CN117269079A - 一种基于soi的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法 - Google Patents
一种基于soi的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117269079A CN117269079A CN202311557531.6A CN202311557531A CN117269079A CN 117269079 A CN117269079 A CN 117269079A CN 202311557531 A CN202311557531 A CN 202311557531A CN 117269079 A CN117269079 A CN 117269079A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ring
- micro
- runway
- type micro
- god
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 title claims abstract description 60
- 239000008103 glucose Substances 0.000 title claims abstract description 60
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 46
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 38
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 69
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims description 24
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 18
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 14
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 14
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 14
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 14
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 13
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 12
- 239000012295 chemical reaction liquid Substances 0.000 claims description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 7
- 239000002120 nanofilm Substances 0.000 claims description 7
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 claims description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 4
- FPQQSJJWHUJYPU-UHFFFAOYSA-N 3-(dimethylamino)propyliminomethylidene-ethylazanium;chloride Chemical compound Cl.CCN=C=NCCCN(C)C FPQQSJJWHUJYPU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- NQTADLQHYWFPDB-UHFFFAOYSA-N N-Hydroxysuccinimide Chemical compound ON1C(=O)CCC1=O NQTADLQHYWFPDB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 claims description 3
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 3
- 230000036541 health Effects 0.000 abstract description 2
- 108010015776 Glucose oxidase Proteins 0.000 description 38
- 239000004366 Glucose oxidase Substances 0.000 description 38
- 229940116332 glucose oxidase Drugs 0.000 description 38
- 235000019420 glucose oxidase Nutrition 0.000 description 38
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 19
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000012792 core layer Substances 0.000 description 9
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 4
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 4
- 229940088598 enzyme Drugs 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 238000005842 biochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 2
