一种基于脊形光波导的SPR生化传感器的制作方法

本发明涉及光学生化传感技术领域，特别涉及一种基于脊形光波导的SPR(Surface Plasmon Resonance，表面等离子体共振)生化传感器。

背景技术：

随着科学技术的飞速发展，相关学科先进技术对生物医学领域的不断渗透，生物医学检验技术的发展出现越来越明显的两极分化现象。一方面是各类大型自动化、高性能、高效率仪器设备的相继问世，大大提高了实验室分析检测的工作效率；另一方面则是实验仪器的小型化、便携化、操作简便化、结果及时准确化，以及在此基础上产生的新的生物医学检验模式，即Point of Care Testing(POCT)。

SPR即表明等离子体共振，指当一束光照射在金属薄膜表面时，若光入射角，波长，金属薄膜有效折射率满足一定条件时会激发表面等离子体共振现象，从而使反射光强有明显的衰减，通过检测反射光强，可以检测与金属薄膜接触的样品的变化。SPR生化传感器具有高灵敏度、实时、无标记、无损伤检测特征，非常符合生物医学检测技术向现场实时检测模式发展的需求，因而SPR被大量地应用于生化检测领域。常见的SPR传感器配置结构有如下几种：(a)棱镜耦合SPR；(b)波导倏逝场耦合SPR；(c)光纤SPR；(d)侧面光纤SPR；(e)光栅耦合SPR；(f)长程SPR和短程SPR。

大多数SPR生化传感器采用棱镜耦合SPR和光纤SPR对待测物质的相关参数进行传感，具有非常高的传感器灵敏度和分辨率，而且能够实现无标记的实时在线监测。一般情况下，SPR传感器都需要以高分辨的可调谐激光器光源作为输入光源，并外接高分辨率的光谱分析仪或者高精度的角度测量仪探测传感器输出信号，因而SPR传感器往往尺寸很大，难以实现微型集成化。另外，棱镜结构不兼容MEMS加工工艺也是棱镜SPR传感器难以实现微型集成化的原因。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于脊形光波导的SPR生化传感器，能够与光纤直接高效耦合，易于加工，灵敏度高，抗电磁辐射、环境耐受力强，易于微型化集成化，成本低廉。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于脊形光波导的SPR生化传感器，包括在同一SOI硅片上加工形成的SPR检测芯片与光纤支架、键合在所述SPR检测芯片表面的聚合物形成的多个聚合物腔体、由所述多个聚合物腔体的一部分形成的微流道系统和在所述多个聚合物腔体的另一部分中设置的光电探测器及检测电路，所述SPR检测芯片包括脊形光波导、样品池和金属薄膜，光纤通过所述经光纤支架与所述脊形光波导的输入端的端面耦合，所述脊形光波导的输出端耦合到所述光电探测器及检测电路，所述脊形光波导的中段耦合到所述样品池，所述微流道系统连接所述样品池，用于更换所述样品池内的样品，所述金属薄膜与所述样品池内的样品直接接触，用于激发表面等离子体共振，由所述脊形光波导的输入端传输的光经过所述金属薄膜反射后沿着所述脊形光波导从所述脊形光波导的输出端出射，由所述光电探测器及检测电路探测光强的变化并转换成电信号，实现对所述样品池内样品有关成分或浓度的检测。

进一步地：

所述脊形光波导在传播路径上分支为两个光传播通道，所述两个光传播通道分别耦合到所述样品池，并在各自的输出端耦合到各自所对应的光电探测器及检测电路，所述SPR检测芯片包括在所述SOI硅片上加工形成的第一介质槽，优选为空气槽，所述第一介质槽与所述脊形光波导的分支处相配合形成分束器，以利用全内反射将一束光分为两束，沿所述两个光传播通道分别传播并分别完成样品检测。

所述两个光传播通道对称设置在所述样品池的两侧。

所述脊形光波导具有多处弯折结构，所述SPR检测芯片包括在所述SOI硅片上加工形成的多个第二介质槽，优选为空气槽，所述第二介质槽与所述脊形光波导的弯折处相配合以利用全内反射按预定路径改变光在SPR检测芯片内的传播方向，以使光按所述预定路径传播而完成样品检测。

所述金属薄膜设置在所述样品池的侧壁上，所述脊形光波导的中段弯折形成V形结构，所述金属薄膜与所述V形结构的底端相对设置。

所述聚合物为PDMS，优选采用压印的微纳加工工艺在其内形成空腔。

所述脊形波导为单模波导，所述脊形光波导的波导部分突出于基底材料的表面而呈脊形。

所述光纤支架与所述脊形波导的输入端处于同一轴线，经SOI硅片表面深刻蚀形成，尺寸与单模光纤包层相当；优选地，所述光电探测器处于所述脊形波导的输出端的轴线上。

所述微流道系统包括进液口、进液端储液池、出液口及出液端储液池，所述进液口连接所述进液端储液池，所述进液端储液池连接所述样品池的进液端，所述样品池的出液端连接所述出液端储液池，所述出液端储液池连接所述出液口；优选地，通过在所述微流道系统内产生负压的方式实现液体的流通。

