一种慢光结构、吸光度检测方法及微流控芯片与流程

本申请涉及慢光结构技术领域，更具体地说，涉及一种慢光结构、吸光度检测方法及微流控芯片。

背景技术：

随着社会的不断进步，人们对医疗卫生保障、环境质量等方面的要求日益提高，运用先进的科技手段开发高灵敏度快速低成本的生化分析仪器已经成为生命科学、微电子学等领域的主要研究目标。微流控芯片以其小型和快速的样品检测速度成为一种热门的生化分析仪器，为了更高效地实现微流控芯片的检测功能，人们往往将微流控芯片的检测单元做成阵列式并且提高单位面积内所述检测单元的密度，以在不增加所述微流控芯片体积的基础上，丰富所述微流控芯片的检测功能。当检测单元的尺寸减小到纳米尺度以下时，可以大大提高所述微流控芯片的生化检测效率，并且可以大大提升所述微流控芯片的集成度。

但是，随着所述检测单元尺寸的减小，通过所述检测单元中的有效检测光程将会急剧减小，从而降低所述检测单元的检测灵敏度。而通过增加检测光程提升检测灵敏度的方法又会不可避免的增加所述检测单元的尺寸，这与目前所述微流控芯片的发展方向又是相背的。

因此，如何在不增加自身体积的基础上增加检测灵敏度成为研究人员的努力方向。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种慢光结构、吸光度检测方法及微流控检测芯片。以实现在不增加自身体积的基础上增加检测灵敏度的目的。

为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种慢光结构，包括：

基底；

位于所述基底表面的波导层；

位于所述波导层表面的缓冲层；

位于所述缓冲层表面的亚波长金属光栅。

优选的，所述缓冲层为二氧化硅层或氮化硅层或二氧化钛层或氧化铝层或硫化锌层或硒化锌层。

优选的，所述缓冲层的厚度的取值范围为0.05μm-0.5μm，包括端点值。

优选的，所述亚波长金属光栅的制备材料为金或银或铜或铝。

优选的，所述亚波长金属光栅的光栅周期的取值范围为0.1μm-0.5μm，包括端点值。

优选的，所述基底为二氧化硅基底或聚甲基丙烯酸甲酯基底或聚碳酸酯基底。

一种吸光度检测方法，包括：

提供上述任一实施例所述的慢光结构；

将待测样品作为所述慢光结构的波导层；

利用所述慢光结构进行吸光度检测。

一种微流控检测芯片，包括至少一个如上述任一实施例所述的慢光结构；

所述慢光结构中的波导层为待测样品。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种慢光结构、吸光度测量方法及微流控芯片，其中，光线在通过所述慢光结构的亚波长金属光栅进入所述波导层时会由于导模共振原理产生慢光效应，从而降低光在所述波导层中的传播速度，提升了光线在波导层中的传播时间；在实际应用过程中，所述波导层为被测样品，光线在波导层中传播时间的增加意味着光线与所述被测样品的作用时间的延长，因此利用所述慢光结构对所述被测样品进行检测的灵敏度较高。并且所述慢光结构可以通过选择所述亚波长金属光栅的材料、光栅周期以及所述缓冲层的厚度，选择可透过的波长，从而形成所述慢光结构的波长选择特性。

进一步的，所述慢光结构的结构简单，易于加工制备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种慢光结构的结构示意图；

图2为本申请实施例1提供的慢光结构的相位与群折射率的对应关系曲线图；

图3为本申请实施例1提供的具有不同厚度缓冲层的慢光结构的透射谱线；

图4为本申请实施例1提供的具有不同厚度缓冲层的慢光结构的群折射率曲线图；

图5为本申请实施例1提供的慢光结构的群折射率随亚波长金属光栅的光栅周期的变化趋势图；

图6为本申请的一个实施例提供的一种吸光度检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种慢光结构，如图1所示，包括：

