构背离所述衬底层一侧的波导结构；位于检测区的波导结构背离所述光栅结构一侧的阵列孔膜层，所述阵列孔膜层中具有若干纳米孔；所述光栅区的栅开口位于所述纳米孔的底部，所述光栅区与所述纳米孔一一对应。所述集成光学器件的集成度高且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及基因测序设备技术领域，具体涉及一种区分测序荧光光谱的 集成光学器件及其制备方法。
背景技术
目前普遍使用荧光标记的方法进行基因测序，即通过特定的生物光电子 测试芯片对荧光标记的碱基进行激发，并采集相应荧光标记物发射的荧光信 号，从而对碱基序列进行分析。基因测序使用的光学器件一般包括光源、引 导、扩束、准直、聚焦、分离以及感测部分，但是，现有的进行基因测序的 光学器件的结构复杂且成本也高。因此需设计一种结构简单且成本低的集成 光学器件。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中集成光学器件的结 构复杂且成本高的缺陷，从而提供一种区分测序荧光光谱的集成光学器件及 其制备方法。
本发明提供一种区分测序荧光光谱的集成光学器件，包括：衬底层，所 述衬底层包括检测区；位于所述衬底层的检测区上的光栅结构，所述光栅结 构包括若干个光栅区，每个光栅区中具有栅开口；位于所述光栅结构背离所 述衬底层一侧的波导结构；位于检测区的波导结构背离所述光栅结构一侧的 阵列孔膜层，所述阵列孔膜层中具有若干纳米孔；所述光栅区的栅开口位于 所述纳米孔的底部，所述光栅区与所述纳米孔一一对应。
可选的，所述光栅区包括第一遮光区至第N遮光区，N为大于或等于1 的整数；任意一个第j遮光区的形状为环状结构；j为大于或等于1且小于或 等于N的整数。
可选的，N为大于或等于2的整数，第n遮光区环绕所述第n－1遮光区； n为大于或等于2且小于或等于N的整数。
可选的，任意一个第j遮光区的形状包括圆形环、六边形环、矩形环、 正方形环或三角形环。
可选的，所述栅开口为条状结构。
可选的，所述光栅结构的材料包括：钛或者氮化钛。
可选的，还包括：位于所述波导结构和所述光栅结构之间的透镜单元； 所述透镜单元包括若干个聚焦透镜体，所述聚焦透镜体位于所述纳米孔的下 方，所述聚焦透镜体与所述纳米孔一一对应。
可选的，还包括；位于所述透镜单元和所述光栅结构之间的折射率适配 层；所述折射率适配层的折射率小于所述聚焦透镜体的折射率。
可选的，所述折射率适配层的折射率为1.3－1.5。
可选的，所述聚焦透镜体的折射率为2.6－2.7。
可选的，所述折射率适配层的材料包括二氧化硅。
可选的，所述聚焦透镜体的材料包括碳化硅。
可选的，所述纳米孔的中心和所述聚焦透镜体的中心在一条直线上。
可选的，所述聚焦透镜体为菲涅尔透镜体。
可选的，还包括：光限制单元，位于所述透镜单元和所述波导结构之间， 所述光限制单元包括：光遮挡区和若干个间隔设置的光透过区，所述光遮挡 区包围所述光透过区；光透过区位于所述纳米孔的下方，所述光透过区与所 述纳米孔一一对应。
可选的，所述光透过区的材料包括：二氧化硅。
可选的，所述光遮挡区的材料包括：钛或者氮化钛。
可选的，所述纳米孔的中心和所述光透过区的中心在一条直线上。
可选的，还包括：位于所述衬底层的检测区上的图像传感层，且所述图 像传感层位于所述光栅结构背向所述波导结构的一侧。
可选的，所述衬底层还包括：与所述检测区邻接的传输区、以及与所述 传输区连接的耦合区；所述波导结构还延伸至所述衬底层的传输区上；所述 区分测序荧光光谱的集成光学器件还包括：位于所述衬底层的耦合区上的耦 合结构，所述耦合结构的出射端与位于传输区上的所述波导结构的入射端连 接。
本发明还提供一种区分测序荧光光谱的集成光学器件的制备方法，包括： 提供衬底层，所述衬底层包括检测区；在所述衬底层的检测区上形成光栅结 构，所述光栅结构包括若干个光栅区，每个光栅区中具有栅开口；在所述光 栅结构背离所述衬底层的一侧形成波导结构；在所述检测区的波导结构背离 所述光栅结构一侧形成阵列孔膜层，所述阵列孔膜层中具有若干纳米孔，所述 光栅区的栅开口位于所述纳米孔的底部，所述光栅区与所述纳米孔一一对应。
可选的，形成所述光栅结构的步骤包括：在所述衬底层上形成初始光栅 膜，刻蚀初始光栅膜，使所述初始光栅膜形成所述光栅结构。
可选的，还包括：在形成波导结构之前，在所述光栅结构背离所述衬底 层的一侧形成透镜单元，所述透镜单元包括若干个聚焦透镜体；形成所述阵 列孔膜层之后，所述聚焦透镜体位于所述纳米孔的下方，所述聚焦透镜体与 所述纳米孔一一对应。
可选的，还包括：在形成透镜单元之前，在光栅结构背离所述衬底层的 一侧表面形成折射率适配层。
可选的，形成所述折射率适配层的步骤包括：在所述光栅结构背离所述 衬底层的一侧表面形成折射率适配膜；刻蚀折射率适配膜以形成折射率适配 层，所述折射率适配层中背离所述光栅结构的一侧具有若干间隔的槽；形成 所述透镜单元的步骤为：在所述槽中以及槽之间的折射率适配层上形成透镜 单元。