- 238000000835 electrochemical detection Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013076 target substance Substances 0.000 description 2
- 108091005804 Peptidases Proteins 0.000 description 1
- -1 Polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 239000004365 Protease Substances 0.000 description 1
- 102100037486 Reverse transcriptase/ribonuclease H Human genes 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 1
- GZCGUPFRVQAUEE-SLPGGIOYSA-N aldehydo-D-glucose Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C=O GZCGUPFRVQAUEE-SLPGGIOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 229920005570 flexible polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000011895 specific detection Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
- B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
- B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
- B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
Abstract
本发明公开了一种基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法，包括跑道型微环谐振器、GOD上包层、微流控模块、1×8阵列波导光栅、光电探测器和信号处理电路，GOD上包层与跑道型微环谐振器形成三维矩形接触，葡萄糖溶液进入微流控模块到达储液池后，与GOD上包层充分反应，通过阵列波导光栅和光电探测器将光信号转换为电信号，再由信号处理电路输出待测葡萄糖的浓度，实现葡萄糖传感功能。本发明基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器克服了笨重光学检测仪器的缺陷，同时具有集成度高、特异性高、灵敏度高的优点，在便携式可穿戴生物传感器和健康检测领域有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及利用光学手段检测葡萄糖技术领域，特别是涉及一种基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法。
背景技术
绝缘体上硅(SOI)波导是一种三层型材料结构，最下面一层是硅衬底层，中心一层是2μm~3μm厚的SiO2层，最上面一层则是硅波导层。SiO2层和硅波导层共同构成了脊型波导结构。由于SiO2层和Si层之间的高折射率差，为光束的限制提供了很好的条件，基于SOI材料的光传感器因为其集成化高、体积小等优势，在生物传感领域非常具有前景。
酶传感器是将生物蛋白酶分子固定在结构表面构成活性生物分子膜，利用酶与目标物质之间的选择性高效催化，对目标物质的生化反应信息进行收集并转化为可分辨的信号。因为硅的物理化学特性较为稳定，通常情况下很难将有机生物分子链接到结构表面，所以在加工好的硅基微纳结构表面形成具有一定功能的分子膜层是构成生物传感器敏感单元的关键步骤。在葡萄糖传感领域，目前主流的方法是使用葡萄糖氧化酶(GOD)来修饰传感器进而实现葡萄糖的特异性检测，主要的方法有GOD包覆电极进行电化学检测方法和利用GOD包覆光纤布拉格光栅(FBG)进行光学检测方法。电化学传感方法是使用金属电极和GOD结合，通过氧化还原反应来产生电信号，间接地测量葡萄糖浓度，但是，电化学检测方法具有抗电磁干扰弱、成本较高以及无法克服人体生物电的影响等缺点；FBG传感方法是通过与包覆GOD的包层发生反应后，芯层的有效折射率会发生变化从而引起光栅中心波长的变化，通过光谱仪观察中心波长的偏移来实现对葡萄糖的实时检测，但这种方法较为繁琐，笨重的检测设备不方便携带。因此探索一种低成本、易携带、集成度高的葡萄糖传感器就显得尤为重要。
本发明要解决的关键问题就是克服上述电化学和光学方法的缺点，通过基于SOI材料与微流控集成的生物传感器在芯片上实现微流控制，实现对待测样品的快速反应等操作，以简单有效地获得葡萄糖水平的波动情况；通过将跑道型微环谐振器和阵列波导光栅结合实现对所检测光信号的解调处理，获得低成本、小体积、灵敏度更高的光电-微流控集成的葡萄糖传感器是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是，提出一种基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法，该传感器集成度高、灵敏度高、特异性强且易于检测，能有效检测葡萄糖浓度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器，所述传感器包括粘合层、微流通道层和光子芯片；所述粘合层、微流通道层和光子芯片三层结构密封键合；所述微流通道层上设置有微流通道、储液池和流阻；
所述光子芯片包括多模干涉(MMI)耦合器、至少一个跑道型微环谐振器、1×8阵列波导光栅和光电探测器，所述储液池和所有跑道型微环谐振器全部接触；
每个跑道型微环谐振器的谐振波长均位于1×8阵列波导光栅的两个相邻通道之间，且不能超过1×8阵列波导光栅所解调的波长范围；
所述跑道型微环谐振器包括输入/输出波导、反射波导、跑道型环波导，输入/输出波导和跑道型环波导之间存在第一耦合区，跑道型环波导和反射波导之间存在第二耦合区；光信号经过输入/输出波导在第一耦合区和跑道型环波导发生谐振；
