基于狭缝波导的病原体检测传感器的制造方法
【专利摘要】一种基于狭缝波导的病原体检测传感器，包括检测部分，所述检测部分包括病毒检测组件，所述病毒检测组件包括上下并排布置的直波导，相邻上下直波导之间的狭缝区域为狭缝波导，所述狭缝波导的宽度尺寸为175nm～225nm，所述狭缝波导的侧壁附着待检测病毒的抗原/抗体，所述狭缝波导为供待检测血液样本流过的检测通道，所述直波导材料的折射率比所述狭缝波导的折射率高。本实用新型提供一种在满足高检测效率和快速响应的同时，简化结构、减少尺寸、降低成本的基于狭缝波导的病原体检测传感器。
【专利说明】基于狭缝波导的病原体检测传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及病原体检测领域，尤其是一种病原体检测传感器。
【背景技术】
[0002]现有的病原体检测技术中，常规病原体检测为有创检测，医疗就诊慢，效率低，智能化不高。
[0003]有人提出利用基因技术来实现病原体检测，例如专利申请号为200680050988.6，发明名称为:检测病原体的方法的中国发明专利申请；再有人提出利用上转换发光技术实现病原体检测，例如专利号为:200410034105.5，发明名称为上转换发光生物传感器的中国发明专利。
[0004]利用基因技术来实现病原体检测，检测的精确度较高，存在的技术缺陷:整个检测设备的结构复杂、尺寸较大、响应较慢，且成本较高；利用上转换发光技术，响应较快，能实现较高的检测效率，存在的技术缺陷:整个检测设备的结构复杂、尺寸较大，且成本较高。
[0005]2004年，美国康奈尔大学Michal Lipson教授研究组首次提出了狭缝波导的概念(Almeida VR, Xu Q, Barrions CA et al..Guiding and confining light in voidnanostructure[J].0pt.Lett., 2004, 29 (II):1209 ?1211 ;Almeida VR, Xu Q, BarrionsCA,等，纳米结构空隙中光的传导与限制，光学快报，2004，29 (11):1209?1211)，并通过理论和实验证实了具有高折射率差的纳米量级光波导结构可将光场限制在低折射率的狭缝中传输。波导结构包括两侧的高折射率波导芯(典型如Si材料)和中间的低折射率狭缝介质区(比如空气，流体或Si02等)，狭缝介质区宽度一般小于lOOnm，该波导结构显示出了与传统光波导不同的特性，即可将光能流限制在低折射率狭缝中。基于此特性可以设计各种应用于光通信和光传感的新型光学功能性器件，因而受到相关领域研究者的广泛关注。
【发明内容】
[0006]为了克服已有病原体检测技术的结构复杂、尺寸较大、成本较高的不足，本实用新型提供一种在满足高检测效率和快速响应的同时，简化结构、减少尺寸、降低成本的基于狭缝波导的病原体检测传感器。
[0007]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0008]一种基于狭缝波导的病原体检测传感器，包括检测部分，所述检测部分包括病毒检测组件，所述病毒检测组件包括上下并排布置的直波导，相邻上下直波导之间的狭缝区域为狭缝波导，所述狭缝波导的宽度尺寸为175nm?225nm，所述狭缝波导的侧壁附着待检测病毒的抗原/抗体，所述狭缝波导为供待检测血液样本流过的检测通道，所述直波导材料的折射率比所述狭缝波导的折射率高。
[0009]进一步，所述传感器还包括传出部分，所述传出部分包括一根总线波导、光电转换模块和信息上传模块，所述狭缝波导的光场信号输出端与所述总线波导连接，所述总线波导与所述光电转换模块连接，所述光电转换模块与所述信息上传模块连接。[0010]更进一步，所述直波导有m根，m为自然数，且m > 3，狭缝波导有m_l个。该方案中，可以实现m-Ι种不同病毒的同步检测。
