一种手持式高通量生物传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于疾病筛查和流行病的预防领域的生物传感器，特别涉及一种利用 表面等离子模式的手持式高通量生物传感器。
【背景技术】
[0002] 有效的诊断和检查对于疾病筛查和流行病的预防是至关重要的。目前大多数的医 疗检查手段都是耗时且伴随价格昂贵的化学过程，尤其在发展中国家，急切需要一种有效 的、易操作的检测手段。
[0003] 生物传感器（biosensor)是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测 的仪器，是由生物敏感材料作识别元件（如酶、抗体、核酸等生物活性物质）与适当的理化 换能器（如氧电极、光敏管等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。
[0004] 但是，目前，生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难，如活性强、选择性高的生 物传感元件的选择；信号检测器的使用寿命的提高；信号转换器的使用寿命的提高；生物 响应的稳定性和生物传感器的微型化、便携式等问题。
[0005] 本发明利用表面等离子谐振技术，无需复杂、耗时、昂贵的化学反应过程，解决了 利用化学反应的生物传感器的一系列难题。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种手持式高通量生物传感器，该传感器系统由周期金属纳米线阵列 组成大视场表面等离子体芯片，具有高吞吐量、紧凑、重量轻的特点，无需专业人员即可操 作。
[0007] 本发明通过以下技术方案实现：
[0008] 一种手持式高通量生物传感器，包括壳体、LD照明光源、孔径光阑、计算芯片成像 传感平台，所述的壳体内部形成暗室结构，所述的LD照明光源、孔径光阑、计算芯片成像传 感平台在暗室中依次排列构成传感系统，所述的计算芯片成像传感平台包括表面等离子芯 片和CCD图像传感器，所述的表面等离子芯片是由玻璃基底的金属膜层上制作的至少一个 微阵列像素组成，所述的微阵列像素上面可附着被测的单层或双层蛋白质膜层，每个微阵 列像素由周期的金属纳米线阵列组成，每个微阵列像素的在X方向和Y方向均为分立单元， 相邻的微阵列像素单元间无金属膜间隔，所述的表面等离子芯片作为传感芯片，CCD图像传 感器作为探测元件，CCD图像传感器直接贴装在表面等离子芯片的玻璃基底的背面，CCD图 像传感器用来记录微阵列像素的金属纳米线结构的衍射图像，通过分析衍射图像得到被测 蛋白质膜层的浓度或分子间相互作用的信息。
[0009] 所述的壳体为分体式，包括端盖、筒体、压板，底板，所述的端盖、筒体、压板、底板 各部分采用销连接或螺纹连接在一起，内部形成暗室；所述的LD照明光源和孔径光阑安装 在端盖内，筒体的中部为圆形空腔，底板设有容纳凹槽，压板将计算芯片成像传感平台固定 在容纳凹槽内，压板中部开设有与圆形空腔大小的通孔，照明光源发出的光透过孔径光阑， 通过圆形空腔、通孔照在计算芯片成像传感平台上。
[0010] 所述的LD照明光源为半导体激光器LD照明光源，激光为TM偏振模式。
[0011] 所述的半导体激光器LD照明光源的峰值控制在638nm，带宽为12nm。
[0012] 所述的半导体激光器LD照明光源采用的为中心波长638nm的发光二极管，慢轴发 散角为7. 5度，快轴剩余发散角10度，所述的孔径光阑的孔径dl = 2_，与半导体激光器LD 照明光源的激光发光面的距离LI = 10mm，所述的孔径光阑与表面等离子芯片的距离达L2 =4cm，当半导体激光器LD照明光源的激光传输IOmm的距离到达2mm孔径光阑时，慢轴光 完全通过，快轴光发射角较大的部分被遮住，只有中心部分通过，当再传输4cm到达表面等 离子芯片时，照明光斑约为直径为d2 = 7mm的圆形区域，均匀有效的照明区域为6mmX5mm〇
[0013] 所述的表面等离子芯片的微阵列像素在X方向为一维像素阵列，Y方向为多个此 一维像素阵列的排列。
[0014] 所述的表面等离子芯片周期阵列衍射图样采用SP(-1，0)表面等离子模式，CCD图 像传感器记录的表面等离子模式即为SP(-1，0)模式的衍射图案。
[0015] 所述的表面等离子芯片是由厚H = Imm的玻璃基底12和厚h = 50nm金属膜层上 制作的至少一个微阵列像素，每个微阵列像素尺寸长LX宽D= 100 μ mX 100 μ m，由线宽d =150nm、周期T = 300nm的金属纳米线阵列组成，所述的LD照明光源的峰值控制在638nm， 带宽为12nm。
[0016] 本发明制作的微阵列像素是分立的金属纳米线结构，限制热传导，提高纳米结构 的光热效应；光热效应产生的特定温度梯度场，在进行蛋白质膜层样本分析时，结合金属纳 米线阵列结构的光学作用力和热作用力，提高纳米粒子的操控效率，能够探测的分子层厚 度可小到纳米量级。本生物传感系统还具有结构紧凑、重量轻、无透镜集成芯片成像、无化 学反应过程、无标记探测的特点。
【附图说明】：
[0017] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0018] 图1是本发明的表面等离子体芯片立体示意图；
[0019] 图2是本发明的表面等离子体芯片横截面示意图（A-A);
[0020] 图3是本发明的表面等离子体芯片阵列结构平面示意图；
[0021] 图4是本发明的表面等离子体芯片阵列结构立体示意图；
[0022] 图5是本发明的表面等离子体芯片纳米线周围温度梯度横截面示意图；
[0023] 图6是本发明的表面等离子体芯片纳米线周围温度梯度平面示意图；
[0024] 图7是本发明的无透镜计算芯片成像传感平台原理图；
[0025] 图8是本发明的手持式高通量生物传感器的分解图；
[0026] 图9是本发明的手持式高通量生物传感器的照明原理图。
【具体实施方式】
[0027] 表面等离子体（Surface Plasmons，SPs)是指在金属表面存在的自由振动的电子 与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。
[0028] 表面等离子体共振是一种物理光学现象。它利用光在玻璃与金属薄膜界面处发生 全内反射时渗透到金属薄膜内的消逝波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体，在入 射角或波长为某一适当值的条件下，表面等离子体与消逝波的频率与波数相等，二者将发 生共振，入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现反射强度最低值，此即 为共振峰。吸收的光子能一部分转换为金属离子的内能，从而产生了光热效应。
[0029] 光热效应是由于金属对光的吸收作用，当金属吸收光后，部分会转换为焦耳热，从 而光能转换为热能，即光热效应。光热效应引起的纳米线周期温度场。这一温度场将使纳 米粒子产生特定运动。通过设计特定的纳米结构和分析纳米结构的温度梯度及温度梯度下 纳米粒子运动规律，将有助于纳米粒子的探测和操控。
[0030] 在进行蛋白质膜层样本分析时，传统的对纳米粒子的操控的研宄主要利用为光学 作用力，而热作用力却被忽略。光学作用力是指光与金属纳米线结构的相互作用发生谐振 后产生的力。热作用力则是指金属纳米线结构强烈吸收光后，产生的热效应。因为热效应 产生的温度变化通常只有几度，所以常