基底4；

位于所述基底4表面的波导层3；

位于所述波导层3表面的缓冲层2；

位于所述缓冲层2表面的亚波长金属光栅1。

需要说明的是，光线在介质中传播的速度主要包括单一频率光波传播的相速度和许多频率成分组成的光波波包传播的群速度。相速度是指对于某一频率的电磁波，它是等相位面沿传播方向推进的速度；群速度是指一群电磁波的传播速度。在非色散介质中，两者相等；在正常色散介质中，所述群速度小于所述相速度；在反常色散介质中，所述群速度大于所述相速度。在实际生活中不存在绝对的单一频率光线，而都是包含多个频率具有一定频宽的脉冲光线。介质具有色散特性时，不同频率的光具有不同的传播速度，因此一般采用等效折射率下的群速度。导模共振是指当亚波长金属光栅1的高衍射级次与光栅波导或者临近光栅结构波导层3的导模位相匹配时发生共振，发生共振的导模由于所述亚波长金属光栅1的周期调制转换为泄露模式发生反射或者透射。在所述慢光结构中，被测样品作为所述波导层3用以支持导模的传输，导模传输过程中，所述亚波长金属光栅1处于消逝场穿透深度之内时，形成的导模会产生辐射损耗。考虑到所述亚波长金属光栅1对于该层导模影响的情况时，入射光线经过所述亚波长金属光栅1的衍射，某一高衍射级次的光线与所述波导层3的导模波矢匹配时，该衍射级次的入射光线与所述波导层3内导模发送共振。通过共振产生的导模在光栅周期结构调制之前形成准导模，该模式在所述波导层3内不能稳定传播，以泄露模式反射或者透射出去。正是由于准导模的存在，使得光在所述波导层3内存在时间延迟，所以透射光表现为一定的相位延迟，该相位延迟产生了慢光效应。

基于导模共振原理产生的慢光效应源于所述慢光结构对光线的调制作用，从本质上将所述慢光结构在共振波长透射窗口产生一个结构相位，该结构相位在共振波长位置发生突变，从而实现慢光效应。结构相位为光线在光源到观测点的相位减去信号光在背景材料(一般为空气)中的相位，因此所述慢光结构的群折射率可以由结构相位色散关系确定为：

其中，c表示光速；L表示所述慢光结构的总长度；表示随频率变化的结构相位。因此影响所述群折射率的参数主要包括所述亚波长金属光栅1的结构和构成所述波导层3的尺寸参数。

对于所述慢光结构而言，可以通过改变缓冲层2的厚度改变所述波导层3的Q值，从而实现对所述群折射率的竖直的改变，所述缓冲层2的厚度越大，所述群折射率越大；另外通过改变所述亚波长金属光栅1的光栅周期也可以实现对所述群折射率的影响。所述慢光结构除了可以在共振波长产生较高的群折射率之外，对于在共振波长附近的光线而言，其透射率也较高，但是几乎全反射其他波段的波长，因此所述慢光结构在实际的应用过程中具有波长选择特性。可以应用于微流控芯片的吸光度检测应用中，还可以进一步拓展到光缓冲通讯、光束整形、光信号空间压缩、低阈值功率的非线性效应、多波段光延迟滤波器等领域。

所述慢光结构在实际应用中，光线在通过所述慢光结构的亚波长金属光栅1进入所述波导层3时会由于导模共振原理产生慢光效应，从而降低光在所述波导层3中的传播速度，提升了光线在波导层3中的传播时间；在实际应用过程中，所述波导层3为被测样品，光线在波导层3中传播时间的增加意味着光线与所述被测样品的作用时间的延长，因此利用所述慢光结构对所述被测样品进行检测的灵敏度较高。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述缓冲层2为二氧化硅层或氮化硅层或二氧化钛层或氧化铝层或硫化锌层或硒化锌层。本申请对所述缓冲层2的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，所述缓冲层2的厚度的取值范围为0.05μm-0.5μm，包括端点值。在本申请的其他实施例中，所述缓冲层2的厚度的取值可以为0.1μm或0.15μm或0.2μm或0.25μm或0.3μm。本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。

正如上面的分析可知，当所述缓冲层2的厚度发生改变时，所述慢光结构的群折射率会发生变化，从而使得所述慢光结构的透射谱线也会发生变化。

在上述实施例的基础上，在本申请的又一个实施例中，所述亚波长金属光栅1的制备材料为金或银或铜或铝。本申请对所述亚波长金属光栅1的制备材料的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。

在上述实施例的基础上，在本申请的再一个实施例中，所述亚波长金属光栅1的光栅周期的取值范围为0.1μm-0.5μm，包括端点值。在本申请的其他实施例中，所述亚波长金属光栅1的光栅周期的取值可以为0.3μm或0.35μm或0.4μm或0.45μm，本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述基底4为二氧化硅基底4或聚甲基丙烯酸甲酯基底4或聚碳酸酯基底4。本申请对所述基底4的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。

