专利名称：Led诱导光纤型集成pin光电探测器的微型荧光检测器的制作方法
技术领域：
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本发明属于微全分析技术领域，涉及一种一体化集成激发光传输通道、滤光系统， 以及芯片式PIN光电探测器的微型荧光检测器。
背景技术：
微全分析系统(^-TAS)又称芯片实验室(lab-on-a-chip)或微流控芯片，所涉及的 反应过程通常在微米量级的几何结构内完成，因此，与传统实验室相比，对检测器提出 了更高的要求，包括高灵敏度、快速响应、微型化等。迄今为止，应用于微流控芯片的 检测技术已多达十几种，其中以光学检测法和电化学检测法应用最为广泛。激光诱导荧 光(LIF)作为光学检测法的典型代表，是目前灵敏度最高、应用范围最广的检测方法。 但是传统的LIF检测系统通常存在体积庞大、价格昂贵、功耗较高的缺点，在一定程度 上制约了微流控芯片的推广和使用。为了开发体积小、便于携带、价格低廉的LIF检测 系统，国内外研究小组采用小型半导体激光器或LED作为激发光源，在一定程度上降低 了体积和成本，但是由于与通常LIF系统一样在光源与检测器之间需要加入聚光透镜等 分离光学元件，距离集成化仍有相当距离。另一方面，作为荧光检测系统分离器件的激 发光滤色片与光电探测器的使用，增加了微流控芯片检测点到探测器光敏面的距离，降 低了 LIF检测系统的灵敏度。因此，若要减小荧光检测器的体积，必须将相应的光学系 统一体化集成。目前报道的光学系统集成方法，已有将激发用的发光二极管、平面光波 导管等直接加工于微流控芯片上，该方法可以达到微型化和集成化的目的，但需要精细 的芯片加工技术和昂贵的加工设备，使芯片成本大大提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一体化集成激发光传输通道、滤光系统，以及芯片式PIN 光电探测器的微型荧光检测器，荧光检测系统的整体尺寸视具体微流控芯片尺寸而定， 其长、宽、高都在几个厘米范围内。
本发明采取以下技术方案:LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检测器， 由激发光源、光纤传输系统、滤光系统、光电检测系统、微流控芯片和系统定位装置组 成。从大功率LED发出的激发光直接耦合入多光束光纤，通过芯片管壳盖板顶部的微流 控芯片检测口照射到微通道末端的荧光检测点，以激发微通道中的荧光物质受激发出相应波长的荧光；所产生的荧光通过加工于微流控芯片底部的发射光干涉滤色薄膜滤除杂 散光后，进入紧贴于其下的芯片式PIN光电检测器中，转化为电流信号，经管壳腔体底 座的引脚输出，再经信号处理电路放大、滤波后转化为电压信号，传输至工作站或记录 仪，完成被测样品的测试分析。
所述激发光源采用大功率发光二极管，其与多光束光纤的入射端相结合，多光束光 纤的出射端固定在芯片管壳盖板顶部的芯片检测口处，可根据荧光试剂样品的激发光谱 特性选择不同峰值波长的发光二极管作为激发光光源。激发光传输通道采用5个芯径为 100微米的单光纤通过外围金属套筒捆绑组合形成光纤束，可大大增强光纤耦合激发光 光强的能力。
所述滤光系统是厚度仅为2 3微米、可根据不同荧光试剂样品的发射光谱特性设置 带通范围的发射光干涉滤色薄膜，通过薄膜加工工艺直接制作于微流控芯片底部，实现 滤光系统与微流控芯片的一体化集成。
所述光电检测系统采用芯片式PIN光电探测器，其具有高灵敏度、快速响应、光敏 面积与微流控芯片微通道尺寸相当、光谱响应曲线能覆盖常用荧光试剂检测范围等特点， 通过与微流控芯片硅-玻璃键合的方式，实现检测器与微流控芯片的一体化集成。
发射光干涉滤色薄膜、芯片式PIN光电探测器与微流控芯片实现一体化集成。多光 束光纤激发光出射端距离微流控芯片仅为1 2毫米，通过加工于芯片管壳盖板顶部的法 兰盘定位；法兰盘内嵌于芯片管壳盖板顶部的十字形凹槽内，通过微调法兰盘，控制激 发光出射光斑照射微流控通道荧光检测点的位置。微流控芯片被封装在芯片管壳盖板和 芯片管壳腔体中固定。管壳腔体底座引脚用于芯片式PIN管的键合点压焊封装，管壳盖 板与腔体的可拆装式无缝隙封合屏蔽外界干扰光，实现样品荧光的无干扰检测。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点
