專利名稱：一種wgm體系硅基光磁式生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種WGM體系硅基光磁式生物傳感器。
背景技術(shù)：
根據(jù)全球工業(yè)界分析的最新報道，預(yù)計到2015年全球的傳感器市場份額將達到742億美元。目前，全球傳感器市場在持續(xù)變化中呈現(xiàn)快速增長的趨勢。在現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，傳感器作為獲取大量人類感官無法直接得到的信息載體而具有突出的地位。在世界范圍內(nèi)，傳感器技術(shù)將朝著微型化，集成化，智能化方向發(fā)展。WGM (回音壁模式)體系光學(xué)諧振腔具有超高的Q值(大于10的8次方)可以通過在界面連續(xù)的內(nèi)部全反射把光能限制在微腔結(jié)構(gòu)中。在電介質(zhì)體積內(nèi)的光傳輸使得光能存儲在某個特定的頻率，從而在很寬廣的范圍內(nèi)例如腔量子電動力學(xué)、光子學(xué)、非線性光學(xué)和生物傳感領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用價值。目前的單分子探測技術(shù)需要對目標(biāo)分子進行標(biāo)識，而基于超高Q值的光學(xué)諧振式WGM體系共振波長的移動則可以實現(xiàn)無標(biāo)單分子檢測。目前惡性腫瘤、心血管疾病、腎病等是死亡率較高，威脅人類健康的重大疾病。特別是惡性腫瘤，由于分析和檢測手段的限制，既制約了生物學(xué)家對其病理學(xué)機理的研究，更阻礙了其早期發(fā)現(xiàn)和診斷，致使許多患者在發(fā)現(xiàn)患病時已錯過了治療的最佳時期。WGM微腔具有極高的品質(zhì)因數(shù) (Q值)，分子附著造成光程改變和諧振腔的損耗，從而大大增強了諧振波長的移動量和Q值衰減，使該傳感方式獲得了接近單分子水平的探測靈敏度。然而，目前基于WGM體系光學(xué)諧振腔檢測方式對光譜儀的分辨率要求極高(分辨率需要達到Ifm)，在此我們提出了基于表面修飾納米Au WGM體系光學(xué)諧振腔和磁珠結(jié)合的生物傳感器以實現(xiàn)波長移動的增強，從而可以實現(xiàn)更小的單個RNA病毒的探測。此種傳感器用于癌癥檢測方面，將使腫瘤的大面積篩查和早期發(fā)現(xiàn)和診斷成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種WGM體系硅基光磁式生物傳感器。為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種WGM體系娃基光磁式生物傳感器,包括激光器，石英，錐形光纖，通氣口，米樣通道，微腔，光電探測器，計算機，溫度控制器和排水道，所述激光器通過錐形光纖與所述石英連接且在整個裝置的一端，所述光電探測器和所述計算機安裝在所述整個裝置的另一端，所述石英安裝在所述溫度控制器的上方，所述溫度控制器上的中間還安裝有所述微腔，所述微腔的左端是排水道，右端所述通氣口和所述采樣通道，所述采樣通道在所述通氣口之間。進一步的，所述激光器采用可調(diào)近紅外激光器，激光波長是1300或者1550 nm，精細(xì)調(diào)節(jié)范圍高于光學(xué)諧振腔譜線寬度，激光器線寬遠小于諧振譜線寬度；所述石英作為微流體可控通道實現(xiàn)近紅外光的高透過率。進一步的，所述錐形光纖由單模光纖采用濕法腐蝕法或者熔融拉錐法制備成雙錐形結(jié)構(gòu)，錐形光纖的錐區(qū)區(qū)域中光傳輸?shù)哪芰看蟛糠忠韵艌龅男问酱嬖?，可用于有效激發(fā)光學(xué)微腔諧振模式；所述通氣口通過制備疏水節(jié)點和引入壓縮空氣阻止或者引入納升的液滴。進一步的，所述采樣通道利用光刻和鍵合技術(shù)實現(xiàn)微流體通道的加工，毛細(xì)作用力可以使每一種溶液進入到微流體通道中；所述微腔結(jié)合光刻、干法刻蝕和選擇性回流工藝實現(xiàn)高Q硅基WGM環(huán)形光學(xué)諧振腔的制備。進一步的，所述光電探測器波長檢測范圍在800到1700 nm之間；所述計算機結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)信號的檢測；所述溫度控制器的溫度穩(wěn)定性為0.1°C;所述排水道的排水是利用光刻、濕法刻蝕方法實現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