可选的，形成波导结构之前，还包括：在所述透镜单元背向所述光栅结 构的一侧表面形成光限制单元；形成光限制单元的步骤包括：形成光遮挡区 和若干个间隔设置的光透过区，所述光遮挡区包围所述光透过区；形成所述 阵列孔膜层之后，所述光透过区位于所述纳米孔的下方，所述光透过区与所 述纳米孔一一对应。
可选的，所述衬底层还包括：与所述检测区邻接的传输区、以及与所述 传输区连接的耦合区；在所述光栅结构背离所述衬底层的一侧形成波导结构 的步骤中，所述波导结构还延伸至所述衬底层的传输区上；所述
区分测序荧光光谱的集成光学器件的制备方法还包括：在所述衬底层的 耦合区上形成耦合结构，所述耦合结构的出射端与位于传输区上的所述波导 结构的入射端连接。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的区分测序荧光光谱的集成光学器件，包括：衬底层，所述 衬底层包括检测区；位于所述衬底层的检测区上的光栅结构，所述光栅结构 包括若干个光栅区，每个光栅区中具有栅开口；位于所述光栅结构背离所述 衬底层一侧的波导结构；位于检测区的波导结构背离所述光栅结构一侧的阵 列孔膜层，所述阵列孔膜层中具有若干纳米孔；所述光栅区的栅开口位于所 述纳米孔的底部，所述光栅区与所述纳米孔一一对应。所述纳米孔中适于放 置待测物质。外界光源的激发光传输至检测区上方的波导结构中，并在波导结构中传输的过程产生界面波，界面波从位于检测区的波导结构上的阵列孔 膜层中的若干个纳米孔处出射，从而照亮各个纳米孔，进而激发纳米孔中的 待测物质产生荧光。荧光再依次经过波导结构和光栅结构，光栅结构对荧光 进行光谱区分。所述区分测序荧光光谱的集成光学器件集成了光栅结构，不 需要依赖额外的色散元件即可直接对从纳米孔中的待测物质产生的荧光进行 光谱区分，缩短了待测物质产生荧光从纳米孔至所述光栅结构的光程，因此 可以避免发生能量的损失，因此，所述区分测序荧光光谱的集成光学器件的集成度提高且成本低。
进一步，还包括：位于所述波导结构和所述光栅结构之间的透镜单元； 所述透镜单元包括若干个聚焦透镜体，所述聚焦透镜体位于所述纳米孔的下 方，所述聚焦透镜体与所述纳米孔一一对应。所述聚焦透镜体对从所述纳米 孔中的待测物质产生荧光进行准直和汇聚，使从所述纳米孔中的待测物质产 生荧光由球面光可以平行入射到所述光栅结构。由于集成了透镜单元，因此 区分测序荧光光谱的集成光学器件的集成度进一步提高。
进一步，还包括：光限制单元，位于所述透镜单元和所述波导结构之间， 所述光限制单元包括：光遮挡区和若干个间隔设置的光透过区，所述光遮挡 区包围所述光透过区；光透过区位于所述纳米孔的下方，所述光透过区与所 述纳米孔一一对应，所述光限制单元中的光遮挡区可以避免从若干所述纳米 孔中的待测物质产生荧光在传输的过程中相互形成串扰。由于集成了光限制 单元，因此区分测序荧光光谱的集成光学器件的集成度进一步提高。
进一步，还包括：与所述检测区邻接的传输区、以及与所述传输区连接 的耦合区；所述波导结构还延伸至所述衬底层的传输区上；所述区分测序荧 光光谱的集成光学器件还包括：位于所述衬底层的耦合区上的耦合结构，所 述耦合结构的出射端与位于传输区上的所述波导结构的入射端连接。外界光 源的激发光被所述耦合结构耦合至传输区上的波导结构，位于传输区上的波 导结构传输激发光至位于检测区上的波导结构。由于所述区分测序荧光光谱 的集成光学器件集成了耦合结构，外界光源的光通过耦合结构能够高效传输 至波导结构，可以降低光源能量的损耗。由于集成了耦合结构，因此区分测 序荧光光谱的集成光学器件的集成度进一步提高。
进一步，还包括：位于所述衬底层的检测区上的图像传感层，且所述图 像传感层位于所述光栅结构背向所述波导结构的一侧。光栅结构透过的荧光 被图像传感层探测到，形成荧光光谱，所述图像传感层可以直接采集到待测 物质产生的荧光光谱。由于区分测序荧光光谱的集成光学器件集成了图像传 感层，进一步提高了所述区分测序荧光光谱的集成光学器件的集成度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面 将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术 人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的 附图。
图1为本发明一实施例提供的区分测序荧光光谱的集成光学器件的结构 示意图；
图2为本发明一实施例提供的分测序荧光光谱的集成光学器件的剖面结 构示图；