在输入/输出波导、反射波导、跑道型环波导的周围包裹GOD上包层，所述GOD上包层所在区域与微流通道层中的储液池所在位置对应。
进一步地，所述粘合层上设置有若干数量的圆形通孔，所述粘合层的圆形通孔分别对应微流通道的各个反应液入口；所述微流通道具有主路和若干与主路连接的支路，微流通道层的反应液入口分别与微流通道的支路连接，微流通道的所有支路连接微流通道的主路，主路同时连接储液池，将反应液集中汇聚到储液池内，所述储液池的出口经流阻连接排样口，所述流阻具有蛇形走线。
进一步地，所述跑道型微环谐振器的数量为四个，四个跑道型微环谐振器的结构参数不同，所述输入/输出波导和反射波导相互平行；所述跑道型微环谐振器输出光谱的自由光谱区FSR要大于1×8阵列波导光栅的相邻通道间隔，以免其它中心波长对1×8阵列波导光栅造成串扰而影响测量精度。
每个跑道型微环谐振器上跑道型环波导的数量为四个，四个跑道型环波导依次布置，且四个跑道型环波导的中轴线与反射波导平行。
进一步地，所述光子芯片的二氧化硅下包层厚度为3µm，折射率为1.45~1.46，光子芯片的波导芯层厚度为220nm，折射率为3.46~3.47；所述GOD上包层厚度为2µm，GOD溶液浓度为15mg/mL，折射率为1.3391。
进一步地，所述跑道型微环谐振器的跑道型环波导的环半径为4.9μm~5.5μm，粘合层和微流通道层构成微流控模块，微流控模块整体尺寸为1cm×0.5cm，所述储液池形状为矩形，尺寸为2mm×1mm，微流通道的宽度为200µm~500µm，微流通道的深宽比不超过1.5:1，粘合层厚度为0.2mm~0.5mm，微流通道层厚度为1.5mm~2mm，光子芯片厚度为0.75mm。
进一步地，所述GOD上包层的形成过程是：将GOD与pH=5.5的磷酸盐缓冲液进行混合，制备浓度为15mg/mL的 GOD溶液；
使用硅烷溶液对跑道型微环谐振器表面进行表面修饰改性，形成一层分子膜；
配制1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺的交联剂；
将交联剂涂在所述分子膜上，再将浓度为15mg/mL的 GOD溶液在二氧化硅下包层上进行旋涂固化，将跑道型微环谐振器完全包裹，形成GOD上包层。
第二方面，本发明提供一种所述的基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器的传感方法，使用所述传感器进行葡萄糖检测，还包括片上光源和信号处理电路；1×2 MMI耦合器的接收端连接片上光源，1×2 MMI耦合器的输出连接跑道型微环谐振器的输入，跑道型微环谐振器的输出经1×2 MMI耦合器连接1×8阵列波导光栅，所述1×8阵列波导光栅用于对不同波长的光进行解调，1×8阵列波导光栅具有八个通道，1×8阵列波导光栅的输出连接光电探测器，光电探测器的输出连接信号处理电路；
所述片上光源用于提供光波段为1530nm~1570nm的光信号；
所述1×8阵列波导光栅用来接收跑道型微环谐振器反射的光信号并进行解调；
所述光电探测器用于将解调的光信号转化为变化的电信号；
所述信号处理电路用于根据获得的电信号进行检测，输出葡萄糖浓度的检测结果；
待测葡萄糖溶液经粘合层进入微流通道层的储液池内，储液池内的待测葡萄糖溶液与固定GOD上包层后的跑道型微环谐振器全部接触，片上光源发出光，光信号经过1×2MMI耦合器到跑道型微环谐振器，通过跑道型微环谐振器的光会发生谐振，反射不同中心波长的光，不同中心波长的光经1×2 MMI耦合器输出到1×8阵列波导光栅，经1×8阵列波导光栅的不同通道进行解调，解调后的光信号再由光电探测器将光信号转换为电信号，电信号的变化由信号处理电路进行检测，最终输出待测葡萄糖的浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用绝缘体上硅(SOI)、微流控、微环谐振器、酶传感、阵列波导光栅解调等技术，将微流控芯片和固定好GOD的跑道型微环谐振器结合用于特异性检测葡萄糖浓度，后端信号的检测则使用1×8阵列波导光栅、光电探测器以及信号处理电路来进行，显著缩小了光学葡萄糖传感器的尺寸、简化了检测流程、缩短了检测时间、克服了现有光学葡萄糖传感器体积大、检测流程复杂、操作繁琐以及容易受到环境影响等问题。
本发明基于SOI材料的跑道型微环葡萄糖传感器的传感方法在实施时，跑道型微环谐振器实现特定波长的光反射，反射的中心波长随葡萄糖浓度的变化而变化，通过1×8阵列波导光栅解调跑道型微环谐振器的中心波长，经光电探测器将光信号转换为电信号，得到输出电信号与葡萄糖浓度的关系，电信号的变化由信号处理电路进行检测，最终输出待测葡萄糖的浓度，在葡萄糖检测方法的研究中，基于SOI的跑道型微环葡萄糖检测方法具有集成度高、测量简便、灵敏度高和不易受到人体生物电影响的优点。
本发明基于SOI材料的跑道型微环葡萄糖传感器以SOI材料和微流控集成克服了笨重光学检测仪器的缺陷，同时具有集成度高、特异性高、灵敏度高的优点，在便携式可穿戴生物传感器和健康检测领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器的拆分结构示意图；
图2为本发明基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器进行葡萄糖检测的系统框图；
图3为本发明基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器中跑道型微环谐振器的结构示意图；
图4为本发明1×8阵列波导光栅的输出光谱图和不同参数的跑道型微环谐振器的反射光谱图；
图5为本发明微流通道层的俯视结构示意图；
图6为本发明基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器的侧视结构示意图；
图7为本发明光子芯片中跑道型微环谐振器所在区域的侧视结构示意图。
附图标记：