當(dāng)?shù)鞍追肿优c光學(xué)諧振腔表面相互作用時回音壁模式會發(fā)生改變，根據(jù)共振條件，半徑或者折射率的增加將 會導(dǎo)致回音壁模式的紅移。對于在水溶液中經(jīng)過光學(xué)吸收Q值限制在2X 106，如果選擇的波長是1300 nm，僅僅允許非常薄的一層物質(zhì)吸附到共振腔的表面，此種情況下共振波長的移動下降到6 fm。要探測如此之小的波長移動量對光譜儀的分辨率提出了極高的要求，在此我們利用納米Au殼包覆WGM光學(xué)諧振腔表面結(jié)合磁珠來實現(xiàn)共振波長移動的增強，從而達到只利用一個裸的WGM光學(xué)諧振腔無法實現(xiàn)的更小的生物-納米顆粒的探測。利用單偶極子激發(fā)的等離子體納米Au殼結(jié)合磁珠雙抗夾心的方法實現(xiàn)光學(xué)腔共振波長移動的增強(由于納米顆粒進入到消逝場導(dǎo)致了 WGM諧振波長的移動，通過一級理論近似，波長的移動正比于極化納米顆粒的局域場周期平均功與腔內(nèi)周期平均能量的比值，這種傳感原理導(dǎo)致的波長移動也正比于質(zhì)量，基于納米殼偶極等離子體增強的方法可以實現(xiàn)放大的波長移動探測)，以期基于此種傳感原理提出的硅基WGM光磁式生物傳感器實現(xiàn)單分子檢測應(yīng)用價值。上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。本發(fā)明的具體實施方式
由以下實施例及其附圖詳細(xì)給出。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2為硅基盤式WGM光學(xué)諧振腔制備工藝過程示意 圖3為WGM光學(xué)微腔測試系統(tǒng)示意圖。圖中標(biāo)號說明:1、激光器，2、石英,3、錐形光纖,4、通氣口，5、米樣通道,6、微腔,7、光電探測器，8、計算機，9、溫度控制器，10、排水道。
具體實施例方式下面將參考附圖并結(jié)合實施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明?！NWGM體系娃基光磁式生物傳感器,包括激光器1，石英2,錐形光纖3,通氣口4，采樣通道5，微腔6，光電探測器7，計算機8，溫度控制器9和排水道10，其特征在于，所述激光器I通過錐形光纖3與所述石英2連接且在整個裝置的一端，所述光電探測器7和所述計算機8安裝在所述整個裝置的另一端，所述石英2安裝在所述溫度控制器9的上方，所述溫度控制器9上的中間還安裝有所述微腔6，所述微腔6的左端是排水道10，右端所述通氣口 4和所述采樣通道5，所述采樣通道5在所述通氣口 4之間。進一步的，所述激光器I采用可調(diào)近紅外激光器，激光波長是1300或者1550 nm,精細(xì)調(diào)節(jié)范圍高于光學(xué)諧振腔譜線寬度，激光器線寬遠小于諧振譜線寬度；所述石英2作為微流體可控通道實現(xiàn)近紅外光的高透過率。進一步的，所述錐形光纖3由單模光纖采用濕法腐蝕法或者熔融拉錐法制備成雙錐形結(jié)構(gòu)，錐形光纖的錐區(qū)區(qū)域中光傳輸?shù)哪芰看蟛糠忠韵艌龅男问酱嬖?，可用于有效激發(fā)光學(xué)微腔諧振模式；所述通氣口 4通過制備疏水節(jié)點和引入壓縮空氣阻止或者引入納升的液滴。進一步的，所述采樣通道5利用光刻和鍵合技術(shù)實現(xiàn)微流體通道的加工，毛細(xì)作用力可以使每一種溶液進入到微流體通道中；所述微腔6結(jié)合光刻、干法刻蝕和選擇性回流工藝實現(xiàn)高Q硅基WGM環(huán)形光學(xué)諧振腔的制備。進一步的，所述光電探測器7波長檢測范圍在800到1700 nm之間；所述計算機8結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)信號的檢測；所述溫度控制器9的溫度穩(wěn)定性為0.1°C;是排水道10的排水是利用光刻、濕法刻蝕方法實現(xiàn)。本發(fā)明通過以下方案實現(xiàn)的:
(一)由于WGM體系介電材料微腔能夠把光能在較長時間內(nèi)儲存在微觀空間尺度，因此有著特殊的利用價值。如何制備高Q值WGM體系光學(xué)諧振微腔是我們的首要任務(wù)。根據(jù)材料自身的性質(zhì)，表面張力所形成的的微腔例如液滴和球形相比所有其他介電材料微腔結(jié)構(gòu)在光子壽命和腔Q值方面更有優(yōu)勢，WGM光學(xué)微腔的特點如圖1所示。在介電材料 體積內(nèi)光的循環(huán)使光能儲存在某個特定的頻率，因而在很寬泛的領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值，光在一定體積內(nèi)的傳輸性能強烈依賴于界面質(zhì)量。在一個近乎于原子尺寸范圍內(nèi)表面終結(jié)面，表面張力所形成的例如液滴和球體比其他的介電材料微腔有著優(yōu)越的性能。盡管如此，在制備過程中這種體系的物理特性是不容易控制的。眾所周知，基于晶圓的微腔是易于實現(xiàn)可控制備的。然而，這種芯片上的微腔相比由表面張力所形成的有著較低的Q值，因而不利于超高Q值實驗。在此，我們結(jié)合光刻、干法刻蝕和選擇性回流工藝實現(xiàn)高Q硅基WGM環(huán)形光學(xué)諧振腔的制備(具體制備過程如圖1所示)，制備高Q值硅基WGM光學(xué)環(huán)形諧振腔的具體步驟如下:
1、濕式與干式氧化結(jié)合的方式在硅(100)襯底上制備高質(zhì)量5微米以上厚度二氧化硅層(或者利用PECVD沉積SiO2，通過退火后處理過程可制備高質(zhì)量SiO2層)；
2、采用E-beam刻蝕和紫外曝光技術(shù)制備盤式二氧化娃圖形；
3、通過優(yōu)化工藝實現(xiàn)二氧化硅層的濕式腐蝕或者干式刻蝕，實現(xiàn)圓盤結(jié)構(gòu)光滑表面以減小光散射；
4、利用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)設(shè)備或者化學(xué)腐蝕的方法制備懸空盤式二氧化硅結(jié)
構(gòu)；
5、最后利用二氧化碳激光器制備環(huán)形WGM光學(xué)諧振腔(或者利用離子束技術(shù)對盤式二氧化硅邊緣進行修飾)以提高Q值。
(二)研究臨界耦合條件是波導(dǎo)耦合到微腔最基本的性質(zhì)，對一個匹配的系統(tǒng)來說內(nèi)部微腔損失和波導(dǎo)耦合損失需要達到相等值，在共振情況下所導(dǎo)致的波導(dǎo)輸出等于零。利用錐形光纖波導(dǎo)的優(yōu)點是:它可以沿著微腔放置，在輸入光束方向上允許簡單的聚焦和對準(zhǔn)，同時也允許輸出光束的收集。最重要的是，在臨界耦合情況下可以有效的濾掉其他光學(xué)模式。錐形光纖或者光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與WGM環(huán)形諧振腔光學(xué)耦合(有兩種方法可以考慮)，光學(xué)微腔測試系統(tǒng)示意圖如圖2所示，可以采用以下兩個技術(shù)路線實現(xiàn)WGM光學(xué)微腔與錐形光纖或者光波導(dǎo)的耦合:
1、利用濕法腐蝕的方法制備腰錐直徑為I個微米表面光滑的錐形光纖，用高精度納米位移平臺實現(xiàn)錐形光纖與環(huán)形WGM光學(xué)諧振腔消逝場的耦合；
2、利用E-beam制備光波導(dǎo)與盤式結(jié)構(gòu)，再用二氧化碳激光器來優(yōu)化光波導(dǎo)與盤式結(jié)構(gòu)的耦合。(三)通過梯度力實現(xiàn)納米Au組裝到WGM光學(xué)腔表面(由于Si02光學(xué)腔表面和納米Au都帶有表面負(fù)電荷，增加溶液電導(dǎo)率的方法可以減少靜電場力)，通過光散射或者共振波長的移動來檢測納米Au與光學(xué)腔表面結(jié)合位點的均一'丨生。在娃基WGM環(huán)形諧振腔表面組裝納米Au、修飾蛋白質(zhì)、固定抗體，結(jié)合磁珠雙抗夾心的方法，通過消逝場耦合使被測物獲得近場激發(fā)和探測，獲得諧振波長移動的增強信息。(四)磁珠在癌癥細(xì)胞分離、特定核酸序列的鑒定、遺傳分析和DNA固定蛋白方面都有著重要的價值。利用磁分離技術(shù)，通過連接磁珠與單克隆抗體、DNA或者鏈霉親和素，確保了與特定目標(biāo)物的相互作用。通過引入外部磁場，研究對象被進一步簡化了?；诖欧蛛x技術(shù)WGM體系生物傳感器檢測原理，利用磁珠對WGM體系生物傳感器實現(xiàn)共振波長移動增強以提高探測靈敏度，用固定抗體和捕捉抗體夾心法實現(xiàn)抗原的檢測)。(五)微流控系統(tǒng)允許微型化和集成化的復(fù)雜功能，可以實現(xiàn)最小量分析物的處理。需要建立能夠抽取、移動和混合小體積流體的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，這就要利用微型組件和可控驅(qū)動。