图3为本发明一实施例提供的一种波导结构的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的光栅结构中各光栅区的剖面结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的光栅结构中各光栅区的俯视图；
图6为本发明一实施例提供的光栅结构中各光栅区的俯视图；
图7为本发明一实施例提供的光栅结构中各光栅区的俯视图；
图8为本发明提供的区分测序荧光光谱的集成光学器件的工作原理图；
图9为本发明一实施例提供的区分测序荧光光谱的集成光学器件的光学 仿真结果；
图10为本发明一实施例提供的区分测序荧光光谱的集成光学器件的从光 栅区射出的荧光光谱的电场大小示意图；
图11为本发明一实施例提供的区分测序荧光光谱的集成光学器件在激发 光的波长为532nm时从光栅区射出的荧光光谱的电场大小示意图；
图12为本发明一实施例提供的区分测序荧光光谱的集成光学器件区分测 序荧光光谱的集成光学器件在激发光的波长为640nm时从光栅区射出的荧光 光谱的电场大小示意图；
图13为本发明一实施例提供的区分测序荧光光谱的集成光学器件中没有 设置图像传感层时与光学显微镜组成的信号采集系统的结构示意图；
图14为本发明一实施例提供的区分测序荧光光谱的集成光学器件的制备 方法的流程图；
图15至图22为本发明一实施例提供的区分测序荧光光谱的集成光学器 件制备过程的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所 描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中 的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有 其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位 置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化 描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的 方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、 “第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。 对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的 具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此 之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种区分测序荧光光谱的集成光学器件，结合参考图1和 图2，包括：
衬底层1，所述衬底层1包括检测区；
位于所述衬底层1的检测区上的光栅结构2，所述光栅结构包括若干个光 栅区，每个光栅区中具有栅开口；
位于所述光栅结构2背离所述衬底层1一侧的波导结构3；
位于检测区的波导结构3背离所述光栅结构2一侧的阵列孔膜层4，所述 阵列孔膜层4中具有若干纳米孔41，所述光栅区的栅开口位于所述纳米孔41 的底部，所述光栅区与所述纳米孔41一一对应。
本实施例提供的区分测序荧光光谱的集成光学器件，所述纳米孔41中适 于放置待测物质。外界光源的激发光传输至检测区上方的波导结构3中，并 在波导结构3中传输的过程产生界面波，界面波从位于检测区的波导结构3 上的阵列孔膜层4中的若干个纳米孔41处出射，从而照亮各个纳米孔41，进 而激发纳米孔41中的待测物质产生荧光。荧光再依次经过波导结构3和光栅 结构2，光栅结构2对荧光进行光谱区分。所述区分测序荧光光谱的集成光学 器件集成了光栅结构2，不需要依赖额外的色散元件即可直接对从纳米孔中的待测物质产生的荧光进行光谱区分，缩短了待测物质产生荧光从纳米孔至所 述光栅结构2的光程，因此可以避免发生能量的损失，因此，所述区分测序 荧光光谱的集成光学器件的集成度高且成本低。
在一个实施例中，所述衬底层1的材料包括但不限于光学玻璃，所述光 学玻璃的见光透过率＞90％，厚度为200μm－500μm，例如300μm，尺寸包括 但不限于四英寸、八英寸、十英寸；示例性的，衬底层可以选用1－JGS1光学 石英玻璃或康宁石英玻璃。
本实施例提供所述纳米孔41中适于放置待测物质。所述待测物质例如可 以为基因样品或者荧光标签。
在一个实施例中，所述纳米孔41中可以内容纳的待测物质包含至少2种、 3种、4种、10种、16种、32种、64种或100种，不做限定。
所述波导结构包括第一波导包层、位于所述第一波导包层上的图形化的 波导芯层；位于所述波导芯层的侧部和顶部的第二波导包层。在一个实施例 中，所述纳米孔纵向延伸至至少部分厚度的第二波导包层中，且所述纳米孔 底端至所述波导芯层顶面的距离大于等于零。