1、微流控模块，11、粘合层，111、圆形通孔，12、微流通道层，121、微流通道，122、流阻，123、储液池，2、跑道型微环谐振器，21、输入/输出波导，22、反射波导，23、跑道型环波导，24、第一耦合区，25、第二耦合区， 3、1×2 MMI耦合器，4、片上光源，5、1×8阵列波导光栅，6、光电探测器，7、信号处理电路，8、GOD上包层、9、二氧化硅下包层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为本发明基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器的拆分结构示意图，包括粘合层11、微流通道层12和光子芯片；所述粘合层11、微流通道层12和光子芯片三层结构密封键合，用来进行葡萄糖的检测和传感；所述粘合层11上设置有若干数量的圆形通孔111，所述微流通道层12上设置有微流通道121、流阻122、储液池123，粘合层11的圆形通孔111对应微流通道121上的各个反应液入口，微流通道121的反应液出口连接储液池123的入口，将反应液集中汇聚到储液池123内，储液池123的出口连接流阻122，所述流阻122为蛇形流阻，流阻122用于引流废液，将废液经流阻末端的排样口流出。
所述光子芯片包括硅衬底、二氧化硅下包层9、波导芯层和二氧化硅上包层，波导芯层包括1×2 MMI耦合器3、跑道型微环谐振器2、1×8阵列波导光栅5和光电探测器6，1×2MMI耦合器3、跑道型微环谐振器2、1×8阵列波导光栅5和光电探测器6均刻蚀在二氧化硅下包层9上，除跑道型微环谐振器2所在区域以外的波导芯层上均覆盖二氧化硅上包层，所述储液池123和跑道型微环谐振器2全部接触，且跑道型微环谐振器2所在区域的二氧化硅上包层进行开窗加工并修饰使GOD能够牢固固定。
所述粘合层11为具有低杨氏模量和良好皮肤相容性的柔性聚合物材料，所述粘合层11的圆形通孔111所在位置为不同位置的圆形溶液收集区域。所述粘合层11材料为聚氨酯医用胶带，微流通道层12材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
在GOD上包层8滴加不同浓度的葡萄糖时，其折射率会发生变化，相应的跑道型微环谐振器2反射的中心波长也会发生变化，GOD上包层8的下表面与跑道型微环谐振器2的外表面直接接触。
图2为本发明基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器进行葡萄糖检测的系统框图，包括微流控模块1、跑道型微环谐振器2、1×2 MMI耦合器3、片上光源4、1×8阵列波导光栅5、光电探测器6、信号处理电路7；其中，跑道型微环谐振器2和微流控模块1结合用于进行液体的收集与传感；1×2 MMI耦合器3、跑道型微环谐振器2、1×8阵列波导光栅5和光电探测器6共同构成了光子芯片；1×2 MMI耦合器3的接收端连接片上光源4，所述片上光源4用于提供光波段为1530nm~1570nm的光信号，1×2 MMI耦合器3的输出连接跑道型微环谐振器2的输入，跑道型微环谐振器2的输出经1×2 MMI耦合器3连接1×8阵列波导光栅5，所述1×8阵列波导光栅5用于对不同波长的光进行解调，1×8阵列波导光栅5具有八个输出通道，1×8阵列波导光栅5的输出连接光电探测器6，光电探测器6的输出连接信号处理电路7。片上光源4发出3mW~5mW功率的光，光信号经过1×2 MMI耦合器3到跑道型微环谐振器2，通过跑道型微环谐振器2的光会发生谐振反射不同波长的光(图2中λ为波长，λ1~λ4分别对应四个跑道型环波导不同的中心波长)，不同波长的光经1×2 MMI耦合器3输出到1×8阵列波导光栅5，经1×8阵列波导光栅5的不同通道进行解调，解调后的光信号再由光电探测器6将光信号转换为电信号，电信号的变化由信号处理电路7来检测输出。
图3为本发明中跑道型微环谐振器的结构示意图，包括输入/输出波导21、反射波导22、跑道型环波导23，输入/输出波导21和跑道型环波导23之间存在第一耦合区24，跑道型环波导23和反射波导22之间存在第二耦合区25；光信号经过输入/输出波导21在第一耦合区24和跑道型环波导23发生谐振，满足谐振条件的波长在跑道型环波导23中引起谐振，经过第二耦合区25时进入反射波导22并输出，没有发生谐振的波长的光在输入/输出波导21的输出端透射；光子芯片上经过半导体工艺刻蚀二氧化硅上包层后形成开窗传感区域，在开窗传感区域内再经过修饰和GOD固定后形成GOD上包层8，当微流通道121中的葡萄糖液体经过时，GOD上包层8和跑道型微环谐振器2的有效折射率发生变化，此时跑道型微环谐振器2中发生谐振的光波长发生变化，实现葡萄糖的实时传感。跑道型环波导23由两个半圆波导组成，跑道型微环谐振器2的作用是反射特定波长的光，光信号经过1×2 MMI耦合器3到跑道型微环谐振器2，经跑道型微环谐振器2反射再经过 1×2 MMI耦合器3到1×8阵列波导光栅5进行解调，1×8阵列波导光栅5输出的光信号接光电探测器6，由光电探测器6将光信号转换为电信号连接信号处理电路7。
所述跑道型微环谐振器2具有四个跑道型环波导23，本发明中一个光子芯片中可以并列设置至少一个跑道型微环谐振器。本实施例中一个光子芯片中并列设置四个跑道型微环谐振器，四个跑道型微环谐振器的结构参数不同，每个跑道型微环谐振器的波长均位于1×8阵列波导光栅5的两个相邻通道之间，且不能超过1×8阵列波导光栅5所解调的波长范围。
本实施例中选择四个跑道型环波导的原因是：增加跑道型环波导可以增加光的耦合效率使反射率能够达到最高，但跑道型环波导的数量不能过多，这样反而会增加光在传输中的损耗，本实施例中设置四个跑道型环波导的反射率最高、光谱效果最好、灵敏度最高，与1×8阵列波导光栅结合的效果最好，所以本实施例选用的跑道型微环谐振器是四跑道级联型微环谐振器。
图4为本发明1×8阵列波导光栅的输出光谱图和不同参数的跑道型微环谐振器的反射光谱图，图中(a)、(b)、(d)、(e)为不同参数跑道型微环谐振器所对应的反射光谱图，(c)为1×8阵列波导光栅的输出光谱图，1×8阵列波导光栅的八个通道依次标记为CH1~CH8，八个通道的中心波长分别为1547nm、1548.33nm、1549.67nm、1551nm、1552nm、1553.33nm、1554.67nm、1556nm，1×8阵列波导光栅所解调的波长范围是1547nm~1556nm，四种参数的跑道型微环谐振器的波长需要位于1×8阵列波导光栅的两个通道之间且不能超过1×8阵列波导光栅所解调的波长范围，选择四种参数的跑道型微环谐振器对应1×8阵列波导光栅的不同通道的原因是：在半导体工艺加工时，由于工艺的限制，可能会出现和预期光谱相差较大的现象，并列设置四种不同参数的跑道型微环谐振器对应1×8阵列波导光栅的不同通道，在信号处理电路7处可以根据1×8阵列波导光栅不同输出通道的电流进行检测，选用效果最好、准确度最高的通道，以及对应参数的跑道型微环谐振器。第一种跑道型微环谐振器的反射光谱图(参见图4中的(a)图)的中心波长为1547.12nm，对应的1×8阵列波导光栅解调通道为CH1~CH2；第二种跑道型微环谐振器的反射光谱图(参见图4中的(b)图)的中心波长为1554.31nm，对应的1×8阵列波导光栅解调通道为CH6~CH7； 第三种跑道型微环谐振器的反射光谱图(参见图4中的(d)图)的中心波长为1549.66nm，对应的1×8阵列波导光栅解调通道为CH2~CH3；第四种跑道型微环谐振器的反射光谱图(参见图4中的(e)图)的中心波长为1556.37nm，对应的1×8阵列波导光栅解调通道为CH7~CH8，不同参数的跑道型微环谐振器分别在1×8阵列波导光栅的不同通道间进行解调，图4中的(e)图中两个波峰之间的距离为跑道型微环谐振器的自由光谱区FSR，跑道型微环谐振器的自由光谱区FSR为15.33nm，大于1×8阵列波导光栅的相邻通道间隔1.33nm，四种不同参数的跑道型微环谐振器的结构参数如下表1所示：
