基於狹縫波導的病原體檢測傳感器的製造方法

2023-08-02 02:55:11 2

基於狹縫波導的病原體檢測傳感器的製造方法
【專利摘要】一種基於狹縫波導的病原體檢測傳感器，包括檢測部分，所述檢測部分包括病毒檢測組件，所述病毒檢測組件包括上下並排布置的直波導，相鄰上下直波導之間的狹縫區域為狹縫波導，所述狹縫波導的寬度尺寸為175nm～225nm，所述狹縫波導的側壁附著待檢測病毒的抗原/抗體，所述狹縫波導為供待檢測血液樣本流過的檢測通道，所述直波導材料的折射率比所述狹縫波導的折射率高。本實用新型提供一種在滿足高檢測效率和快速響應的同時，簡化結構、減少尺寸、降低成本的基於狹縫波導的病原體檢測傳感器。
【專利說明】基於狹縫波導的病原體檢測傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及病原體檢測領域，尤其是一種病原體檢測傳感器。
【背景技術】
[0002]現有的病原體檢測技術中，常規病原體檢測為有創檢測，醫療就診慢，效率低，智能化不高。
[0003]有人提出利用基因技術來實現病原體檢測，例如專利申請號為200680050988.6，發明名稱為:檢測病原體的方法的中國發明專利申請；再有人提出利用上轉換發光技術實現病原體檢測，例如專利號為:200410034105.5，發明名稱為上轉換發光生物傳感器的中國發明專利。
[0004]利用基因技術來實現病原體檢測，檢測的精確度較高，存在的技術缺陷:整個檢測設備的結構複雜、尺寸較大、響應較慢，且成本較高；利用上轉換發光技術，響應較快，能實現較高的檢測效率，存在的技術缺陷:整個檢測設備的結構複雜、尺寸較大，且成本較高。
[0005]2004年，美國康奈爾大學Michal Lipson教授研究組首次提出了狹縫波導的概念(Almeida VR, Xu Q, Barrions CA et al..Guiding and confining light in voidnanostructure[J].0pt.Lett., 2004, 29 (II):1209 ?1211 ;Almeida VR, Xu Q, BarrionsCA,等，納米結構空隙中光的傳導與限制，光學快報，2004，29 (11):1209?1211)，並通過理論和實驗證實了具有高折射率差的納米量級光波導結構可將光場限制在低折射率的狹縫中傳輸。波導結構包括兩側的高折射率波導芯(典型如Si材料)和中間的低折射率狹縫介質區(比如空氣，流體或Si02等)，狹縫介質區寬度一般小於lOOnm，該波導結構顯示出了與傳統光波導不同的特性，即可將光能流限制在低折射率狹縫中。基於此特性可以設計各種應用於光通信和光傳感的新型光學功能性器件，因而受到相關領域研究者的廣泛關注。

【發明內容】

[0006]為了克服已有病原體檢測技術的結構複雜、尺寸較大、成本較高的不足，本實用新型提供一種在滿足高檢測效率和快速響應的同時，簡化結構、減少尺寸、降低成本的基於狹縫波導的病原體檢測傳感器。
[0007]本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是:
[0008]一種基於狹縫波導的病原體檢測傳感器，包括檢測部分，所述檢測部分包括病毒檢測組件，所述病毒檢測組件包括上下並排布置的直波導，相鄰上下直波導之間的狹縫區域為狹縫波導，所述狹縫波導的寬度尺寸為175nm?225nm，所述狹縫波導的側壁附著待檢測病毒的抗原/抗體，所述狹縫波導為供待檢測血液樣本流過的檢測通道，所述直波導材料的折射率比所述狹縫波導的折射率高。
[0009]進一步，所述傳感器還包括傳出部分，所述傳出部分包括一根總線波導、光電轉換模塊和信息上傳模塊，所述狹縫波導的光場信號輸出端與所述總線波導連接，所述總線波導與所述光電轉換模塊連接，所述光電轉換模塊與所述信息上傳模塊連接。[0010]更進一步，所述直波導有m根，m為自然數，且m > 3，狹縫波導有m_l個。該方案中，可以實現m-Ι種不同病毒的同步檢測。
