耦合微腔光子分子的生物化學傳感器的製造方法
2023-05-13 13:29:06 1
耦合微腔光子分子的生物化學傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種耦合微腔光子分子的生物化學傳感器。本發明包括一段熔錐光纖、一個光微流微腔和一個外部封裝聚合物，熔錐光纖主要成分為二氧化矽，直徑為3-5μm，搭靠在微流微腔上；微流微腔主要成分為二氧化矽，直徑為100-500μm，壁厚為2-20μm；封裝聚合物主要為低折射率材料，折射率在1-1.4之間，用於固定熔錐光纖與微流微腔的相對位置關係。本發明具有結構緊湊，尺寸小，抗外界振動能力強，穩定性好，探測極限低，製作工藝比較簡單以及成本低等優點。
【專利說明】耦合微腔光子分子的生物化學傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬於傳感器【技術領域】，具體涉及一種耦合微腔光子分子的生物化學傳感器。
【背景技術】
[0002]在化學生物領域中，人們經常需要對微量的樣品進行分析。由於生物內部的環境非常複雜，而有用的信息往往只包含在其中很小一部分或者很難察覺的成分中，所以儘管生物傳感技術種類繁多，發展迅速，但面對這種「大海撈針」的工作，能力還是有限。所以發展新的光子學技術手段，探索新的傳感器件就有著重要的意義。
[0003]在眾多用於生物傳感的光子學器件中，光學微腔是最具特色，也是最具潛力的一個。光學微腔是尺度在微米量級的光學諧振腔，它將光場局域在腔裡，令光子在腔內多次震蕩，相當於增加了光與物質相互作用的次數。它通過探測自身光學模式的變化來感知分析物的存在，因此可以用於探測分析物的原始狀態。回音壁模式微腔的Q值最高，光子壽命最長，所以回音壁模式光學微腔傳感器中，光子與分析物的相互作用最強，有利於獲得更高的探測靈敏度；而且Q值越高，光學模式線寬越窄，有利於獲得更低的探測極限。目前光學微腔被認為是對核酸、蛋白質、病毒等尺度在納米量級的顆粒進行研宄的有效手段。
[0004]但是傳統的光學微腔傳感器往往是通過無源方法，即用熔錐耦合微球微環芯腔或者微管等手段實現的，傳感特性極大的受到震動對光纖與微腔耦合間距的影響，可集成性與穩定性大打折扣，因此便需要一種新的傳感器，提高這類器件的穩定性與靈敏度。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提出一種耦合微腔光子分子的生物化學傳感器，彌補以往光學生物化學傳感器存在的不足。
[0006]本發明包括一段熔錐光纖、一個光微流微腔和一個外部封裝聚合物，熔錐光纖主要成分為二氧化矽，直徑為3-5 μ m，搭靠在微流微腔上；微流微腔主要成分為二氧化矽，直徑為100-500 μ m，壁厚為2-20 μ m ;封裝聚合物主要為低折射率材料，折射率在1_1.4之間，用於固定熔錐光纖與微流微腔的相對位置關係；從熔錐光纖的透射譜中可以觀察到一個或多個光學模式的透射譜，這些光學模式往往有著不同的靈敏度，通過對器件單個模式透射譜波長的變化或者多個模式間的相對變化就可以對生物樣品進行檢測。
[0007]本發明具有結構緊湊，尺寸小，抗外界振動能力強，穩定性好，探測極限低，製作工藝比較簡單以及成本低等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是封裝型生物化學傳感器結構示意圖；
圖2是封裝型生物化學傳感器橫截面結構示意圖；
圖3是透射譜隨時間穩定性的測量結果圖； 圖4是微腔內一、二階模式模場分布圖；
圖5是對微腔品質因子測量結果圖；
圖6是測量微腔內部液體折射率改變與體系透射譜關係圖；
圖7是測量微腔諧振波長相對改變與內部液體折射率關係圖。
【具體實施方式】