這里我們利用光刻和鍵合技術(shù)實現(xiàn)微流體通道的加工，毛細(xì)作用力可以使每一種溶液進入到微流體通道中。通過制備疏水節(jié)點和引入壓縮空氣阻止或者引入納升的液滴，利用錐形光纖實現(xiàn)與WGM光學(xué)微腔消逝場耦合。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等， 均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種WGM體系娃基光磁式生物傳感器,包括激光器(1)，石英(2),錐形光纖(3),通氣口(4)，采樣通道(5)，微腔(6)，光電探測器(7)，計算機(8)，溫度控制器(9)和排水道(10 )，其特征在于，所述激光器(I)通過錐形光纖(3 )與所述石英(2 )連接且在整個裝置的一端，所述光電探測器(7)和所述計算機(8)安裝在所述整個裝置的另一端，所述石英(2)安裝在所述溫度控制器(9)的上方，所述溫度控制器(9)上的中間還安裝有所述微腔(6)，所述微腔(6 )的左端是排水道(10 )，右端所述通氣口( 4 )和所述采樣通道(5 )，所述采樣通道(5)在所述通氣口(4)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WGM體系硅基光磁式生物傳感器，其特征在于，所述激光器(I)采用可調(diào)近紅外激光器，激光波長是1300或者1550 nm，精細(xì)調(diào)節(jié)范圍高于光學(xué)諧振腔譜線寬度，激光器線寬遠小于諧振譜線寬度；所述石英(2)作為微流體可控通道實現(xiàn)近紅外光的高透過率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WGM體系硅基光磁式生物傳感器，其特征在于，所述錐形光纖(3)由單模光纖采用濕法腐蝕法或者熔融拉錐法制備成雙錐形結(jié)構(gòu)，錐形光纖的錐區(qū)區(qū)域中光傳輸?shù)哪芰看蟛糠忠韵艌龅男问酱嬖?，可用于有效激發(fā)光學(xué)微腔諧振模式；所述通氣口(4)通過制備疏水節(jié)點和引入壓縮空氣阻止或者引入納升的液滴。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WGM體系硅基光磁式生物傳感器，其特征在于，所述采樣通道(5)利用光刻和鍵合技術(shù)實現(xiàn)微流體通道的加工，毛細(xì)作用力可以使每一種溶液進入到微流體通道中；所述微腔(6)結(jié)合光刻、干法刻蝕和選擇性回流工藝實現(xiàn)高Q硅基WGM環(huán)形光學(xué)諧振腔的制備。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WGM體系硅基光磁式生物傳感器，其特征在于，所述光電探測器(7)波長檢測范圍在800到1700 nm之間；所述計算機(8)結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)信號的檢測；所述溫度控制器(9)的溫度穩(wěn)定性為0.rc ;所述排水道(10)的排水是利用光刻、濕法刻蝕方法 實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種WGM體系硅基光磁式生物傳感器，包括激光器，石英，錐形光纖，通氣口，采樣通道，微腔，光電探測器，計算機，溫度控制器和排水道，所述激光器通過錐形光纖與所述石英連接且在整個裝置的一端，所述光電探測器和所述計算機安裝在所述整個裝置的另一端，所述石英安裝在所述溫度控制器的上方，所述溫度控制器上的中間還安裝有所述微腔，所述微腔的左端是通氣口和所述采樣通道，所述右端是排水道，所述采樣通道在所述通氣口之間。采用本發(fā)明技術(shù)方案，通過微流控系統(tǒng)允許微型化和集成化的復(fù)雜功能，可以實現(xiàn)最小量分析物的處理；毛細(xì)作用力可以使每一種溶液進入到微流體通道中；利用錐形光纖實現(xiàn)了與WGM光學(xué)微腔消逝場耦合。
文檔編號G01N21/63GK103245639SQ20131013934
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者郭振, 吳一輝, 黎海文, 王全龍 申請人:中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所