[0011]再進一步，所述直波導材料的折射率比所述狹縫波導的折射率高2.0以上。只要所述直波導材料的折射率比所述環形狹縫波導的折射率高即可，例如高1.0等其他數值；折射率相差越大，越有利於對光的約束，因此，波導的尺寸可以製作的很小，集成度更高。
[0012]所述直波導材料為矽材料，所述狹縫波導材料為待檢測血液樣本形成的流體材料。該方案只是一個優選的案例，矽的折射率為3.48，血液的成分中水佔比為90%左右，因此其應高於水的折射率1.33，波導區和狹縫區的折射率差大於2.0 ;當然，所述直波導材料也可以選用其他材料，例如氮化矽材料、砷化鎵材料等。
[0013]所述檢測部分還包括血糖檢測組件，所述血糖檢測組件包括一個直波導和一個微環波導構成，所述直波導與微環波導之間的狹縫區域是一條直線與一個圓弧圍成的區域，直線與圓弧之間最短距離位於通過圓弧圓心與直線垂直的直線上，設定直線與圓弧之間的最短距離為50?SOnm之間，所述狹縫區域為環形狹縫波導，所述環形狹縫波導為供待檢測血液樣本流過的檢測通道，所述直波導材料的折射率比所述環形狹縫波導的折射率高。
[0014]所述血糖檢測組件的一個直波導為所述病毒檢測組件的最上或最下的直波導。該方案中，血糖檢測組件和病毒檢測組件公用了一根直波導，當然，也可採用分開單獨設置的，只是增加了成本。
[0015]本實用新型的技術構思為:檢測對象為微創穫取的血液樣本，檢測內容包括病原體檢測和血糖檢測兩部分，其中病原體檢測包括5種常見病毒，基本傳感單元為兩兩直波導所構成的狹縫波導，檢測機理為:狹縫寬度隨著血液樣本與抗原/抗體的反應而發生變化，進而引發狹縫波導中的光場隨狹縫寬度的變化，通過檢測光場的變化來檢測病原體。具體地:當被檢血液中沒有特定待檢病毒時，狹縫裡的抗原/抗體不會發生化學反應，所以狹縫寬度基本不發生變化，光場也基本不變。相反，在被檢血液中含有特定的待檢病毒時，狹縫裡的抗原/抗體發生與病毒發生反應，狹縫尺寸變寬，狹縫波導光場發生明顯變化，從而檢測出特定病毒。多種病毒病原體檢測可基於上述技術構思實現多通道同時檢測。
[0016]再者，血糖檢測的基本傳感單元為一根直波導和一個微環波導所構成的狹縫波導，血液樣本的折射率會隨著血糖的變化而發生變化，而折射率的變化會引起光通過直波導與微環之間的狹縫波導結構時的光程變化，並進而改變微環波導的諧振波長，通過檢測諧振波長的變化可以檢測血液樣本的血糖濃度值。
[0017]本實用新型的有益效果主要表現在:1、狹縫波導中光場變化明顯而且迅速，具有方便，高效的特點；2、本實用新型為微型晶片結構，具有集成度高、微創、安全的特點；3、多通道狹縫結構中附著不同的抗原/抗體，實現多種病毒的同時檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1-1和圖1-2是基於狹縫波導的病原體檢測傳感器的俯視圖和截面圖。圖1-3是理論計算的簡化模型，其中，straight waveguide:直波導，slot:狹縫，micro-ring:微環。
[0019]圖2-1和圖2-2分別是本實用新型基於多通道直狹縫波導和微環狹縫波導的傳感器結構的俯視圖和截面圖。[0020]圖3是本實用新型如何通過所設計的結構實現檢測多種病原體，同時測量血糖濃度功能的示意圖。
[0021]圖4是本實用新型實現檢測數據的處理，數據傳輸途徑以及用戶之間數據共享的示意圖，其中，Bus:總線波導。
[0022]圖5是用戶端各個部分功能的框圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。
[0024]實施例1