[0009]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0010]本發明提出的基於微泡諧振腔的封裝型光微流生物化學傳感器，由如下部分依次組合構成:一段熔錐光纖1，一個光微流微腔2和一個外部封裝聚合物3，如圖1和圖2所不O
[0011]本發明原理如下:首先，對於回音壁模式的微腔，當其附近樣品折射率發生改變或回音壁上有顆粒吸附時，會引起諧振波長的改變。而對於微泡型諧振腔，由於其光場大量分布在微腔微流通道中，並且具有小的模體積，因此光與物質的作用可以很強，易於獲得高靈敏度的傳感器。熔錐光纖主要成分為二氧化矽，直徑為3-5 μ m，搭靠在微流微腔上；微流微腔主要成分為二氧化矽，直徑為100-500微米範圍，壁厚為2-20 μ m ;封裝材料主要為低折射率材料，折射率可以在1-1.4之間，用於固定熔錐光纖與微流微腔的相對位置關係。從熔錐光纖的透射譜中可以觀察到一個或多個光學模式的透射譜，這些光學模式往往有著不同的靈敏度，通過對器件單個模式透射譜波長的變化或者多個模式間的相對變化就可以對樣品進行檢測。
[0012]本發明中，熔錐光纖與微流微腔的相對位置關係由低折射率材料固定，因此外界震動等因素對微腔中光學模式的激發影響非常小。
[0013]本發明中，微流微腔內壁可以塗覆相應探測物的特異性配體從而對被測生物樣品進行特異性探測。
[0014]本發明中，可以進一步採用模式劈裂或者模式差分等自參考技術進一步對信號的噪聲進行抑制，提高探測極限。
[0015]實例:利用該封裝型光微流生物化學傳感器對水相體折射率液體進行檢測 1、採用的測量波長在1550nm附近。
[0016]2、熔錐光纖直徑為3微米，並搭靠在微流微腔上，即其耦合間距為O μπι。
[0017]3、微腔為微泡型微腔，如圖2所示，參考微腔直徑為400 ym，壁厚為5 μπι。
[0018]4、封裝材料採用ΜΥ133聚合物，由於採用了封裝技術，器件隨時間的穩定性較好，可以在100個小時以上透射譜深度耦合強度等改變極小，如圖3所示。
[0019]5、由於採用封裝摺射率較低，所以光場在聚合物中分布較小(圖4)所以其微腔品質因子仍然可以再16以上，如圖5所示。
[0020]6、當微腔內折射率產生變化時，體系透射譜隨折射率差的改變而改變，如圖6所示；同時，由於不同階模式模場在液體中分布比例不同，其靈敏度也不同，二階模式的靈敏度可以達到5 nm/RIU，如圖7所示。
[0021]7、採用自參考效應傳感器的共膜噪聲可以進一步被抑制，將兩不同階模式(一、二階模式)隨折射率的變化相互參考，系統噪聲得到大大降低，同時由於一階模靈敏度較低，所以其總的靈敏度仍然可以保持在5 nm/RIU附近。
【權利要求】
1.耦合微腔光子分子的生物化學傳感器，包括一段熔錐光纖、一個光微流微腔和一個外部封裝聚合物，其特徵在於:熔錐光纖主要成分為二氧化矽，直徑為3-5 μ m，搭靠在微流微腔上；微流微腔主要成分為二氧化矽，直徑為100-500 μ m，壁厚為2-20 μ m ;封裝聚合物主要為低折射率材料，折射率在1-1.4之間，用於固定熔錐光纖與微流微腔的相對位置關係；從熔錐光纖的透射譜中可以觀察到一個或多個光學模式的透射譜，這些光學模式往往有著不同的靈敏度，通過對器件單個模式透射譜波長的變化或者多個模式間的相對變化就可以對生物樣品進行檢測。
2.根據權利要求1所述的生物化學傳感器，其特徵在於:微流微腔內壁可以塗覆相應探測物的特異性配體從而對被測生物樣品進行特異性探測。
【文檔編號】G01N21/59GK104502314SQ201410795206
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月18日 優先權日:2014年12月18日
【發明者】吳翔, 蔣鵬 申請人:杭州香儂科技有限公司