一种高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器的制作方法

本发明涉及生物传感器领域，特别是涉及一种高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器。

背景技术：

1、光子晶体是一种高低折射率介质呈周期性排列的材料，光子晶体的最大特点是具有光子禁带，落在禁带内的电磁波被禁止传播。如果在周期性结构中引入适当的缺陷，则会在光子禁带中产生缺陷模，形成光子晶体谐振腔。由于一维光子晶体的制作成本较低，因此一维光子晶体，特别是一维光子晶体谐振腔受到了人们的广泛关注。

2、谐振式硅基光学生物传感技术已广泛应用于多种疾病相关的核酸、蛋白等标志物的检测中。通过表面探针修饰，可特异性检测不同种类的肿瘤标志物。目前常用的谐振式硅基光学生物传感主要包括环形谐振腔、干涉仪、表面等离子体共振传感和光子晶体等，该类生物传感器目前主要存在的共性问题为：一、溶液中吸收损耗较大，传感器分辨率、透射率不高；二、自由光谱范围小，不易集成，只能针对单一检测物进行传感检测。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，用于解决现有技术中传感器分辨率、透射率不高，以及自由光谱范围小、只能针对单一检测物进行检测的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，所述传感器以soi材料为基材，所述传感器包括串联连接的换能器和滤波器，所述换能器为于soi材料的顶层硅层构建的脊形波导i；所述脊形波导i中沿光传播方向设有一列中心对称的孔径呈依次渐变的圆孔形成的圆孔阵列i，所述滤波器为于soi材料顶层硅层构建的脊形波导ii，所述脊形波导ii中沿光传播方向至少设有一列半径相同的圆孔形成的圆孔阵列ii。

3、本发明的实施方式中，所述圆孔阵列i中的圆孔孔径由中心向两侧依次线性递减。

4、本发明的实施方式中，所述圆孔阵列i中呈中心对称的圆孔对数有n对，其中n≥1。

5、本发明的实施方式中，所述圆孔阵列i中的圆孔与圆孔阵列ii中的圆孔均为在厚度方向上贯穿soi材料中的顶层硅层的通孔。

6、本发明的实施方式中，所述脊形波导i中沿光传播方向还设有在厚度方向上贯穿soi材料中的顶层硅层的狭缝。

7、本发明的实施方式中，所述狭缝宽度为30～50nm。

8、本发明的实施方式中，所述狭缝连通圆孔阵列i中的所有圆孔。

9、本发明的实施方式中，所述圆孔阵列ii中，圆孔半径r为80～100nm，圆孔个数为30个，相邻圆孔的孔间距为350～450nm。

10、本发明的实施方式中，所述圆孔阵列ii中，自阵列两末端延伸分别对称设有多个孔径依次递减的过渡孔。

11、本发明的实施方式中，阵列两末端的过渡孔的个数分别为三个，三个所述过渡孔的孔半径为r(n)，所述r(n)按公式(1)计算，

12、所述公式(1)为：

13、其中，n＝1，2或3；nmax＝3；r为圆孔阵列ii中阵列中心处圆孔的半径。

14、本发明的实施方式中，所述传感器的上方设有微流控芯片，适于生物溶液样本的运送。

15、本发明的实施方式中，所述传感器溶液检测下限达fg/ml量级。

16、本发明的实施方式中，所述传感器折射率检测下限低至10-5量级。

17、本发明的实施方式中，所述传感器折射率检测下限llod按公式(2)计算，

18、所述公式(2)为：

19、其中，λ表示基模谐振峰波长，snr表示信噪比，q表示品质因子，σspect-res表示光谱仪分辨率方差，r表示传感器分辨率，s表示传感器灵敏度。

20、如上所述，本发明的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，具有以下有益效果：

21、本发明的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器通过串联换能器和滤波器形成单路传感器，在换能器的波导中设计中心对称的圆孔形成的圆孔阵列i，在滤波器的波导中设置半径相同的圆孔形成的圆孔阵列ii，得到分辨率、透射率高的传感器；本发明的传感器结构为并行集成传感器提供了可行性方案，通过构建生物传感器阵列，可用于多个肿瘤标志物的同时检测。在本发明优选方案中，在换能器的波导中心引入一狭缝，能够使的生物溶液与光场充分交互作用，提升换能器的灵敏度。

22、本发明的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器中，在换能器串联的滤波器中的圆孔阵列ii两端设置过渡孔，然后利用其光子晶体的禁带特性，将除换能器基模谐振峰之外的高阶模式谐振峰滤除，形成单谐振峰传感，使传感器具备大自由光谱范围。

23、本发明的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器在溶液环境中检测下限达fg/ml量级。

技术特征：

1.一种高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，其特征在于，所述传感器以soi材料为基材，所述传感器包括串联连接的换能器和滤波器，所述换能器为于soi材料的顶层硅层构建的脊形波导i；所述脊形波导i中沿光传播方向设有一列中心对称的孔径呈依次渐变的圆孔形成的圆孔阵列i，所述滤波器为于soi材料顶层硅层构建的脊形波导ii，所述脊形波导ii中沿光传播方向至少设有一列半径相同的圆孔形成的圆孔阵列ii。

2.如权利要求1所述的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，其特征在于，所述圆孔阵列i中的圆孔孔径由中心向两侧依次线性递减；

3.如权利要求2所述的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，其特征在于，所述圆孔阵列i中，中心处的圆孔的孔径为100～140nm，边缘处的圆孔孔径为60～100nm，相邻圆孔的孔间距为350～450nm。

4.如权利要求1所述的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，其特征在于，所述脊形波导i中沿光传播方向还设有在厚度方向上贯穿soi材料中顶层硅层的狭缝。

5.如权利要求4所述的肿瘤标志物光子晶体生物传感器，其特征在于，所述狭缝宽度为30～50nm；

6.如权利要求1所述的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，其特征在于，所述圆孔阵列ii中，圆孔半径r为80～100nm，圆孔个数为30个，相邻圆孔的孔间距为350～450nm。

7.如权利要求6所述的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，其特征在于，所述圆孔阵列ii中，自阵列两末端延伸分别对称设有多个孔径依次递减的过渡孔。

8.如权利要求7所述的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，其特征在于，阵列两末端的过渡孔的个数分别为三个，三个所述过渡孔的孔半径为r(n)：

9.如权利要求1所述的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，其特征在于，所述传感器的上方设有微流控芯片，适于生物溶液样本的运送。

10.如权利要求1所述的高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，其特征在于，所述传感器溶液中检测下限达fg/ml量级；

技术总结
本发明提供一种高灵敏肿瘤标志物光子晶体生物传感器，所述传感器以SOI材料为基材，所述传感器包括串联连接的换能器和滤波器，所述换能器为于SOI材料的顶层硅层构建的脊形波导I；所述脊形波导I中沿光传播方向设有一列中心对称的孔径呈依次渐变的圆孔形成的圆孔阵列I，所述滤波器为于SOI材料顶层硅层构建的脊形波导II，所述脊形波导II中沿光传播方向至少设有一列半径相同的圆孔形成的圆孔阵列II；本发明的肿瘤标志物光子晶体生物传感器利用光子晶体的禁带特性，将除换能器基模谐振峰之外的高阶模式谐振峰滤除，使传感器具备大自由光谱范围，在溶液环境中检测下限达fg/mL量级，通过构建生物传感器阵列，可用于多个肿瘤标志物的同时检测。

技术研发人员：史清,赵建龙,冯世伦,颜泽军
受保护的技术使用者：上海前瞻创新研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16