所述SPR生化传感器具有多组所述SPR检测芯片、所述微流道系统和所述光电探测器及检测电路，形成阵列化以实现不同样品的同时检测。

本发明的有益效果：

本发明提出了以一种基于脊形光波导的SPR生化传感器，该传感器检测灵敏度高，抗电磁辐射、环境耐受力强，易于加工，成本低廉，易于微型化集成化。当样品池内样品浓度或成分发生变化时，改变了原SPR激发条件，输出光强发生明显变化，通过该传感器探测光强的变化可以得知样品变化，若采用可调激光光源，可重新测试SPR激发波长，定量分析得到样品池内变化。本发明采用了脊形光波导用于光场的传输，优选地，配合基于空气槽的分束器和弯折结构，可实现系统内光强的分束以及传播方向的改变，光分束可以提高光源利用率，一个光源可以作为多个通道的检测光源，弯折结构确定了入射光的方向，为激发SPR提供了有利条件。以上结构设计和加工可以是微米级别，可通过成熟的微纳加工工艺进行批量化生产。配合键合在检测芯片表面的微流道以及光纤支架、光电探测器，可以实现样品的检测。此外，若对芯片进行阵列化，优化微流道结构，可以同时进行不同样品的同时监测，阵列化后的检测系统也可实现使用单色光源实现定量化分析。

附图说明

图1为本发明脊形光波导的微型SPR多通道生化传感检测系统一种实施例的结构示意图；

图2为本发明脊形光波导的微型SPR多通道生化传感检测系统一种实施例的俯视图；

图3为本发明一种实施例中的大截面脊形光波导截面示意图；

图4为实例1所述SPR多通道生化传感检测系统示意图。

图5为实例2所述阵列化的SPR多通道生化传感检测系统示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图5，在一种实施例中，一种基于脊形光波导的SPR生化传感器，包括在同一SOI硅片上加工形成的SPR检测芯片与光纤支架1、键合在所述SPR检测芯片表面的聚合物9形成的多个聚合物腔体、由所述多个聚合物腔体的一部分形成的微流道系统和在所述多个聚合物腔体的另一部分中设置的光电探测器及检测电路，所述SPR检测芯片包括脊形光波导2、样品池和金属薄膜7，光纤通过所述经光纤支架1与所述脊形光波导2的输入端的端面耦合，所述脊形光波导2的输出端耦合到所述光电探测器及检测电路，所述脊形光波导2的中段耦合到所述样品池，所述微流道系统连接所述样品池，用于更换所述样品池内的样品，所述金属薄膜7与所述样品池内的样品直接接触，用于激发表面等离子体共振，由所述脊形光波导2的输入端传输的光经过所述金属薄膜7反射后沿着所述脊形光波导2从所述脊形光波导2的输出端出射，照射在所述光电探测器及检测电路上，通过所述光电探测器及检测电路探测光强的变化并转换成电信号，实现对所述样品池内样品有关成分或浓度的检测。

在优选的实施例中，所述脊形光波导2在传播路径上分支为两个光传播通道，所述两个光传播通道分别耦合到所述样品池，并在各自的输出端耦合到各自所对应的光电探测器及检测电路，所述SPR检测芯片包括在所述SOI硅片上加工形成的第一介质槽3，优选为空气槽，所述第一介质槽3与所述脊形光波导2的分支处相配合形成分束器，以利用全内反射将一束光分为两束，沿所述两个光传播通道分别传播并分别完成样品检测。

在优选的实施例中，所述两个光传播通道对称设置在所述样品池的两侧。

在优选的实施例中，所述脊形光波导2具有多处弯折结构，所述SPR检测芯片包括在所述SOI硅片上加工形成的多个第二介质槽4，优选为空气槽，所述第二介质槽4与所述脊形光波导2的弯折处相配合以利用全内反射按预定路径改变光在SPR检测芯片内的传播方向，以使光按所述预定路径传播而完成样品检测。