在一个实施例中，由于所述纳米孔纵向延伸至至少部分厚度的第二波导 包层中，因此缩小了纳米孔底端与所述波导芯层之间的距离，提高了所述纳 米孔内的激发光的光强，进而有利于激发纳米孔中的待测物质产生荧光，提 高了检测效果，降低了纳米孔处的光的能量损耗程度，避免了由于所述纳米 孔底端至所述波导芯层的中心轴的距离较大导致光在经过纳米孔时消耗较多 的能量，从而保证了阵列孔膜层中各个纳米孔发光的均匀性。
具体的，所述纳米孔底端至所述波导芯层的中心轴的距离小于等于370 纳米。光在波导结构中传输的过程中，在波导芯层的外侧表面产生界面波， 且界面波的强度随着与波导芯层的外侧表面的距离的增大呈指数衰减。通过 限定所述纳米孔底端至所述波导芯层的中心轴的距离，限定了所述纳米孔底 端与所述波导芯层的外侧表面的距离，从而保证了进入纳米孔中光的强度以 激发纳米孔中的待测物质产生荧光。
在其他实施例中，所述阵列孔膜层4位于波导包层上，所述纳米孔没有 延伸至波导包层中。
在一个实施例中，所述阵列孔膜层的材料包括但不限于金或铝。
在一个实施例中，所述纳米孔的孔径为50nm－250nm，例如200nm。
所述波导结构3包括一个或者多个波导组。在一个实施例中，以图3为 例，对波导结构3进行详细说明，所述波导结构3包括一个波导组A3。所述 波导组A3包括自传输区至检测区延伸的第一波导层31和自传输区至检测区 延伸的第二波导层32，所述第一波导层31包括依次连接的第一波导主路311、 第一波导第一级分叉支路312至第一波导第五级分叉支路313，所述第二波导 层32包括依次连接的第二波导主路321、第二波导第一级分叉支路322至第 二波导第五级分叉支路323，且所述第一波导层31和所述第二波导层32均为 多级“Y”形分叉结构；所述第一波导主路311与所述第二波导主路321相对 设置，第一波导第五级分叉支路与第二波导第五级分叉支路位于检测区，第 一波导第五级分叉支路的输入端至第一波导第五级分叉支路的输出端的方向 与第二波导第五级分叉支路的输入端至第二波导第五级分叉支路的输出端的 方向相反，第一波导第五级分叉支路背向第一波导第四级分叉支路的端口与 第二波导第五级分叉支路背向第二波导第四级分叉支路的端口在检测区连 接。需要理解的是，所述波导结构3包括但不限于图3所示的波导结构3。
所述波导组A3中的第一波导层31和第二波导层32在检测区连接，能够 使同一纳米孔41被两条路径的光照亮，补偿了光在传播过程中的能量损耗， 从而提高了纳米孔41中光的强度，进而有利于激发纳米孔41中的待测物质 产生荧光，提高了检测效果；进一步的，还避免了由于能量损耗程度随着光 传播距离的增大而增大导致的纳米孔41中光强的均匀性差，还提高了纳米孔 41中光强的均匀度。
通过将所述第一波导层31和第二波导层32设计为多级分叉的结构，且 所述波导组A3中的所述第一波导第N级分叉支路和第二波导第N级分叉支路 在所述检测区连接，提高了位于阵列孔膜层4中纳米孔41的数量，且上述纳 米孔41均能被在所述第一波导层31和第二波导层32内传输的光照亮，从而 使待测物质产生荧光，进而提高了检测效率。
所述第一波导层31和所述第二波导层32均为多级“Y”形分叉结构，能 够缩小第一波导主路与第二波导主路之间的距离，从而有利于缩小区分测序 荧光光谱的集成光学器件的尺寸，提高区分测序荧光光谱的集成光学器件的 集成度。
在一个实施例中，参考图4，对于每个光栅区，所述光栅区包括第一遮光 区至第N遮光区，N为大于或等于1的整数；任意一个第j遮光区的形状为环 状结构；j为大于或等于1且小于或等于N的整数。
在一个实施例中，所述光栅结构的厚度为90nm－120nm，例如100nm。
在一个实施例中，N为大于或等于2的整数，第n遮光区环绕所述第n－1 遮光区；n为大于或等于2且小于或等于N的整数。
在一个实施例中，参考图5，任意一个第j遮光区的形状为圆形环，j为 大于或等于1且小于或等于N的整数；参考图6，任意一个第j遮光区的形状 为正方形环。在其他实施例中，任意一个第j遮光区的形状还可以为六边形 环、矩形环、或三角形环。在其他实施例中，任意一个第j遮光区的形状还 可以为其他中心对称或轴对称特征的形状。
在另一个实施例中，参考图7，所述栅开口为条状结构。在其他实施例中， 所述光栅结构的结构还可以包括其他波带板状结构。
在一个实施例中，所述光栅结构的材料包括：钛或者氮化钛。
在一个实施例中，所述光栅区的遮光区的宽度为b，相邻的遮光区之间的 栅开口的宽度为a。参考图4，第一遮光区环绕的栅开口的宽度的一半为a0， 第一遮光区的宽度为b1，第一遮光区和第二遮光区之间的栅开口的宽度为a1。 第一遮光区和第一遮光区环绕的栅开口的光栅常数定义为(a0+b1)，第一遮 光区和第二遮光区之间的栅开口与第一遮光区的光栅常数定义为(a1+b1)。