[0011]再进一步，所述直波导材料的折射率比所述狭缝波导的折射率高2.0以上。只要所述直波导材料的折射率比所述环形狭缝波导的折射率高即可，例如高1.0等其他数值；折射率相差越大，越有利于对光的约束，因此，波导的尺寸可以制作的很小，集成度更高。
[0012]所述直波导材料为硅材料，所述狭缝波导材料为待检测血液样本形成的流体材料。该方案只是一个优选的案例，硅的折射率为3.48，血液的成分中水占比为90%左右，因此其应高于水的折射率1.33，波导区和狭缝区的折射率差大于2.0 ;当然，所述直波导材料也可以选用其他材料，例如氮化硅材料、砷化镓材料等。
[0013]所述检测部分还包括血糖检测组件，所述血糖检测组件包括一个直波导和一个微环波导构成，所述直波导与微环波导之间的狭缝区域是一条直线与一个圆弧围成的区域，直线与圆弧之间最短距离位于通过圆弧圆心与直线垂直的直线上，设定直线与圆弧之间的最短距离为50?SOnm之间，所述狭缝区域为环形狭缝波导，所述环形狭缝波导为供待检测血液样本流过的检测通道，所述直波导材料的折射率比所述环形狭缝波导的折射率高。
[0014]所述血糖检测组件的一个直波导为所述病毒检测组件的最上或最下的直波导。该方案中，血糖检测组件和病毒检测组件公用了一根直波导，当然，也可采用分开单独设置的，只是增加了成本。
[0015]本实用新型的技术构思为:检测对象为微创获取的血液样本，检测内容包括病原体检测和血糖检测两部分，其中病原体检测包括5种常见病毒，基本传感单元为两两直波导所构成的狭缝波导，检测机理为:狭缝宽度随着血液样本与抗原/抗体的反应而发生变化，进而引发狭缝波导中的光场随狭缝宽度的变化，通过检测光场的变化来检测病原体。具体地:当被检血液中没有特定待检病毒时，狭缝里的抗原/抗体不会发生化学反应，所以狭缝宽度基本不发生变化，光场也基本不变。相反，在被检血液中含有特定的待检病毒时，狭缝里的抗原/抗体发生与病毒发生反应，狭缝尺寸变宽，狭缝波导光场发生明显变化，从而检测出特定病毒。多种病毒病原体检测可基于上述技术构思实现多通道同时检测。
[0016]再者，血糖检测的基本传感单元为一根直波导和一个微环波导所构成的狭缝波导，血液样本的折射率会随着血糖的变化而发生变化，而折射率的变化会引起光通过直波导与微环之间的狭缝波导结构时的光程变化，并进而改变微环波导的谐振波长，通过检测谐振波长的变化可以检测血液样本的血糖浓度值。
[0017]本实用新型的有益效果主要表现在:1、狭缝波导中光场变化明显而且迅速，具有方便，高效的特点；2、本实用新型为微型芯片结构，具有集成度高、微创、安全的特点；3、多通道狭缝结构中附着不同的抗原/抗体，实现多种病毒的同时检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1-1和图1-2是基于狭缝波导的病原体检测传感器的俯视图和截面图。图1-3是理论计算的简化模型，其中，straight waveguide:直波导，slot:狭缝，micro-ring:微环。
[0019]图2-1和图2-2分别是本实用新型基于多通道直狭缝波导和微环狭缝波导的传感器结构的俯视图和截面图。[0020]图3是本实用新型如何通过所设计的结构实现检测多种病原体，同时测量血糖浓度功能的示意图。
[0021]图4是本实用新型实现检测数据的处理，数据传输途径以及用户之间数据共享的示意图，其中，Bus:总线波导。
[0022]图5是用户端各个部分功能的框图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
[0024]实施例1