在优选的实施例中，所述金属薄膜7设置在所述样品池的侧壁上，所述脊形光波导2的中段弯折形成V形结构，所述金属薄膜7与所述V形结构的底端相对设置。

在优选的实施例中，所述聚合物为PDMS，可采用压印的微纳加工工艺在其内形成空腔。

在优选的实施例中，所述脊形波导为单模波导。所述脊形光波导2的波导部分突出于基底材料的表面而呈脊形，如图3所示。

在优选的实施例中，所述光纤支架1与所述脊形波导的输入端处于同一轴线，经SOI硅片表面深刻蚀形成，尺寸与单模光纤包层相当；

在优选的实施例中，所述光电探测器处于所述脊形波导的输出端的轴线上。

在优选的实施例中，所述微流道系统包括进液口、进液端储液池5、出液口及出液端储液池6，所述进液口连接所述进液端储液池5，所述进液端储液池5连接所述样品池的进液端，所述样品池的出液端连接所述出液端储液池6，所述出液端储液池6连接所述出液口。

在优选的实施例中，通过在所述微流道系统内产生负压的方式实现液体样品的流通。

在优选的实施例中，所述SPR生化传感器具有多组所述SPR检测芯片、所述微流道系统和所述光电探测器及检测电路，形成阵列化以实现不同样品的同时检测。

以下结合附图进一步描述本发明的具体实施例。

参阅图1至图5，基于脊形光波导的SPR生化传感器包括由脊形光波导2、空气槽、金属薄膜7、样品池构成的SPR检测芯片、微流道系统、光纤支架1、光电探测器及检测电路8。所述SPR检测芯片、光纤支架1为在同一绝缘衬底上硅(SOI)硅片上加工出的微型结构；SPR检测芯片中金属薄膜7镀在样品池侧壁，用于激发表面等离子体共振；微流道系统在键合在芯片表面的聚合物腔体内，光电探测器阵列及检测电路同样在上述聚合物的空腔内。该生化检测系统可以将样品池内样品浓度或成分的变化转化为输出光强的变化，通过光电探测器可以探测光强的变化，进而得到样品池内样品的变化。该检测系统可直接与带单模光纤的激光光源配合使用，且通过阵列化，可以实现不同样品的同时检测，以及用单色光源、光电探测器代替可调谐光源、光谱仪。所述SPR检测芯片中脊形波导均为单模波导。所述SPR检测芯片中空气槽结构利用全内反射实现分束器和弯折波导结构，分束器可将一束光分为两束，分束后的光强随分束器与脊形光波导2相对位置变化，弯折波导结构用于改变光在芯片内的传输方向，方向的改变由波导和空气槽轴线相对角度决定。所述SPR检测芯片中脊形波导内传输的光经一定的角度入射到金属薄膜7表面。所述光纤支架1与脊形波导输入端处于同一轴线，便于对准，经SOI片表面深刻蚀形成，尺寸与单模光纤包层相当，可用键合的集合物进行封装。

键合在SPR检测芯片表面的聚合物为PDMS(聚二甲基硅氧烷)，可采用压印的微纳加工工艺在其内形成空腔，加工后的PDMS键合在检测芯片表面。所述微流道处于聚合物腔体内，微流道有进液口和出液口，以及储液池，液体的流通可以通过流道内产生负压进行，微流道系统用于更换样品池内的样品。光电探测器处于脊形波导输出端的轴线上，可通过聚合物来进行封装。

该SPR生化传感器可直接与带单模光纤的激光光源配合使用，且通过阵列化，可以实现不同样品的同时检测，以及用单色光源、光电探测器代替可调谐光源、光谱仪。

如图1和图2所示，光源发出的光经光纤支架1处光纤与脊形光波导2输入端端面耦合后，光场进入检测芯片传输。在空气槽3处分束，经弯折波导4改变传输方向后以一定角度入射到金属薄膜7表面，金属薄膜与样品池10内的样品直接接触，光经反射后沿着脊形光波导出射，照射在光电探测器及检测电路8，完成光信号到电信号的转变。

以下结合实例进一步说明：

实例1

选用顶层硅厚度为10μm，绝缘层氧化硅厚度为2μm，衬底硅厚度为475μm的绝缘体上硅(SOI)作为制造材料。通过深紫外曝光和感应耦合等离子体干法刻蚀得到脊形波导以及空气槽、样品池结构。如图4所示，配合输入端可调谐激光器、单模光纤组成实时蛋白质溶液浓度检测系统，通过测量样品共振曲线，测试样品蛋白质浓度。

实例2

如图5所示，对上述检测系统进行阵列化，具有多个SPR传感器(SPR传感器1、SPR传感器2、SPR传感器3……SPR传感器n)；可采用单色激光器代替可调谐激光器，并提供多种波长的光λ₁、λ₂、λ₃……λ_n。同时，配合使用多个光电探测器PD1、PD2、PD3……PDn。通过检测系统的阵列化，实现待测物共振曲线的测量，对溶液变化进行定量分析。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。