本发明提出的LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检测器可根据不同的 荧光样品选择不同峰值波长的发光二极管作为激发光光源，并采用外围金属套筒捆绑组 合形成光纤束来增强光纤耦合激发光的能力，可有效提高荧光产生效率。将发射光干涉 滤色薄膜和芯片式PIN光电探测器，通过薄膜加工工艺和键合封装技术， 一体化集成于 微流控芯片底部，实现了微型光学元件与微流控芯片的一体化集成。采用芯片管壳封装 微流控芯片的方式，将多光束光纤固定于管壳盖板； 一体化集成有发射光干涉滤色薄膜、 芯片式PIN光电探测器的微流控芯片置于管壳腔体中；芯片管壳盖板与腔体可拆装式无 缝隙封合可屏蔽外界干扰光。实现了微流控芯片检测系统真正意义上的微型化和集成化。
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图1 LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检测器示意图； 图2 LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检测器芯片管壳结构图； 图3发射光干涉滤色薄膜对大功率LED发射光谱的影响效果图； 图4采用本发明获得的玻璃基电泳芯片上1()4mol/L苯丙氨酸一FITC的电泳图谱。
具体实施方式
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本发明提出的LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检测器结构如图1所 示大功率发光二极管1与多光束光纤2的入射端相结合，从大功率发光二极管l发出 的激发光直接耦合入多光束光纤2，多光束光纤2的出射端固定在芯片管壳盖板3顶部， 并与微流控芯片的微通道末端位置对应，通过加工于芯片管壳盖板顶部的法兰盘8实现 固定，法兰盘内嵌于盖板顶部十字形凹槽内，参见图2,通过微调法兰盘位置，使激发 光出射光斑覆盖微流控微通道末端的荧光检测点，多光束光纤2的激发光出射端距离微 流控芯片4仅为1 2毫米。玻璃基微流控芯片4底部通过薄膜加工工艺镀有发射光干涉 滤色薄膜5，用于滤除大功率发光二极管1发出的激发光和其他杂散光，厚度仅为2 3 微米的滤光系统大大缩短了微通道中经激发诱导产生的荧光信号与光电探测器的距离， 提高了系统灵敏度。芯片式PIN光电探测器6的光敏面正对微通道末端的荧光检测点， 通过硅一玻璃键合的方式紧贴于发射光干涉滤色薄膜5。采用半导体加工工艺将芯片式 PIN光电探测器6的引出线焊盘与芯片管壳腔体7底座的引脚相连。通过上述薄膜加工 工艺、硅一玻璃键合工艺以及半导体压焊封装技术实现了微流控芯片与窄带发射光干涉 滤色薄膜、芯片式PIN光电探测器以及芯片管壳腔体的一体化集成封装。芯片式PIN光 电探测器接收滤除了杂散干扰光的荧光，将光强信号转化为电流信号，经管壳腔体底座 的引脚输出，最后经信号处理电路放大、滤波后转化为电压信号输出至工作站或记录仪， 完成被测样品的检测分析。
使用实例在玻璃基电泳芯片的分离通道末端，采用LED诱导光纤型集成PIN光电 探测器的微型荧光检测器对异硫氰酸荧光素(FITC)标记的苯丙氨酸进行了检测。在含 十字形微通道的玻璃基电泳芯片上，以pH-10、 10mmol/L硼砂溶液为缓冲体系，负压进 样nL级不同浓度的FITC标记苯丙氨酸样品，进样时间为10s，分离场强为300V/cm。 选用中心波长为470nm蓝光大功率LED作为激发光源，滤光系统采用中心波长为520nm、 带宽为15nm、厚度仅为3pm的带通发射光干涉滤色薄膜，可将蓝光大功率LED发出的激发光完全滤除，而让绝大部分荧光信号通过(峰值透过率为92%)。图3所示为该发射 光干涉滤色薄膜对蓝光大功率LED发射光谱的影响效果图，蓝光大功率LED光谱曲线 为a，带通发射光干涉滤色薄膜透过率曲线为b，激发光经滤色系统后的光谱曲线为c。 图4所示为采用本发明LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检测器测得的苯 丙氨酸电泳谱图，测试结果表明，该一体化集成微型荧光检测器对FITC标记的苯丙氨酸 浓度检出限达到10—6moI/L。
