CN210294058U - 高灵敏度生物传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高灵敏度生物传感器，包括：集成光源，该光源被配置为产生光学信号；滤波单元，包括环形谐振单元，该滤波单元被配置为接收输入光源信号并产生带宽较窄的检测输入光学信号；传感单元，包括环形阵列及马赫‑曾德尔干涉仪阵列，该传感单元被配置为接收输入光学信号并产生传感光学信号，该传感光学信号的波长和光强会根据检测物质材料的浓度等信息而发生变化；检测单元，所述的检测单元用于根据输出传感光学信号分析得到所测混合物中各物质成分的存在及浓度信息。

Description

高灵敏度生物传感器

技术领域

本实用新型涉及一种高灵敏度生物传感器，属于光学传感器领域。

背景技术

光学传感器作为一种新型传感器被广泛应用于生物医疗、环境监测、食品安全、化工检测等方面。

目前，基于环形谐振器的光学传感器受到了广泛的研究，但是环形谐振器型光学传感器的灵敏度和精度由环形谐振腔的Q值所决定，虽然增加谐振腔尺寸和降低损耗都可以增加Q值，提高传感器灵敏度，但是增加谐振腔尺寸与测量范围相冲突，降低损耗更需要高制作工艺，而且目前环形谐振器型光学传感器主要基于某种特定物质进行传感测量，不能对多种物质同时测量，级联环形谐振腔型结构也是为了提取不同谐振波长的光或者利用级联后的游标效应来提高传感器灵敏度。

实用新型内容

根据以上现有技术的不足，本实用新型为解决上述技术中的问题，提供一种高灵敏度生物传感器，其具有可以同时检测多种物质，并且可以提高灵敏度的特点。

实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是提供一种高灵敏度生物传感器，包括产生光学信号的光源,所述光源通过波导与传感单元连接，传感单元输出端与检测单元输入端连接，信号处理器接收检测单元的输出电信号，并确认检测物质存在和浓度信息；所述传感单元包括若干个耦合干涉单元，所述传感单元内波导分别接收光学信号，并将该信号耦合进入耦合干涉单元中的环形阵列中；所述耦合干涉单元包括两个环形谐振器和马赫-曾德尔干涉仪，其中环形谐振器通过与传感单元内波导的间隙提取谐振波长，并将提取到的波长分别耦合进入马赫-曾德尔干涉仪的两条干涉臂中，形成干涉后通过马赫-曾德尔干涉仪输出端波导传递给检测单元输入端，作为检测单元的输入信号。

所述高灵敏度生物传感器为光学生物传感器，其所检测范围可以为生物分子、单链DNA、病毒、细菌、化学甲醛气体、丙酮气体、小分子等。所述光学传感器的光源可以为LED芯片、发光二极管、发光三极管、宽带光源模块等。

优选的，光源和传感单元之间还设有分束器，所述分束器包括一个输入端和至少两个输出端，所述光源通过波导与分束器输入端连接，分束器的输出端分别通过对应数量的传感单元内波导连接传感单元输入端，所述传感单元接收分束器的输出信号，并将携带物质存在和浓度信息的光学信号提供给检测单元。

优选的，光源和分束器之间还设有滤波单元，所述滤波单元对光源输出宽带光学信号进行波长提取或波长去除，并将输出光学信号提供至分束器；所述滤波单元包括输入波导、谐振器、谐振器及输出波导，其中输入波导接收来自光源的光学信号，并将该信号耦合进入谐振器中，谐振器中的光耦合进入谐振器中，谐振器中的光耦合进入输出波导中并传输到Y型分束器的输入端。

所述滤波单元用于对来至宽带光源的光进行谐振波长的提取，输出带宽较为窄的光学信号并用于作为传感单元的输入光学信号，其中所述的谐振波长是经由环形谐振器与输入波导之间的间距以及环形谐振器与环形谐振器的间距提取。滤波单元还可以用于对来至光源的光学信号进行谐振波长的去除，并将去除谐振波长后的光学信号作为传感单元的输入。