图5为本发明中微流通道层的俯视图，其中，为实现液体在微流通道121内的自驱动，微流通道层12包括微流通道121、流阻122、储液池123，所述粘合层11中排布的圆形通孔为圆形进样口，圆形进样口直径为500µm，本实施例中圆形进样口的数量为十一个，所述粘合层11上的圆形进样口与微流通道层12上的反应液入口位置一一对应，反应液入口也为圆形，微流通道121的宽度为200µm，深度为300µm，流道深宽比为1.5:1，储液池123的大小为2mm×1mm，储液池123尺寸大于光子芯片上所有跑道型微环谐振器2尺寸，留有一定容差范围，微流控模块1整体尺寸为1cm×0.5cm，流阻122的宽度为100µm，采用蛇形走线，蛇形走线的流阻122是为了让液体与GOD上包层8充分反应，液体绕蛇形走线流向，引导废液流出；同时微流图案的微流通道121的边缘距离微流通道层12边缘应大于1mm，目的是保持内部流道结构的稳定性，避免流道在边缘处变形而引起的液体泄漏。
图6为基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器的侧视结构图，粘合层11、微流通道层12与光子芯片使用等离子体键合的方式来紧密键合，其中，粘合层11厚度为0.5mm，微流通道层12厚度为1.5mm，光子芯片厚度为0.75mm，所检测的液体经粘合层11的圆形通孔111在毛细管效应的作用下，实现自驱动液体收集，通过微流通道层12中微流通道121的流动流向光子芯片上的跑道型微环谐振器2进行传感，最后反应后的废液经过流阻122从排样口排出。
图7为光子芯片中跑道型微环谐振器所在区域的侧视结构图，此区域内包括二氧化硅下包层9、波导芯层以及固定在波导芯层上的GOD上包层8，其中，光子芯片在加工波导芯层时通过刻蚀等工艺形成跑道型微环谐振器2、1×2 MMI耦合器3、1×8阵列波导光栅5、光电探测器6等图案，波导宽度W为0.4μm(输入/输出波导21、反射波导22、跑道型环波导23三者的宽度均相同，都为0.4μm)，耦合间距Wgap为0.2μm(即输入/输出波导21和跑道型环波导23之间的距离、反射波导22与跑道型环波导23之间的距离)，波导高度为0.22μm。
所述GOD上包层8的形成过程是：GOD与pH=5.5的磷酸盐缓冲液进行混合，制备浓度为15mg/mL的 GOD溶液；
使用硅烷溶液对硅基结构表面进行表面修饰改性，形成一层分子膜；
使用1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺构成的交联剂来链接分子膜和大分子酶；
最后将浓度为15mg/mL的 GOD 和交联剂相结合并牢固固定，形成GOD上包层8。
光子芯片的半导体工艺流程为：硅衬底的清洗、二氧化硅下包层9的制作、波导芯层膜的制作、清洗并光刻制作波导芯层结构、在跑道型微环谐振器所在区域开窗上包层、GOD填充开窗区域形成GOD上包层；所述二氧化硅下包层厚度为3µm，折射率为1.45；波导芯层厚度为220nm，折射率为3.46；所述GOD上包层厚度为2µm， GOD溶液浓度为15mg/mL，折射率为1.3391。
本发明中跑道型微环谐振器用来检测葡萄糖浓度、阵列波导光栅对变化的光信号进行解调、光电探测器用于将1×8阵列波导光栅输出的光信号转换为电信号、将GOD填充在跑道型微环谐振器的波导芯层周围固化形成GOD上包层，所述微流控模块的储液池和光子芯片上的跑道型微环谐振器对准耦合，葡萄糖溶液经过粘合层进入微流通道到达储液池时，与填充GOD上包层的跑道型微环谐振器反应，通过信号处理电路来输出电信号与葡萄糖浓度的关系，最终达到传感葡萄糖浓度的效果。
本发明的具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，以上内容不应理解为对本发明的限制。本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种任何修改、等同替换或变形等，凡在本申请的精神和原理之内所作的修改、等同替换或变型等均落入本发明的保护范围之内。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (7)
1.一种基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器，其特征在于，所述传感器包括粘合层、微流通道层和光子芯片；所述粘合层、微流通道层和光子芯片三层结构密封键合；所述微流通道层上设置有微流通道、储液池和流阻；
所述光子芯片包括1×2 MMI耦合器、至少一个跑道型微环谐振器、1×8阵列波导光栅和光电探测器，所述储液池和所有跑道型微环谐振器全部接触；
每个跑道型微环谐振器的谐振波长均位于1×8阵列波导光栅的两个相邻通道之间，且不能超过1×8阵列波导光栅所解调的波长范围；
所述跑道型微环谐振器包括输入/输出波导、反射波导、跑道型环波导，输入/输出波导和跑道型环波导之间存在第一耦合区，跑道型环波导和反射波导之间存在第二耦合区；光信号经过输入/输出波导在第一耦合区和跑道型环波导发生谐振；
在输入/输出波导、反射波导、跑道型环波导的周围包裹GOD上包层，所述GOD上包层所在区域与微流通道层中的储液池所在位置对应。
2.根据权利要求1所述的基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器，其特征在于，所述粘合层上设置有若干数量的圆形通孔，所述粘合层的圆形通孔分别对应微流通道的各个反应液入口；所述微流通道具有主路和若干与主路连接的支路，微流通道层的反应液入口分别与微流通道的支路连接，微流通道的所有支路连接微流通道的主路，主路同时连接储液池，将反应液集中汇聚到储液池内，所述储液池的出口经流阻连接排样口，所述流阻具有蛇形走线。