通过上述实例说明LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检测器在没有采 用二向棱镜、透镜组等复杂光学器件和结构的前提下，完成了待测化学样品的分离检测， 而且本发明大大简化了仪器结构，减小了系统体积，长、宽、高尺寸都在厘米范围内， 真正实现了检测系统的一体化集成。
权利要求
1. LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检测器，由激发光源、光纤传输系统、滤光系统、光电检测系统、微流控芯片和系统定位装置组成；其特征在于所述激发光源采用大功率发光二极管(1)，光纤传输系统采用多光束光纤(2)，滤光系统采用发射光干涉滤色薄膜(5)，光电检测系统采用芯片式PIN光电探测器(6)，系统定位装置采用芯片管壳盖板(3)和芯片管壳腔体(7)；所述微流控芯片(4)封装在芯片管壳盖板(3)和芯片管壳腔体(7)中；所述大功率发光二极管(1)与多光束光纤(2)的入射端相结合，多光束光纤(2)的出射端固定在芯片管壳盖板(3)顶部与微流控芯片(4)微通道末端对应位置，并使出射光斑覆盖微流控芯片的微通道末端的荧光检测点；所述发射光干涉滤色薄膜(5)通过薄膜加工工艺制作在微流控芯片(4)的底部；所述芯片式PIN光电探测器(6)的光敏面正对微流控芯片(4)微通道末端荧光检测点，通过硅—玻璃键合的方式紧贴于发射光干涉滤色薄膜(5)底面，芯片式PIN光电探测器(6)的引出线焊盘与芯片管壳腔体底座的引脚相连，引出检测信号。
2、 根据权利要求1所述的LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检测器， 其特征在于所述多光束光纤(2)采用5个芯径为100微米的单光纤通过外围金属套筒 捆绑组合形成光纤束。
3、 根据权利要求1或2所述的LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检 测器，其特征在于多光束光纤(2)的出射端通过加工于芯片管壳盖板(3)顶部的法 兰盘(8)定位，法兰盘内嵌于芯片管壳盖板顶部十字形凹槽内。
4、 根据权利要求3所述的LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检测器， 其特征在于所述多光束光纤(2)的激发光出射端距离微流控芯片(4) 1 2毫米。
全文摘要
本发明公开一种适用于玻璃基微流控芯片的通用型LED诱导光纤型集成PIN光电探测器的微型荧光检测器，其激发光源采用大功率发光二极管，采用多光束光纤相结合的传输模式导入芯片检测窗。滤光系统为膜厚仅为2～3微米的发射光干涉滤色薄膜；光电检测器选用毫米级尺寸、能覆盖常用荧光试剂检测范围的芯片式PIN光电探测器；通过合理选择激发光光源和设计发射光干涉滤色薄膜的中心波长和光谱带宽，可实现不同荧光样品的检测。将发射光干涉滤色薄膜、芯片式PIN光电探测器与微流控芯片一体化集成，通过专门设计的管壳盖板与腔体的可拆装式无缝隙封合，屏蔽外界干扰光，实现芯片微管道中样品荧光信号的无干扰检测。本发明适用于生物、环境、食品等检测技术领域。
文档编号G01N21/64GK101441177SQ200810237219
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年12月25日
发明者溢 徐, 炜 曾, 温中泉, 温志渝, 顾雯雯 申请人:重庆大学