为了更清楚的了解所述慢光结构的特性，下面将以一个具体实施例说明所述慢光结构的参数特性。

实施例1：

利用金属铝作为所述亚波长金属光栅1的制备材料，该材料在可见光以及红外波段均具有较高的反射率(＞90％)。所述缓冲层2为二氧化硅层，厚度为0.1μm。所述波导层3材料以氮化硅(Si₃N₄，折射率n＝2)层代替(实际应用中所述波导层3为被测样品)，厚度为0.1μm；所述基底4为载玻片(主要材料为SiO₂，折射率n＝1.46)。

为了提高所述慢光结构的共振波长的透射率，将所述亚波长金属光栅1的占空比设置为0.7；对于所述波导层3的厚度和所述缓冲层2的厚度，可以根据单模条件和所需要的带宽进行相应的设计，初定所述亚波长金属光栅1的光栅周期为0.35μm，所述亚波长金属光栅1的厚度为40nm；对上述结构的慢光结构进行仿真计算，获得所述慢光结构的相位与群折射率的变化曲线，如图2所示，在共振波长附近的500nm-550nm的波长区间，相位经历幅度为π/2的正方向变化之后，在550nm-575nm波长范围内出现一个π/2的负方向变化，两次变化导致光线出现相位延迟。相位变化范围内群折射率恰好对应能量透射谱中的高透射窗口，图2中所示的群折射率最大为118，光线在所述慢光结构中的传播速度为真空中光速的0.87％。

另外，通过测试具有不同厚度的缓冲层2的所述慢光结构，获得所述缓冲层2对于所述慢光结构的影响，如图3和图4所示，图3为所述缓冲层2厚度分别为0.1μm、0.15μm、0.2μm、0.25μm和0.3μm的慢光结构的透射谱线；图4为所述缓冲层2厚度分别为0.1μm、0.15μm、0.2μm、0.25μm和0.3μm的慢光结构的群折射率。从图3和图4中可以看出，所述缓冲层2的厚度越大，所述波导层3中的Q值越大，半波带宽越小。透射窗口的减小使得相位在此区间急剧增大，因此所述慢光结构的群折射率也相应地增大。图4中的最大群折射率为727。

进一步的，通过测试具有不同光栅周期的所述慢光结构，获得所述亚波长金属光栅1的光栅常数对所述慢光结构的群折射率的影响。将所述亚波长金属光栅1的光栅周期分别设置为0.3μm、0.35μm、0.4μm和0.45μm，其他结构保持相同，对这些慢光结构的群折射率进行测试，如图5所示，从图5中可以看出，所述光栅周期分别为0.3μm、0.35μm、0.4μm和0.45μm的慢光结构对应的群折射率分别为141、118、84和73。

从上述分析可以发现，实施例1中制备的所述慢光结构在共振波长为545nm时，其群折射率的变化范围为119-727，包括端点值。与之相对应，光线在所述慢光结构中的传播速度为真空中光速的0.14％-0.87％。因此将所述慢光结构和微流控芯片相结合，即利用被测样品作为所述慢光结构中的波导层3，采用吸光度方法检测中，所述被测样品的折射率可以近似认为不发生变化，此时入射光线由于导模共振效应产生的慢光效应在被测样品中存在的时间增加，所以经过同样距离，光线和物质之间的作用时间相当于提高了2-3个数量级，有效光程增加了数百倍，这对于微流控芯片提高检测灵敏度有力。除此之外，所述慢光结构可进一步拓展应用于光缓冲通讯、光束整形、光信号空间压缩、低阈值功率的非线性效应、多波段光延迟滤波器等领域。

相应的，本申请实施例还提供了一种吸光度检测方法，如图6所示，包括：

S101：提供如上述任一实施例所述的慢光结构；

S102：将待测样品作为所述慢光结构的波导层3；

S103：利用所述慢光结构进行吸光度检测。

相应的，本申请实施例还提供了一种微流控检测芯片，包括至少一个如上述任一实施例所述的慢光结构；

所述慢光结构中的波导层为待测样品。

综上所述，本申请实施例提供了一种慢光结构、吸光度测量方法及微流控芯片，其中，光线在通过所述慢光结构的亚波长金属光栅1进入所述波导层3时会由于导模共振原理产生慢光效应，从而降低光在所述波导层3中的传播速度，提升了光线在波导层3中的传播时间；在实际应用过程中，所述波导层3为被测样品，光线在波导层3中传播时间的增加意味着光线与所述被测样品的作用时间的延长，因此利用所述慢光结构对所述被测样品进行检测的灵敏度较高。并且所述慢光结构可以通过选择所述亚波长金属光栅1的材料、光栅周期以及所述缓冲层2的厚度，选择可透过的波长，从而形成所述慢光结构的波长选择特性。

进一步的，所述慢光结构的结构简单，易于加工制备。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。