3.根据权利要求1所述的基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器，其特征在于，所述跑道型微环谐振器的数量为四个，四个跑道型微环谐振器的结构参数不同，所述输入/输出波导和反射波导相互平行；所述跑道型微环谐振器输出光谱的自由光谱区FSR大于1×8阵列波导光栅的相邻通道间隔；每个跑道型微环谐振器上跑道型环波导的数量为四个，四个跑道型环波导依次布置，且四个跑道型环波导的中轴线与反射波导平行。
4.根据权利要求1所述的基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器，其特征在于，光子芯片的二氧化硅下包层厚度为3µm，折射率为1.45~1.46，光子芯片的波导芯层厚度为220nm，折射率为3.46~3.47；所述GOD上包层厚度为2µm，GOD上包层固化形成所用的GOD溶液浓度为15mg/mL，折射率为1.3391。
5.根据权利要求1所述的基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器，其特征在于，所述跑道型微环谐振器的跑道型环波导的环半径为4.9μm~5.5μm，粘合层和微流通道层构成微流控模块，微流控模块整体尺寸为1cm×0.5cm，所述储液池形状为矩形，尺寸为2mm×1mm，微流通道的宽度为200μm~500µm，微流通道的深宽比不超过1.5:1，粘合层厚度为0.2mm~0.5mm，微流通道层厚度为1.5mm~2mm，光子芯片厚度为0.75mm。
6.根据权利要求1所述的基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器，其特征在于，所述GOD上包层的形成过程是：将GOD与pH=5.5的磷酸盐缓冲液进行混合，制备浓度为15mg/mL的 GOD溶液；
使用硅烷溶液对跑道型微环谐振器表面进行表面修饰改性，形成一层分子膜；
配制1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺的交联剂；
将交联剂涂在所述分子膜上，再将浓度为15mg/mL的 GOD溶液在二氧化硅下包层上进行旋涂固化，将跑道型微环谐振器完全包裹，形成GOD上包层。
7.一种权利要求1-6任一所述的基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器的传感方法，其特征在于，使用所述传感器进行葡萄糖检测，还包括片上光源和信号处理电路；1×2 MMI耦合器的接收端连接片上光源，1×2 MMI耦合器的输出连接跑道型微环谐振器的输入，跑道型微环谐振器的输出经1×2 MMI耦合器连接1×8阵列波导光栅，所述1×8阵列波导光栅用于对不同波长的光进行解调，1×8阵列波导光栅具有八个通道，1×8阵列波导光栅的输出连接光电探测器，光电探测器的输出连接信号处理电路；
所述片上光源用于提供光波段为1530nm~1570nm的光信号；
所述1×8阵列波导光栅用来接收跑道型微环谐振器反射的光信号并进行解调；
所述光电探测器用于将解调的光信号转化为变化的电信号；
所述信号处理电路用于根据获得的电信号进行检测，输出葡萄糖浓度的检测结果；
待测葡萄糖溶液经粘合层进入微流通道层的储液池内，储液池内的待测葡萄糖溶液与固定GOD上包层后的跑道型微环谐振器全部接触，片上光源发出光，光信号经过1×2 MMI耦合器到跑道型微环谐振器，通过跑道型微环谐振器的光会发生谐振，反射不同中心波长的光，不同中心波长的光经1×2 MMI耦合器输出到1×8阵列波导光栅，经1×8阵列波导光栅的不同通道进行解调，解调后的光信号再由光电探测器将光信号转换为电信号，电信号的变化由信号处理电路检测，最终输出待测葡萄糖的浓度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311557531.6A CN117269079B (zh) | 2023-11-22 | 2023-11-22 | 一种基于soi的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311557531.6A CN117269079B (zh) | 2023-11-22 | 2023-11-22 | 一种基于soi的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117269079A true CN117269079A (zh) | 2023-12-22 |
| CN117269079B CN117269079B (zh) | 2024-02-27 |
Family
ID=89204894
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311557531.6A Active CN117269079B (zh) | 2023-11-22 | 2023-11-22 | 一种基于soi的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117269079B (zh) |
Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060170931A1 (en) * | 2003-08-13 | 2006-08-03 | The Regents Of The University Of Michigan | Biochemical sensors with micro-resonators |
| CN101881859A (zh) * | 2009-05-06 | 2010-11-10 | 中国科学院微电子研究所 | 一种采用多模干涉耦合的光延时器 |
| US20110103733A1 (en) * | 2008-04-09 | 2011-05-05 | Hongxing Tang | Nanomechanical photonic devices |
