一种基于SOI的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法

本发明涉及利用光学手段检测葡萄糖，特别是涉及一种基于soi的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法。

背景技术：

1、绝缘体上硅(soi)波导是一种三层型材料结构，最下面一层是硅衬底层，中心一层是2μm~3μm厚的sio2层，最上面一层则是硅波导层。sio2层和硅波导层共同构成了脊型波导结构。由于sio2层和si层之间的高折射率差，为光束的限制提供了很好的条件，基于soi材料的光传感器因为其集成化高、体积小等优势，在生物传感领域非常具有前景。

2、酶传感器是将生物蛋白酶分子固定在结构表面构成活性生物分子膜，利用酶与目标物质之间的选择性高效催化，对目标物质的生化反应信息进行收集并转化为可分辨的信号。因为硅的物理化学特性较为稳定，通常情况下很难将有机生物分子链接到结构表面，所以在加工好的硅基微纳结构表面形成具有一定功能的分子膜层是构成生物传感器敏感单元的关键步骤。在葡萄糖传感领域，目前主流的方法是使用葡萄糖氧化酶(god)来修饰传感器进而实现葡萄糖的特异性检测，主要的方法有god包覆电极进行电化学检测方法和利用god包覆光纤布拉格光栅(fbg)进行光学检测方法。电化学传感方法是使用金属电极和god结合，通过氧化还原反应来产生电信号，间接地测量葡萄糖浓度，但是，电化学检测方法具有抗电磁干扰弱、成本较高以及无法克服人体生物电的影响等缺点；fbg传感方法是通过与包覆god的包层发生反应后，芯层的有效折射率会发生变化从而引起光栅中心波长的变化，通过光谱仪观察中心波长的偏移来实现对葡萄糖的实时检测，但这种方法较为繁琐，笨重的检测设备不方便携带。因此探索一种低成本、易携带、集成度高的葡萄糖传感器就显得尤为重要。

3、本发明要解决的关键问题就是克服上述电化学和光学方法的缺点，通过基于soi材料与微流控集成的生物传感器在芯片上实现微流控制，实现对待测样品的快速反应等操作，以简单有效地获得葡萄糖水平的波动情况；通过将跑道型微环谐振器和阵列波导光栅结合实现对所检测光信号的解调处理，获得低成本、小体积、灵敏度更高的光电-微流控集成的葡萄糖传感器是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是，提出一种基于soi的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法，该传感器集成度高、灵敏度高、特异性强且易于检测，能有效检测葡萄糖浓度。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种基于soi的跑道型微环葡萄糖传感器，所述传感器包括粘合层、微流通道层和光子芯片；所述粘合层、微流通道层和光子芯片三层结构密封键合；所述微流通道层上设置有微流通道、储液池和流阻；

4、所述光子芯片包括多模干涉(mmi)耦合器、至少一个跑道型微环谐振器、1×8阵列波导光栅和光电探测器，所述储液池和所有跑道型微环谐振器全部接触；

5、每个跑道型微环谐振器的谐振波长均位于1×8阵列波导光栅的两个相邻通道之间，且不能超过1×8阵列波导光栅所解调的波长范围；

6、所述跑道型微环谐振器包括输入/输出波导、反射波导、跑道型环波导，输入/输出波导和跑道型环波导之间存在第一耦合区，跑道型环波导和反射波导之间存在第二耦合区；光信号经过输入/输出波导在第一耦合区和跑道型环波导发生谐振；

7、在输入/输出波导、反射波导、跑道型环波导的周围包裹god上包层，所述god上包层所在区域与微流通道层中的储液池所在位置对应。

8、进一步地，所述粘合层上设置有若干数量的圆形通孔，所述粘合层的圆形通孔分别对应微流通道的各个反应液入口；所述微流通道具有主路和若干与主路连接的支路，微流通道层的反应液入口分别与微流通道的支路连接，微流通道的所有支路连接微流通道的主路，主路同时连接储液池，将反应液集中汇聚到储液池内，所述储液池的出口经流阻连接排样口，所述流阻具有蛇形走线。

9、进一步地，所述跑道型微环谐振器的数量为四个，四个跑道型微环谐振器的结构参数不同，所述输入/输出波导和反射波导相互平行；所述跑道型微环谐振器输出光谱的自由光谱区fsr要大于1×8阵列波导光栅的相邻通道间隔，以免其它中心波长对1×8阵列波导光栅造成串扰而影响测量精度。

10、每个跑道型微环谐振器上跑道型环波导的数量为四个，四个跑道型环波导依次布置，且四个跑道型环波导的中轴线与反射波导平行。

11、进一步地，所述光子芯片的二氧化硅下包层厚度为3µm，折射率为1.45~1.46，光子芯片的波导芯层厚度为220nm，折射率为3.46~3.47；所述god上包层厚度为2µm，god溶液浓度为15mg/ml，折射率为1.3391。

12、进一步地，所述跑道型微环谐振器的跑道型环波导的环半径为4.9μm~5.5μm，粘合层和微流通道层构成微流控模块，微流控模块整体尺寸为1cm×0.5cm，所述储液池形状为矩形，尺寸为2mm×1mm，微流通道的宽度为200µm~500µm，微流通道的深宽比不超过1.5:1，粘合层厚度为0.2mm~0.5mm，微流通道层厚度为1.5mm~2mm，光子芯片厚度为0.75mm。

13、进一步地，所述god上包层的形成过程是：将god与ph=5.5的磷酸盐缓冲液进行混合，制备浓度为15mg/ml的 god溶液；

14、使用硅烷溶液对跑道型微环谐振器表面进行表面修饰改性，形成一层分子膜；

15、配制1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和n-羟基琥珀酰亚胺的交联剂；

16、将交联剂涂在所述分子膜上，再将浓度为15mg/ml的 god溶液在二氧化硅下包层上进行旋涂固化，将跑道型微环谐振器完全包裹，形成god上包层。

17、第二方面，本发明提供一种所述的基于soi的跑道型微环葡萄糖传感器的传感方法，使用所述传感器进行葡萄糖检测，还包括片上光源和信号处理电路；1×2 mmi耦合器的接收端连接片上光源，1×2 mmi耦合器的输出连接跑道型微环谐振器的输入，跑道型微环谐振器的输出经1×2 mmi耦合器连接1×8阵列波导光栅，所述1×8阵列波导光栅用于对不同波长的光进行解调，1×8阵列波导光栅具有八个通道，1×8阵列波导光栅的输出连接光电探测器，光电探测器的输出连接信号处理电路；

18、所述片上光源用于提供光波段为1530nm~1570nm的光信号；

19、所述1×8阵列波导光栅用来接收跑道型微环谐振器反射的光信号并进行解调；

20、所述光电探测器用于将解调的光信号转化为变化的电信号；

21、所述信号处理电路用于根据获得的电信号进行检测，输出葡萄糖浓度的检测结果；

22、待测葡萄糖溶液经粘合层进入微流通道层的储液池内，储液池内的待测葡萄糖溶液与固定god上包层后的跑道型微环谐振器全部接触，片上光源发出光，光信号经过1×2mmi耦合器到跑道型微环谐振器，通过跑道型微环谐振器的光会发生谐振，反射不同中心波长的光，不同中心波长的光经1×2 mmi耦合器输出到1×8阵列波导光栅，经1×8阵列波导光栅的不同通道进行解调，解调后的光信号再由光电探测器将光信号转换为电信号，电信号的变化由信号处理电路进行检测，最终输出待测葡萄糖的浓度。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、本发明采用绝缘体上硅(soi)、微流控、微环谐振器、酶传感、阵列波导光栅解调等技术，将微流控芯片和固定好god的跑道型微环谐振器结合用于特异性检测葡萄糖浓度，后端信号的检测则使用1×8阵列波导光栅、光电探测器以及信号处理电路来进行，显著缩小了光学葡萄糖传感器的尺寸、简化了检测流程、缩短了检测时间、克服了现有光学葡萄糖传感器体积大、检测流程复杂、操作繁琐以及容易受到环境影响等问题。

25、本发明基于soi材料的跑道型微环葡萄糖传感器的传感方法在实施时，跑道型微环谐振器实现特定波长的光反射，反射的中心波长随葡萄糖浓度的变化而变化，通过1×8阵列波导光栅解调跑道型微环谐振器的中心波长，经光电探测器将光信号转换为电信号，得到输出电信号与葡萄糖浓度的关系，电信号的变化由信号处理电路进行检测，最终输出待测葡萄糖的浓度，在葡萄糖检测方法的研究中，基于soi的跑道型微环葡萄糖检测方法具有集成度高、测量简便、灵敏度高和不易受到人体生物电影响的优点。

26、本发明基于soi材料的跑道型微环葡萄糖传感器以soi材料和微流控集成克服了笨重光学检测仪器的缺陷，同时具有集成度高、特异性高、灵敏度高的优点，在便携式可穿戴生物传感器和健康检测领域有广泛的应用前景。