在一个实施例中，(a0+b1)：(a1+b1)＝3：2－3：2.5，例如3：2。
在一个实施例中，(a0+b1)＝3μm，(a1+b1)＝2μm。
在一个实施例中，继续参考图2，所述区分测序荧光光谱的集成光学器件 还包括：位于所述波导结构3和所述光栅结构之间的透镜单元5；所述透镜单 元包括若干个聚焦透镜体，所述聚焦透镜体位于所述纳米孔41的下方，所述 聚焦透镜体与所述纳米孔41一一对应。所述聚焦透镜体对从所述纳米孔41 中的待测物质产生荧光进行准直和汇聚，使从所述纳米孔41中的待测物质产 生荧光由球面光可以平行入射到所述光栅结构。由于集成了透镜单元，因此 区分测序荧光光谱的集成光学器件的集成度进一步提高。
在一个实施例中，还包括；位于所述透镜单元和所述光栅结构2之间的 折射率适配层6；所述折射率适配层6的折射率小于所述聚焦透镜体的折射 率。
在一个实施例中，所述折射率适配层6的折射率为1.3－1.5，例如1.4。
在一个实施例中，所述聚焦透镜体的折射率为2.6－2.8，例如2.7。
在一个实施例中，所述折射率适配层6的材料包括二氧化硅。
在一个实施例中，所述聚焦透镜体的材料包括碳化硅。
在一个实施例中，所述聚焦透镜体为菲涅尔透镜体，菲涅尔透镜体的成 本较低，菲涅尔透镜体比较薄，因此，可以进一步降低所述区分测序荧光光 谱的集成光学器件的成本。
在一个实施例中，所述纳米孔41的中心和所述光透过区的中心在一条直 线上。
在一个实施例中，继续参考图2，所述区分测序荧光光谱的集成光学器件 还包括：光限制单元7，位于所述透镜单元和所述波导结构之间，所述光限制 单元包括：光遮挡区71和若干个间隔设置的光透过区72，所述光遮挡区71 包围所述光透过区72；光透过区72位于所述纳米孔41的下方，所述光透过 区72与所述纳米孔41一一对应。所述光限制单元中的光遮挡区可以避免从 若干所述纳米孔中的待测物质产生荧光在传输的过程中相互形成串扰。由于 集成了光限制单元，因此区分测序荧光光谱的集成光学器件的集成度进一步 提高。
图2，光透过区72还可以延伸至所述光遮挡区71与所述透镜单元5之间。 在其他实施例中，所述光透过区72还可以延伸至所述光遮挡区71与所述波 导结构3之间。
在一个实施例中，所述光透过区72的材料包括：二氧化硅；
在一个实施例中，所述光遮挡区71的材料包括：钛或者氮化钛。
在一个实施例中，所述光透过区72的形状包括圆形、正方形、三角形、 矩形、六边形或其他形状，所述光透过区的形状为圆形时，所述光透过区的 直径为4.5m－5.0μm，例如4.8μm。
在一个实施例中，所述区分测序荧光光谱的集成光学器件还包括：与所 述检测区邻接的传输区、以及与所述传输区连接的耦合区；所述波导结构还 延伸至所述衬底层的传输区上；所述区分测序荧光光谱的集成光学器件还包 括：位于所述衬底层的耦合区上的耦合结构8，所述耦合结构8的出射端与位 于传输区上的所述波导结构3的入射端连接。外界光源的激发光被所述耦合 结构8耦合至传输区上的波导结构3，位于传输区上的波导结构3传输激发光 至位于检测区上的波导结构3。由于所述区分测序荧光光谱的集成光学器件集成了耦合结构8，由于所述区分测序荧光光谱的集成光学器件集成了耦合结 构，外界光源的光通过耦合结构能够高效传输至波导结构，可以降低光源能 量的损耗。由于集成了耦合结构，因此区分测序荧光光谱的集成光学器件的 集成度进一步提高。
在一个实施例中，所述区分测序荧光光谱的集成光学器件还包括：位于 所述衬底层的检测区上的图像传感层，且所述图像传感层位于所述光栅结构 背向所述波导结构的一侧。光栅结构透过的荧光被图像传感层探测到，形成 荧光光谱，所述图像传感层可以直接采集到待测物质产生的荧光光谱。由于 所述区分测序荧光光谱的集成光学器件集成了图像传感层，进一步提高了所 述区分测序荧光光谱的集成光学器件的集成度。
在一个实施例中，所述区分测序荧光光谱的集成光学器件还可以与图像 传感层分离，这样有利于图像传感层重复使用，有效地降低成本，可以在纳 米孔DNA测序上实现高通量的目标。
参考图8，图8为本实施例提供的区分测序荧光光谱的集成光学器件的工 作原理图。纳米孔中的待测物质产生的荧光，经过聚焦透镜体准直之后，不 同波长的光线在光栅结构发生衍射的衍射角存在差异，从而导致其投射到图 像传感层上的位置存在差异，即发生色散。所以，可通过光栅结构出射的色 散条纹的形状、大小和位置信息，对来纳米孔的荧光信号进行光谱区分。波 长越大，对应的出射条纹越远离投影中心。通过对光栅结构出射的色散条纹 的第二级明纹在图像传感层阵列中相对中心明纹的位置来区分入射光波长。通过对光栅结构出射的色散条纹的中心明纹在图像传感层中的灰度强弱信息 来区分入射光强度。