[0025]參照圖1，一種基於狹縫波導的病原體檢測傳感器，包括檢測部分，所述檢測部分包括病毒檢測組件，所述病毒檢測組件包括上下並排布置的直波導，相鄰上下直波導之間的狹縫區域為狹縫波導，所述狹縫波導寬度尺寸為175nm?225nm，所述狹縫波導的側壁附著待檢測病毒的抗原/抗體，所述狹縫波導為供待檢測血液樣本流過的檢測通道，所述直波導材料的折射率比所述狹縫波導的折射率高。
[0026]進一步，所述傳感器還包括傳出部分，所述傳出部分包括一根總線波導、光電轉換模塊和信息上傳模塊，所述狹縫波導的光場信號輸出端與所述總線波導連接，所述總線波導與所述光電轉換模塊連接，所述光電轉換模塊與所述信息上傳模塊連接。
[0027]更進一步，所述直波導有m根，m為自然數，且m > 3，狹縫波導有m_l個。該方案中，可以實現m-Ι種不同病毒的同步檢測。
[0028]本實施例的檢測部分包括病毒檢測組件。病毒檢測組件由6根直波導組成，波導材料為矽材料，兩兩直波導之間為狹縫區域，狹縫波導的材料為待檢測血液樣本，矽的折射率為3.48，血液折射率取值1.46，波導區和狹縫區的折射率差為2.02，直狹縫寬度尺寸在175?225nm之間。血糖檢測部分由一根直波導和一個微環波導構成,直波導與微環之間的狹縫區域是一條直線與一個圓弧圍成的區域，直線與圓弧之間最短距離位於通過圓弧圓心與直線垂直的直線上，設定直線與圓弧之間的最短距離為50?SOnm之間。檢測部分結構如圖1-1和圖1-2所示。檢測部分傳感的物理量是直波導與直波導之間的狹縫波導的光場變化。從麥克斯韋方程組出發，求解狹縫波導中的光場分布，如圖1-3所示建立坐標系，得出求解狹縫波導中電場分布的理論模型如下:
【權利要求】
1.一種基於狹縫波導的病原體檢測傳感器，其特徵在於:包括檢測部分，所述檢測部分包括病毒檢測組件，所述病毒檢測組件包括上下並排布置的直波導，相鄰上下直波導之間的狹縫區域為狹縫波導，所述狹縫波導的寬度尺寸為175nm?225nm，所述狹縫波導的側壁附著待檢測病毒的抗原/抗體，所述狹縫波導為供待檢測血液樣本流過的檢測通道，所述直波導材料的折射率比所述狹縫波導的折射率高。
2.如權利要求1所述的基於狹縫波導的病原體檢測傳感器，其特徵在於:所述傳感器還包括傳出部分，所述傳出部分包括一根總線波導、光電轉換模塊和信息上傳模塊，所述狹縫波導的光場信號輸出端與所述總線波導連接，所述總線波導與所述光電轉換模塊連接，所述光電轉換模塊與所述信息上傳模塊連接。
3.如權利要求1或2所述的基於狹縫波導的病原體檢測傳感器，其特徵在於:所述直波導有m根，m為自然數，且m > 3，狹縫波導有m_l個。
4.如權利要求1或2所述的基於狹縫波導的病原體檢測傳感器，其特徵在於:所述直波導材料的折射率比所述狹縫波導的折射率高2.0以上。
5.如權利要求1或2所述的基於狹縫波導的病原體檢測傳感器，其特徵在於:所述直波導材料為娃材料。
6.如權利要求1或2所述的基於狹縫波導的病原體檢測傳感器，其特徵在於:所述檢測部分還包括血糖檢測組件，所述血糖檢測組件包括一個直波導和一個微環波導構成，所述直波導與微環波導之間的狹縫區域是一條直線與一個圓弧圍成的區域，直線與圓弧之間最短距離位於通過圓弧圓心與直線垂直的直線上，設定直線與圓弧之間的最短距離為50?SOnm之間，所述狹縫區域為環形狹縫波導，所述環形狹縫波導為供待檢測血液樣本流過的檢測通道，所述直波導材料的折射率比所述環形狹縫波導的折射率高。
7.如權利要求1或2所述的基於狹縫波導的病原體檢測傳感器，其特徵在於:所述血糖檢測組件的一個直波導為所述病毒檢測組件的最上或最下的直波導。
【文檔編號】G01N21/41GK203405463SQ201320489888
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年8月12日 優先權日:2013年8月12日
【發明者】林宣懷, 李塘, 樂孜純 申請人:浙江工業大學