谐振器可以为环形谐振器、微盘谐振器、跑道型谐振器等，所述谐振器采用平面集成光波导或光纤波导。

优选的，所述传感单元接收分束器的输出信号，并将携带物质存在和浓度信息的光学信号提供给检测单元；所述传感单元包括若干个耦合干涉单元，所述传感单元内波导分别接收分束器输出端的光学信号，并将该信号耦合进入耦合干涉单元中的环形阵列中；所述耦合干涉单元包括两个环形谐振器和马赫-曾德尔干涉仪，其中环形谐振器通过与传感单元内波导的间隙提取谐振波长，并将提取到的波长分别耦合进入马赫-曾德尔干涉仪的两条干涉臂中，形成干涉后通过马赫-曾德尔干涉仪输出端波导传递给检测单元输入端，作为检测单元的输入信号。

优选的，分束器每一路的配置完全相同，所述传感单元内每路波导上的耦合干涉单元完全对称相同，传感单元内每路波导所对称的耦合干涉单元所涂覆的敏感材料相同。对称耦合干涉阵列涂覆相同敏感材料，可以避免单个耦合干涉单元测量所带来的偶然误差，使检测更为准确。所述分束器可以为1*N的多路分束器，用于产生多路相同光学信号。如可以为Y型分束器，Y型分束器接收来至滤波单元的输出光学信号，并将该信号等分成两路，由输出端、分别输入到传感单元的波导中作为传感单元的输入光学信号。

传感单元内不同路波导上的上下一一对应的耦合干涉单元在尺寸、材料等方面是完全相同的。所述耦合干涉单元中的马赫-曾德尔干涉仪阵列同传感单元内波导处于同一平面A，环形阵列处于该平面的上方B，通过与波导的间隙提取谐振波长，并通过与干涉仪干涉臂的间隙耦合进入干涉臂中，作为干涉仪的输入光学信号。其所述的耦合干涉单元中的马赫-曾德尔干涉仪阵列同环形阵列还可以处于同一平面A，输入光波导处于平面的B，平面A在平面B的上方并具有一定的间隙，同样干涉臂与环形谐振器阵列具有一定间隙，环形谐振器通过与输入波导的间隙提取谐振波长，并通过与干涉臂的间隙，将谐振波长耦合进入干涉臂中，作为干涉仪的输入光学信号。

优选的，所述传感单元还包括流体通道，流体经由邻近开口进入流体通道，并作用于耦合干涉单元；检测物质经由该流体通道作用于环形阵列。

优选的，所述高灵敏度生物传感器为光学生物传感器，其所检测范围可以为状态为液体或气体的生物、化学小分子

优选的，所述检测单元用于将带有检测物质存在和浓度的信息转换成电信号；所述检测单元包括：

若干个检测器，所述检测器用于检测传感单元中马赫-曾德尔干涉仪所输出的传感光学信号；所述检测器可以采用光电二极管、光谱仪。

优选的，所述光学传感器可以进行混合物质中成分的分析，其中每个耦合干涉单元涂覆不同的敏感物质，不同敏感物质只与混合物中的特定成分发生反应，用于检测混合物中特定物质的存在和其浓度信息。

本实用新型的有益效果是：本实用新型为高灵敏度生物传感器，其所检测范围可以为生物分子、单链DNA、病毒、细菌、化学甲醛气体、丙酮气体、小分子等，并且可以提高灵敏度。