在一个实施例中，所述区分测序荧光光谱的集成光学器件中，光栅结构 的光栅区包括一个遮光区，遮光区包围一个栅开口，所述栅开口的形状包括： 圆形、六边形、矩形、正方形或三角形。参考图9，图9为对应该情况下的光 学仿真结果。参考图10，图10为对应该情况下的从光栅区射出荧光光谱的电 场大小示意图，结果显示只有一个主级条纹。
在一个实施例中，所述区分测序荧光光谱的集成光学器件中，光栅区的 包括遮光区为若干个，相邻的遮光区之间具有栅开口，栅开口的数量也为多 干个，所述栅开口的形状包括：圆形、六边形、矩形、正方形或三角形，参 考图11，图11为对应该情况下的，区分测序荧光光谱的集成光学器件在激发 光的波长为532nm时从光栅结构射出的荧光光谱的电场大小示意图。参考图 12，图12为所述区分测序荧光光谱的集成光学器件对应该情况下的在激发光 的波长为640nm时从光栅结构射出的荧光光谱的电场大小示意图。图12和图 11中，结果显示不同波长的光分为中心明纹、第二级明纹，并且中心明纹和 第二级明纹有明显的位置区分，这些不同波长产生的第二级明纹将在图像传 感层的不同区域成像。
在一个实施例中，图像传感层包括高速荧光相机(sCMOS相机)、高速荧 光图像传感器、EMCCD相机或者EMCCD传感器，图像传感层直接采集区分测序 荧光光谱的集成光学器件背部的光信号。使用的高速荧光相机(sCMOS相机)、 高速荧光图像传感器、EMCCD相机或者EMCCD传感器像素尺寸应不大于5μm。
在一个实施例中，参考图13，所述区分测序荧光光谱的集成光学器件A 中与图像传感层B分离，也可以将该区分测序荧光光谱的集成光学器件接入 光学显微镜C的物镜，再通过图像传感层采集光信号，图像传感层包括高速 荧光相机(sCMOS相机)、高速荧光图像传感器、EMCCD相机或者EMCCD传感 器采集光信号。使用的高速荧光相机(sCMOS相机)、高速荧光图像传感器、 EMCCD相机或者EMCCD传感器像素尺寸应不大于5μm。具体的，将所述区分测序荧光光谱的集成光学器件放在光学显微镜C的载物台上，高速荧光相机 连接在光学显微镜的相机接口上，高速荧光相机负责成像拍照，透镜和衍射 光学元件(doe)一起用来调整激光相对耦合结构和波导结构的入射角、光斑 形状和大小。
实施例2
本实施例提供一种区分测序荧光光谱的集成光学器件的制备方法，参考 图14，包括以下步骤：
步骤S1：提供衬底层，所述衬底层包括检测区；
步骤S2：在所述衬底层的检测区上形成光栅结构，所述光栅结构包括若干 个光栅区，每个光栅区中具有栅开口；
步骤S3：在所述光栅结构背离所述衬底层的一侧形成波导结构；
步骤S4：在所述检测区的波导结构背离所述光栅结构一侧形成阵列孔膜 层，所述阵列孔膜层中具有若干纳米孔，所述光栅区的栅开口位于所述纳米孔 的底部，所述光栅区与所述纳米孔一一对应。
下面参考图15至图22详细介绍所述区分测序荧光光谱的集成光学器件 的制备方法。
在所述衬底层的检测区上形成光栅结构之前，还包括：对所述衬底层进 行清洗处理。
在一个实施例中，结合参考图15和图16，形成所述光栅结构的步骤包括： 在所述衬底层1上形成初始光栅膜200，刻蚀初始光栅膜200，使所述初始光 栅膜形成所述光栅结构。刻蚀所述初始光栅膜使用的是紫外光刻技术，紫外 光刻机的加工精度为1um。
在一个实施例中，还包括：在形成波导结构之前，在所述光栅结构背离 所述衬底层的一侧形成透镜单元，所述透镜单元包括若干个聚焦透镜体；形 成所述阵列孔膜层之后，所述聚焦透镜体位于所述纳米孔的下方，所述聚焦 透镜体与所述纳米孔一一对应。
在一个实施例中，还包括：在形成透镜单元之前，在光栅结构背离所述 衬底层的一侧表面形成折射率适配层。
在一个实施例中，结合参考图17和图18，形成所述折射率适配层6的步 骤包括：在所述光栅结构2背离所述衬底层1的一侧表面形成折射率适配膜 600；刻蚀折射率适配膜600以形成折射率适配层6，所述折射率适配层6中 背离所述光栅结构的一侧具有若干间隔的槽。具体的，形成若干间隔的槽使 用的是紫外光刻技术，紫外光刻机的加工精度为200nm，槽分3次刻蚀，每一 次刻蚀的厚度为150nm，槽的宽度在背向所述衬底层的方向上逐渐递增。
在一个实施例中，在所述光栅结构背离所述衬底层的一侧表面形成折射 率适配膜的步骤包括：在所述光栅结构背离所述衬底层的一侧表面形成第一 折射率适配膜，形成的第一折射率适配膜的厚度为1.6um，之后对所述第一折 射率适配膜进行平坦化处理，平坦化处理之后的第一折射率适配膜的厚度为 1.5um，磨平的工艺包括化学机械抛光工艺，之后，在所述第一折射率适配膜 背离所述衬底层的一侧表面形成第二折射率适配膜，形成的第二折射率适配 膜的厚度为0.2um，所述第一折射率适配膜和所述第二折射率适配膜构成所述 折射率适配膜。
在一个实施例中，形成所述第一折射率适配膜的工艺包括：等离子体增 强化学气相沉积工艺；形成所述第二折射率适配膜的工艺包括：电感耦合等 离子体化学气相沉积工艺。等离子体增强化学气相沉积工艺和电感耦合等离 子体化学气相沉积工艺相结合有利于避免所述折射率适配膜发生形变。
在一个实施例中，参考图19，形成所述透镜单元的步骤为：在所述槽中 以及槽之间的折射率适配层上形成透镜单元。所述透镜单元包括若干个聚焦 透镜体。
在一个实施例中，结合参考图20和图21，形成波导结构之前，还包括： 在所述透镜单元背向所述光栅结构2的一侧表面形成光限制单元7；形成光限 制单元7的步骤包括：形成光遮挡区71和若干个间隔设置的光透过区72，所 述光遮挡区71包围所述光透过区72；形成所述阵列孔膜层之后，所述光透过 区位于所述纳米孔的下方，所述光透过区与所述纳米孔一一对应。具体的， 在一种方法中，在所述透镜单元背向所述光栅结构的一侧表面形成初始遮挡 膜700；去除部分初始遮挡膜700，使得初始遮挡膜700形成光遮挡区71，所 述光遮挡区71中具有光透过口；在所述光透过口中形成光透过区72。所述光 透过区72还可以延伸至所述光遮挡区71与所述波导结构3之间。
在一个实施例中，初始遮挡膜700的厚度为100nm。
在一个实施例中，去除部分初始遮挡膜700，使用的是紫外光刻技术，紫 外光刻机的加工精度为5.4um。
在一个实施例中，所述光透过区72的厚度为500nm。
在另一种方法中，在所述透镜单元背向所述光栅结构的一侧表面形成初 始光透过膜；去部分初始光透过膜，使初始光透过膜形成光透过区；形成包 围所述光透过区的光遮挡区。光透过区72还可以延伸至所述光遮挡区71与 所述透镜单元5之间。
在一个实施例中，所述光透过区72的材料包括：二氧化硅；
在一个实施例中，所述光遮挡区71的材料包括：钛或者氮化钛。
在一个实施例中，所述衬底层还包括：与所述检测区邻接的传输区、以 及与所述传输区连接的耦合区；在所述光栅结构2背离所述衬底层的一侧形 成波导结构的步骤中，所述波导结构还延伸至所述衬底层的传输区上。
在一个实施例中，所述区分测序荧光光谱的集成光学器件的制备方法还 包括：在所述衬底层的耦合区上形成耦合结构，所述耦合结构的出射端与位 于传输区上的所述波导结构的入射端连接。
参考图22，在所述光栅结构背离所述衬底层1的一侧形成波导结构3， 具体的，在所述光限制单元7背离所述衬底层1的一侧形成波导结构3。
继续参考图22，在所述检测区的波导结构3背离所述光栅结构一侧形成 阵列孔膜层4，所述阵列孔膜层中具有若干纳米孔41。
所述纳米孔的中心和所述聚焦透镜体的中心在一条直线上。
关于本实施例与前一实施例相同的部分，不再详述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式 的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做 出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。 而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之 中。
Claims (14)
1.一种区分测序荧光光谱的集成光学器件，其特征在于，包括：
衬底层，所述衬底层包括检测区；
位于所述衬底层的检测区上的光栅结构，所述光栅结构包括若干个光栅区，每个光栅区中具有栅开口；
位于所述光栅结构背离所述衬底层一侧的波导结构；
位于检测区的波导结构背离所述光栅结构一侧的阵列孔膜层，所述阵列孔膜层中具有若干纳米孔，所述光栅区的栅开口位于所述纳米孔的底部，所述光栅区与所述纳米孔一一对应。
2.根据权利要求1所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件，其特征在于，所述光栅区包括第一遮光区至第N遮光区，N为大于或等于1的整数；任意一个第j遮光区的形状为环状结构；j为大于或等于1且小于或等于N的整数；
优选的，N为大于或等于2的整数，第n遮光区环绕所述第n－1遮光区；n为大于或等于2且小于或等于N的整数；
优选的，任意一个第j遮光区的形状包括圆形环、六边形环、矩形环、正方形环或三角形环。
3.根据权利要求1所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件，其特征在于，所述栅开口为条状结构。
4.根据权利要求1所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件，其特征在于，所述光栅结构的材料包括：钛或者氮化钛。
5.根据权利要求1所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件，其特征在于，还包括：位于所述波导结构和所述光栅结构之间的透镜单元；所述透镜单元包括若干个聚焦透镜体，所述聚焦透镜体位于所述纳米孔的下方，所述聚焦透镜体与所述纳米孔一一对应；
优选的，还包括；位于所述透镜单元和所述光栅结构之间的折射率适配层；所述折射率适配层的折射率小于所述聚焦透镜体的折射率；
优选的，所述折射率适配层的折射率为1.3－1.5；
优选的，所述聚焦透镜体的折射率为2.6－2.7；
优选的，所述折射率适配层的材料包括二氧化硅；
优选的，所述聚焦透镜体的材料包括碳化硅；
优选的，所述纳米孔的中心和所述聚焦透镜体的中心在一条直线上。
6.根据权利要求5所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件，其特征在于，所述聚焦透镜体为菲涅尔透镜体。
7.根据权利要求5所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件，其特征在于，还包括：光限制单元，位于所述透镜单元和所述波导结构之间，所述光限制单元包括：光遮挡区和若干个间隔设置的光透过区，所述光遮挡区包围所述光透过区；光透过区位于所述纳米孔的下方，所述光透过区与所述纳米孔一一对应；
优选的，所述光透过区的材料包括：二氧化硅；
优选的，所述光遮挡区的材料包括：钛或者氮化钛；
优选的，所述纳米孔的中心和所述光透过区的中心在一条直线上。
8.根据权利要求1所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件，其特征在于，还包括：位于所述衬底层的检测区上的图像传感层，且所述图像传感层位于所述光栅结构背向所述波导结构的一侧。
9.根据权利要求1所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件，其特征在于，所述衬底层还包括：与所述检测区邻接的传输区、以及与所述传输区连接的耦合区；所述波导结构还延伸至所述衬底层的传输区上；
所述区分测序荧光光谱的集成光学器件还包括：位于所述衬底层的耦合区上的耦合结构，所述耦合结构的出射端与位于传输区上的所述波导结构的入射端连接。
10.一种区分测序荧光光谱的集成光学器件的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底层，所述衬底层包括检测区；
在所述衬底层的检测区上形成光栅结构，所述光栅结构包括若干个光栅区，每个光栅区中具有栅开口；
在所述光栅结构背离所述衬底层的一侧形成波导结构；
在所述检测区的波导结构背离所述光栅结构一侧形成阵列孔膜层，所述阵列孔膜层中具有若干纳米孔，所述光栅区的栅开口位于所述纳米孔的底部，所述光栅区与所述纳米孔一一对应。
11.根据权利要求10所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件的制备方法，其特征在于，形成所述光栅结构的步骤包括：在所述衬底层上形成初始光栅膜，刻蚀初始光栅膜，使所述初始光栅膜形成所述光栅结构。
12.根据权利要求10所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件的制备方法，其特征在于，还包括：在形成波导结构之前，在所述光栅结构背离所述衬底层的一侧形成透镜单元，所述透镜单元包括若干个聚焦透镜体；形成所述阵列孔膜层之后，所述聚焦透镜体位于所述纳米孔的下方，所述聚焦透镜体与所述纳米孔一一对应；
优选的，还包括：在形成透镜单元之前，在光栅结构背离所述衬底层的一侧表面形成折射率适配层；
优选的，形成所述折射率适配层的步骤包括：在所述光栅结构背离所述衬底层的一侧表面形成折射率适配膜；刻蚀折射率适配膜以形成折射率适配层，所述折射率适配层中背离所述光栅结构的一侧具有若干间隔的槽；形成所述透镜单元的步骤为：在所述槽中以及槽之间的折射率适配层上形成透镜单元。
13.根据权利要求12所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件的制备方法，其特征在于，形成波导结构之前，还包括：在所述透镜单元背向所述光栅结构的一侧表面形成光限制单元；
形成光限制单元的步骤包括：形成光遮挡区和若干个间隔设置的光透过区，所述光遮挡区包围所述光透过区；
形成所述阵列孔膜层之后，所述光透过区位于所述纳米孔的下方，所述光透过区与所述纳米孔一一对应。
14.根据权利要求10所述的区分测序荧光光谱的集成光学器件的制备方法，其特征在于，所述衬底层还包括：与所述检测区邻接的传输区、以及与所述传输区连接的耦合区；在所述光栅结构背离所述衬底层的一侧形成波导结构的步骤中，所述波导结构还延伸至所述衬底层的传输区上；
所述区分测序荧光光谱的集成光学器件的制备方法还包括：在所述衬底层的耦合区上形成耦合结构，所述耦合结构的出射端与位于传输区上的所述波导结构的入射端连接。
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