| US20120308181A1 (en) * | 2011-02-03 | 2012-12-06 | Mohammad Hafezi | Two-dimensional coupled resonator optical waveguide arrangements and systems, devices, and methods thereof |
| CN103308480A (zh) * | 2013-05-16 | 2013-09-18 | 成都谱视科技有限公司 | 光栅fp腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片 |
| CN109541745A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-03-29 | 电子科技大学 | 一种耦合区改进型的微环谐振器及其制作方法 |
| CN109709644A (zh) * | 2019-02-13 | 2019-05-03 | 东南大学 | 一种基于soi材料制备的跑道型微环2×4热光开关 |
| CN110274892A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-09-24 | 东南大学 | 一种基于跑道型微环谐振器的Fano折射率传感器 |
| WO2019225445A1 (ja) * | 2018-05-21 | 2019-11-28 | 学校法人慶應義塾 | ナノカーボン材料を用いた光デバイス |
| CN111103261A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-05 | 东南大学 | 一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器折射率传感器 |
| CN113702297A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-11-26 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种生物传感器系统及其应用于检测生物样品的方法 |
| CN114543873A (zh) * | 2022-01-11 | 2022-05-27 | 中国地质大学（武汉） | 一种基于游标效应的片上折射率与温度双参量传感器 |
| CN114965303A (zh) * | 2022-07-27 | 2022-08-30 | 天津工业大学 | 一种基于soi的波导布拉格光栅葡萄糖传感器 |
| CN116026790A (zh) * | 2023-01-03 | 2023-04-28 | 东南大学 | 一种基于连续域束缚态亚波长光栅跑道型谐振腔的传感器 |
| CN116413216A (zh) * | 2023-04-17 | 2023-07-11 | 浙江大学 | 一种集成高阶平顶化滤波器的微环传感器 |
| CN117017282A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-11-10 | 天津工业大学 | 一种聚合物mzi汗液葡萄糖传感器及其传感方法 |
-
2023
- 2023-11-22 CN CN202311557531.6A patent/CN117269079B/zh active Active
Patent Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060170931A1 (en) * | 2003-08-13 | 2006-08-03 | The Regents Of The University Of Michigan | Biochemical sensors with micro-resonators |
| US20110103733A1 (en) * | 2008-04-09 | 2011-05-05 | Hongxing Tang | Nanomechanical photonic devices |
| CN101881859A (zh) * | 2009-05-06 | 2010-11-10 | 中国科学院微电子研究所 | 一种采用多模干涉耦合的光延时器 |
| US20120308181A1 (en) * | 2011-02-03 | 2012-12-06 | Mohammad Hafezi | Two-dimensional coupled resonator optical waveguide arrangements and systems, devices, and methods thereof |
| CN103308480A (zh) * | 2013-05-16 | 2013-09-18 | 成都谱视科技有限公司 | 光栅fp腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片 |
| WO2019225445A1 (ja) * | 2018-05-21 | 2019-11-28 | 学校法人慶應義塾 | ナノカーボン材料を用いた光デバイス |
| CN109541745A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-03-29 | 电子科技大学 | 一种耦合区改进型的微环谐振器及其制作方法 |
| CN109709644A (zh) * | 2019-02-13 | 2019-05-03 | 东南大学 | 一种基于soi材料制备的跑道型微环2×4热光开关 |
| CN110274892A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-09-24 | 东南大学 | 一种基于跑道型微环谐振器的Fano折射率传感器 |
| CN111103261A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-05 | 东南大学 | 一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器折射率传感器 |
| CN113702297A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-11-26 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种生物传感器系统及其应用于检测生物样品的方法 |