[0025]参照图1，一种基于狭缝波导的病原体检测传感器，包括检测部分，所述检测部分包括病毒检测组件，所述病毒检测组件包括上下并排布置的直波导，相邻上下直波导之间的狭缝区域为狭缝波导，所述狭缝波导宽度尺寸为175nm?225nm，所述狭缝波导的侧壁附着待检测病毒的抗原/抗体，所述狭缝波导为供待检测血液样本流过的检测通道，所述直波导材料的折射率比所述狭缝波导的折射率高。
[0026]进一步，所述传感器还包括传出部分，所述传出部分包括一根总线波导、光电转换模块和信息上传模块，所述狭缝波导的光场信号输出端与所述总线波导连接，所述总线波导与所述光电转换模块连接，所述光电转换模块与所述信息上传模块连接。
[0027]更进一步，所述直波导有m根，m为自然数，且m > 3，狭缝波导有m_l个。该方案中，可以实现m-Ι种不同病毒的同步检测。
[0028]本实施例的检测部分包括病毒检测组件。病毒检测组件由6根直波导组成，波导材料为硅材料，两两直波导之间为狭缝区域，狭缝波导的材料为待检测血液样本，硅的折射率为3.48，血液折射率取值1.46，波导区和狭缝区的折射率差为2.02，直狭缝宽度尺寸在175?225nm之间。血糖检测部分由一根直波导和一个微环波导构成,直波导与微环之间的狭缝区域是一条直线与一个圆弧围成的区域，直线与圆弧之间最短距离位于通过圆弧圆心与直线垂直的直线上，设定直线与圆弧之间的最短距离为50?SOnm之间。检测部分结构如图1-1和图1-2所示。检测部分传感的物理量是直波导与直波导之间的狭缝波导的光场变化。从麦克斯韦方程组出发，求解狭缝波导中的光场分布，如图1-3所示建立坐标系，得出求解狭缝波导中电场分布的理论模型如下:
【权利要求】
1.一种基于狭缝波导的病原体检测传感器，其特征在于:包括检测部分，所述检测部分包括病毒检测组件，所述病毒检测组件包括上下并排布置的直波导，相邻上下直波导之间的狭缝区域为狭缝波导，所述狭缝波导的宽度尺寸为175nm?225nm，所述狭缝波导的侧壁附着待检测病毒的抗原/抗体，所述狭缝波导为供待检测血液样本流过的检测通道，所述直波导材料的折射率比所述狭缝波导的折射率高。
2.如权利要求1所述的基于狭缝波导的病原体检测传感器，其特征在于:所述传感器还包括传出部分，所述传出部分包括一根总线波导、光电转换模块和信息上传模块，所述狭缝波导的光场信号输出端与所述总线波导连接，所述总线波导与所述光电转换模块连接，所述光电转换模块与所述信息上传模块连接。
3.如权利要求1或2所述的基于狭缝波导的病原体检测传感器，其特征在于:所述直波导有m根，m为自然数，且m > 3，狭缝波导有m_l个。
4.如权利要求1或2所述的基于狭缝波导的病原体检测传感器，其特征在于:所述直波导材料的折射率比所述狭缝波导的折射率高2.0以上。
5.如权利要求1或2所述的基于狭缝波导的病原体检测传感器，其特征在于:所述直波导材料为娃材料。
6.如权利要求1或2所述的基于狭缝波导的病原体检测传感器，其特征在于:所述检测部分还包括血糖检测组件，所述血糖检测组件包括一个直波导和一个微环波导构成，所述直波导与微环波导之间的狭缝区域是一条直线与一个圆弧围成的区域，直线与圆弧之间最短距离位于通过圆弧圆心与直线垂直的直线上，设定直线与圆弧之间的最短距离为50?SOnm之间，所述狭缝区域为环形狭缝波导，所述环形狭缝波导为供待检测血液样本流过的检测通道，所述直波导材料的折射率比所述环形狭缝波导的折射率高。
7.如权利要求1或2所述的基于狭缝波导的病原体检测传感器，其特征在于:所述血糖检测组件的一个直波导为所述病毒检测组件的最上或最下的直波导。
【文档编号】G01N21/41GK203405463SQ201320489888
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年8月12日 优先权日:2013年8月12日
【发明者】林宣怀, 李塘, 乐孜纯 申请人:浙江工业大学