附图说明

图1为一种本实用新型所述的光学传感器示意图；

图2具体地图示了本实用新型构思光学传感器中的滤波单元；

图3具体地图示了本实用新型构思光学传感器中的Y型分束器；

图4具体地图示了本实用新型构思的光学传感器中的传感单元；

图5为谐振干涉单元的环形附着抗体A与抗原B未发生特异性结合的图示；

图6具体为谐振干涉单元的环形附着抗体A与抗原B特异性结合后的图示；

图7为输入波导输入端及马赫-曾德尔干涉臂的波长曲线图；

图8为抗原-抗体特异性结合前的干涉光学信号的波长曲线图；

图9为抗原-抗体特异性结合后的干涉光学信号的波长曲线图；

图10为无马赫曾德尔干涉仪下的普通光学传感器示意图；

图11为无马赫曾德尔干涉仪下的普通光学传感器的输出波长曲线图；

图12为本光学传感单元中的检测单元的详细框图；

图13至图15为顺序的图示了根据本实用新型构思的光学传感器方法的剖视图；

图16为根据本实用新型构思的完整光学传感系统WS1000的示意图；

其中：1、输入波导；10、光源；2、输出波导；20、滤波单元；21、第一环型谐振器；22、第二环形谐振器22；3、第二输入波导；30、Y型分束器；4、第三输入波导；40、传感单元；41、环形谐振器单元；5、第一输入端口；50、检测单元；6、第二输出端口；7、第三输出端口。

具体实施方式

实施例所述的光学生物传感器的传感单元和检测单元中只列举了5个环形谐振器和5个光电检测器，但本实用新型不仅限于列举到的5个环形谐振器和光电检测器。

实施例1：

参照说明书附图，本实施例所述的一种高灵敏度生物传感器，包括产生光学信号的光源10，所述光源10通过波导与分束器输入端连接，分束器包括至少两个输出端，分束器的输出端分别通过对应数量的传感单元40内波导连接传感单元40输入端，传感单元40输出端与检测单元50输入端连接，信号处理器接收检测单元50的输出电信号，并确认检测物质存在和浓度信息。

光学传感器可以根据混合物质中各物质的光学特性的变化来检测各物质是否存在及其浓度信息。具体地如抗原A和其对应的抗体B发生特异性结合时，结合后的物质C与原抗原A的光学特性不同，因此可以根据此原理判断各物质是否存在及其浓度信息。

如图2所示，滤波单元20对光源10输出的光学信号进行波长提取，并将获得的某特定波段的光学信号传输至分束器的输入端。具体地，分束器采用Y型分束器30，Y型分束器30可以包括：被配置为接收滤波单元20光学信号的第一输入端口5；被配置为输出两路光学信号的第二输出端口6、第三输出端口7(由于第二、三端口作用相同，且相应的两路端口连接的后续传感单元完全相同，因此在后续的说明中不再对两路端口及连接的传感单元进行分别阐述，仅保留对第二输出端口6及其连接的传感单元40的解释)。

滤波单元20包括输入波导1、第一环型谐振器21、第二环形谐振器22和输出波导2，输入波导1接收来至光源10传输的光学信号；第一环形谐振器21通过与输入波导1之间的间距d21提取谐振波长；第二环形谐振器22通过与第一环形谐振器21之间间距d22进一步提取谐振波长；输出波导2通过与第二环形谐振器之间间距d23获得谐振波长并将其传输至Y型分束器30的第一输入端口5。

根据本实用新型构思的一个方面，滤波单元20中的环形谐振器21、环形谐振器22可以为跑道型谐振器。

根据本实用新型构思的另一方面，图2中的滤波单元20可以对光源10输出的光学信号进行谐振波长的去除，并将去除谐振波长后的光学信号传输至Y型分束器30的第一输入端口5。

图3具体地图示了本实用新型构思的光学传感器中Y型分束器30，如图3所示，Y型分束器30接收来至滤波单元20的输出光学信号，并将该光学信号分成两路相同的光学信号传输至传感单元40的两路输入波导。具体地，Y型分束器30第一输入端口5接收来至滤波单元20的输出光学信号，并将该光学信号分成两路相同的光学信号至第二输出端6和第三输出端7；第二输出端6和第三输出端7通过耦合的方法将两路相同的光学信号分别传输给传感单元40的第二输入波导3和第三输入波导4。

根据本实用新型构思的一个方面，图3中的光学传感器中的Y型分束器30可以替换为1xN路光分束器，同理的传感单元40的输入波导可以增加为第四输入波导、第五输入波导至第N输入波导。

根据本实用新型构思的另一方面，Y型分束器30两条支路上的谐振干涉单元可以一一对应并且完全相同，而且对应的谐振干涉单元测量相同的物质，以避免单次测量带来的误差。同样的，对应的谐振干涉单元可以测量不同的物质，以便在不增加传感单元尺寸的情况下增加测量物质的种类。

图4具体地图示了本实用新型构思的光学传感器中的传感单元40，如图4所示，传感单元40接收来至Y型分束器30输出端的光学信号，并将携带多种物质各自是否存在及浓度信息的光学信号传输至检测单元50的输入端。图4中，由于Y型分束器30输出的为两路相同的光学信号，并且传感单元中40第二输入波导3和第三输入波导4上的谐振干涉单元为一一对应的对称结构，并且一一对应的谐振干涉单元在尺寸、材料等方面也是完成相同，因此在后续的说明中仅对传感单元40中的输入波导3及其对应的谐振干涉单元进行阐述，但是该阐述同样对输入波导4及其对应的谐振干涉单元有效，除非后续说明中有特殊解释，此次说明在后续阐述都有效。

图4中具体地，传感单元40包括第二输入波导3和谐振干涉单元阵列，其中谐振干涉单元阵列包括谐振干涉单元41A、谐振干涉单元42A至谐振干涉单元45A，其中每个谐振干涉单元包括两个环形谐振器和一个马赫-曾德尔干涉仪。

根据本实用新型构思的一个方面，所述传感单元40中的谐振干涉单元阵列和第二输入波导3处于同一平面。根据本实用新型的另一个方面，所述谐振干涉单元阵列中的马赫-曾德尔干涉仪阵列同第二输入波导3处于同一平面U，谐振干涉单元阵列中环形谐振器处于U平面的上方为O平面，其中O平面与U平面间距为d，可以看出此时第二输入波导3和环形谐振器的间距以及环形谐振器与干涉臂间距相同，均为d。

图5为谐振干涉单元41的环形谐振器附着抗体A与抗原B未发生特异性结合的图示，如图5所示，谐振干涉单元41包括环形谐振器RW411、环形谐振器RW412和马赫-曾德尔干涉仪M₁，环形谐振器RW411和环形谐振器RW412表面均修饰有相同浓度的抗体A，该抗体A与抗原B可以发生特异性结合。当抗原B与抗体A未发生特异性结合即含有抗原B的流体未通过流体通道时，环形谐振器RW411和环形谐振器RW412通过与第二输入波导3的间距d41分别提取谐振波长λ411A和λ412A，而马赫-曾德尔干涉仪M1的两条干涉臂SW411和SW412通过与RW411和RW412的间距d412分别获得谐振波长λ411A和λ412A，最终在干涉仪的输出端获得含有谐振波长λ413A的干涉光学信号。

根据本实用新型构思的一个方面，所述谐振干涉单元中的环形谐振器可以为跑道型谐振器。

根据本实用新型构思的另一方面，所述谐振干涉单元41中的环形谐振器RW411和环形谐振器RW412表面的抗体物质A的浓度可以根据需要修饰不同浓度，相应地，其它谐振干涉单元也可以根据需要修饰不同浓度的抗体物质，以便在马赫-曾德尔干涉仪的输出端输出含有物质存在及浓度信息的尖锐的光功率-波长曲线图。

图6具体为谐振干涉单元41的环形附着抗体A与抗原B特异性结合后的图示。参照图6，当抗原B通过流体通道与环形谐振器RW411、环形谐振器RW412上的抗体A发生特异性反应时，环形谐振器RW411、环形谐振器RW412通过与输入波导3的间距d411分别提取的谐振波长发生改变，分别为λ411B和λ412B，这是由于环形谐振器的谐振波长满足：

λ＝2πrn_eff/m

式中λ为环形谐振器的谐振波长，r为环形谐振器的半径，n_eff为环形谐振器的有效折射率，m为整数。式中可以看出，当环形谐振器的半径固定不变时，环形谐振器的谐振波长λ与n_eff成正比。因此，当环形谐振器RW411、环形谐振器RW412上的抗体A与抗原B特异性结合后，两环形谐振器的有效折射率都会发生改变，从而使得谐振波长发生变化，最终影响干涉仪输出端干涉光学信号。

图7为输入波导3输入端及马赫-曾德尔干涉臂的波长曲线图，图8图9分别为抗原-抗体特异性结合前后的干涉光学信号的波长曲线图。

参照图7可以看出，λ3为输入波导3输入端的谐振波长，该λ3谐振波长是通过滤波单元从宽带光源提取到的谐振波段，图中λ411A、λ412A、λ421、λ422等分别为抗原-抗体特异性结合前马赫-曾德尔干涉臂SW411、SW412、SW421、SW422…提取的谐振波长。

参照图8可以看出，λ411A、λ412A为抗原-抗体特异性结合前马赫-曾德尔干涉臂SW411、SW412提取的谐振波长，λ413A为马赫-曾德尔干涉仪输出端干涉光学信号。

参照图9可以看出，λ411B、λ412B为抗原-抗体特异性结合后马赫-曾德尔干涉臂SW411、SW412提取的谐振波长，λ413B为马赫-曾德尔干涉仪输出端干涉光学信号。对比图8和图9可以看出当流体通道中有含有抗原B的流体通过并同环形谐振器上的抗体A特异性结合后，谐振干涉单元41的输出端输出的光学信号波长发生变化，由λ413A变化为λ413B，同时可以看出固定波长处的光功率发生改变。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型的主要目的为在同时检测多种物质的同时，有效提高该光学传感器的灵敏度。其中，本实用新型利用马赫-曾德尔干涉仪的特性，使得干涉仪的两路含有同一物质存在及浓度信息的光学信号发生干涉。图10和图11分别为无马赫曾德尔干涉仪下的普通光学传感器及该传感器的输出波长曲线图。图11同图9对比可以看出，相较于普通光学传感器，本实用新型利用马赫-曾德尔干涉仪的干涉特性，使得干涉端输出的波长曲线更加尖锐，因此在相同抗原浓度的流体与环形谐振器抗体相结合时，固定波长处的光功率变化更大。因此，本实用新型设计的光学传感器灵敏度更高。

根据本实用新型构思的一个方面，光源10、滤波单元20、Y型分束器30、生物传感单元40可以集成或封装在同一衬底上。

图12为本光学传感单元中的检测单元50的详细框图。如图12所示，检测单元50包括多个光电检测器P1A至P5A和P1B至P5B，所述的多个光电检测器P1A至P5A和P1B至P5B连接谐振干涉单元的输出端I1A至I5A和I1B至I5B。所述多个光电检测器P1A至P5A和P1B至P5B可以将谐振干涉单元的输出端I1A至I5A和I1B至I5B输出的光学信号分别转换为电信号E1A至E5A和E1B至E5B。所述光电检测器可以包括光电二极管、光电三极管、光电晶体管等。

图13至15顺序的图示了根据本实用新型构思的光学传感器方法的剖视图。

参照图13，S₁₀₀为衬底，图中可以看出衬底S₁₁₀由P型半导体衬底S₁₀₁、N型半导体衬底及隔离区S₁₀₃。作为发光单元的发光二极管及光接收单元的光电二极管的功能由衬底S₁₁₀提供，作为提供发光二极管电能以便为整个传感系统提供光能量的小型电路也是需要的(未示出)，同样的，作为接收整个传感系统转换后微弱电信号的小型电路也是需要的(未示出)。为了方便介绍，图13至15只是图示了整个传感系统的一部分。

参照图14，衬底S₁₀₀上形成了一层下覆层S₁₁₀，此处所说的下覆层与光刻得到的芯层相结合，使得光能量绝大部分在芯层传输。

参照图15，下覆层S₁₁₀上形成一层芯层，图案化芯层得到本实用新型实施例中的传感结构，其中包括波导1至波导4、第一环形谐振器21和第二环形谐振器22、Y型分束器30、谐振干涉单元41A至45A和41B至45B以及其对应的输出波导I1A至I5A和I1B至I5B。为了方便介绍，图15中只展示了与光源直接连接的输入波导1和谐振干涉单元的环形及马赫-曾德尔干涉的干涉臂和输出端。

图16为根据本实用新型构思的完整光学传感系统WS1000的示意图。

参照图16可以看出，本实用新型构思的光学系统WS1000包括芯片CP100，流体通道FC100，以及信号处理单元50和芯片驱动单元60。其中芯片驱动单元为整个系统提供能量，同时控制整个传感系统的运作，且芯片驱动单元中的一部分用于同芯片的衬底一端相连接，以便使电能有效的转换为贯穿整个传感系统的光能量。因此可以看出，根据本实用新型构思的光学传感芯片，不需要额外的光源为其提供能量，同样不需要额外的光电探测器探测传感端的光能量。芯片CP100完全包括了光学传感所需要的输入光源、传感区域、探测器，只需要外部提供信号处理单元及芯片驱动单元，因此，该传感芯片制作紧凑、易于集成，同时功耗小有利于大规模的生产。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种高灵敏度生物传感器，其特征在于，包括产生光学信号的光源(10),所述光源(10)通过波导与传感单元(40)连接，传感单元(40)输出端与检测单元(50)输入端连接，信号处理器接收检测单元(50)的输出电信号，并确认检测物质存在和浓度信息；所述传感单元(40)包括若干个耦合干涉单元，所述传感单元(40)内波导分别接收光学信号，并将该信号耦合进入耦合干涉单元中的环形阵列中；所述耦合干涉单元包括两个环形谐振器和马赫-曾德尔干涉仪，其中环形谐振器通过与传感单元(40)内波导的间隙提取谐振波长，并将提取到的波长分别耦合进入马赫-曾德尔干涉仪的两条干涉臂中，形成干涉后通过马赫-曾德尔干涉仪输出端波导传递给检测单元(50)输入端，作为检测单元(50)的输入信号。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度生物传感器，其特征在于，所述光源(10)和传感单元(40)之间还设有分束器，所述分束器包括一个输入端和至少两个输出端，所述光源(10)通过波导与分束器输入端连接，分束器的输出端分别通过对应数量的传感单元(40)内波导连接传感单元(40)输入端，所述传感单元(40)接收分束器的输出信号，并将携带物质存在和浓度信息的光学信号提供给检测单元(50)。

3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度生物传感器，其特征在于，所述光源(10)和分束器之间还设有滤波单元(20)，所述滤波单元(20)对光源(10)输出宽带光学信号进行波长提取或波长去除，并将输出光学信号提供至分束器；

所述滤波单元(20)包括输入波导(1)、第一环形谐振器(21)、第二环形谐振器(22)及输出波导(2)，其中输入波导(1)接收来自光源(10)的光学信号，并将该信号耦合进入第一环形谐振器(21)中，第一环形谐振器(21)中的光耦合进入第二环形谐振器(22)中，第二环形谐振器(22)中的光耦合进入输出波导(2)中并传输到分束器的输入端。

4.根据权利要求3所述的一种高灵敏度生物传感器，其特征在于，分束器每一路的配置完全相同，所述传感单元(40)内每路波导上的耦合干涉单元完全对称相同，传感单元(40)内每路波导所对称的耦合干涉单元所涂覆的敏感材料相同。

5.根据权利要求3所述的一种高灵敏度生物传感器，其特征在于，所述传感单元(40)还包括流体通道，流体经由邻近开口进入流体通道，并作用于耦合干涉单元；检测物质经由该流体通道作用于环形阵列。

6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度生物传感器，其特征在于，所述高灵敏度生物传感器为光学生物传感器，其所检测范围可以为状态为液体或气体的生物物质或化学物质。

7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度生物传感器，其特征在于，所述检测单元(50)用于将带有检测物质存在和浓度的信息转换成电信号；所述检测单元(50)包括：

若干个检测器，所述检测器用于检测传感单元中马赫-曾德尔干涉仪所输出的传感光学信号；所述检测器可以采用光电二极管、光谱仪。

8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度生物传感器，其特征在于，所述高灵敏度生物传感器可以进行混合物质中成分的分析，其中每个耦合干涉单元涂覆不同的敏感物质，不同敏感物质只与混合物中的特定成分发生反应，用于检测混合物中特定物质的存在和其浓度信息。

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