| CN114543873A (zh) * | 2022-01-11 | 2022-05-27 | 中国地质大学（武汉） | 一种基于游标效应的片上折射率与温度双参量传感器 |
| CN114965303A (zh) * | 2022-07-27 | 2022-08-30 | 天津工业大学 | 一种基于soi的波导布拉格光栅葡萄糖传感器 |
| CN116026790A (zh) * | 2023-01-03 | 2023-04-28 | 东南大学 | 一种基于连续域束缚态亚波长光栅跑道型谐振腔的传感器 |
| CN116413216A (zh) * | 2023-04-17 | 2023-07-11 | 浙江大学 | 一种集成高阶平顶化滤波器的微环传感器 |
| CN117017282A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-11-10 | 天津工业大学 | 一种聚合物mzi汗液葡萄糖传感器及其传感方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| LI HONGQIANG: "Effect of polarization sensitivity on ultrasmall SOI-based AWG for FBG sensor interrogation", 《OPTICAL ENGINEERING》, pages 0 - 17 * |
| TING HU;BOWEI DONG;XIANSHU LUO;TSUNG-YANG LIOW;JUNFENG SONG;CHENGKUO LEE;GUO-QIANG LO;: "Silicon photonic platforms for mid-infrared applications [Invited]", PHOTONICS RESEARCH, no. 05, 1 October 2017 (2017-10-01) * |
| 江俊峰;刘铁根;李海伟;惠荣庆;刘琨;张以谟;: "基于回音壁谐振模的无标记光学生物传感技术", 光谱学与光谱分析, no. 11 * |
| 陈曜;李振宇;周治平;于军;: "基于光学微环的化学传感器", 光电子.激光, no. 09, 15 September 2009 (2009-09-15) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117269079B (zh) | 2024-02-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2419717B1 (en) | Fluorescence sensor, needle-type fluorescence sensor, and method for measuring analyte | |
| CN101346614B (zh) | 微谐振器传感器 | |
| US7391936B2 (en) | Microfluidic sensors and methods for making the same | |
| CN101493410B (zh) | 基于波分复用技术的多通道光微流体传感器及传感装置 | |
| CN101694463B (zh) | 半导体激光内腔光微流生物传感器 | |
| CN107478607A (zh) | 一种基于脊形光波导的集成生化传感器 | |
| CN103411924A (zh) | 基于游标效应的双微环谐振腔光学生化传感芯片 | |
| CN102410851B (zh) | 多通道光纤表面等离子体波共振传感器 | |
| CN117017282A (zh) | 一种聚合物mzi汗液葡萄糖传感器及其传感方法 | |
| CN104990871A (zh) | 一种光栅微环互调结构的光波导生化传感器 | |
| Leistiko et al. | Integrated bio/chemical microsystems employing optical detection: the clip-on | |
| US6728429B1 (en) | Optical detection | |
| CN105572074B (zh) | 一种基于片上集成光波导生物传感器芯片的折射率检测方法 | |
| Grego et al. | A compact and multichannel optical biosensor based on a wavelength interrogated input grating coupler | |
| CN102809548A (zh) | 一种微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置 | |
| CN117269079B (zh) | 一种基于soi的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法 | |
| US20090202193A1 (en) | Waveguide core and biosensor | |
| JP6041390B2 (ja) | 光共振器構造 | |
| CN105628621B (zh) | 一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片 | |
| CN205538647U (zh) | 一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片 | |
| CN201522429U (zh) | 一种半导体激光内腔光微流生物传感器 | |
| CN109342716B (zh) | 基于单模-少模-单模结构的d型光纤传感器 | |
| CN104034694A (zh) | 基于光功率比值解调的集成波导光学生化传感器 | |
| CN210665507U (zh) | 高通量光波导生物传感芯片 | |
| CN106841121A (zh) | 一种基于脊形光波导的spr生化传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |