專利名稱：熒光檢測用分岔式單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
熒光檢測用分岔式單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭，屬于電子技術(shù)中的傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及生物傳感技術(shù)。
背景技術(shù)：
生物傳感器在反恐斗爭和保護(hù)人民身體健康中是非常重要的裝備。深受世界各國的關(guān)注，并投入巨大人力物力加以研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對抗生物戰(zhàn)、細(xì)菌戰(zhàn)將是我們面臨的重大課題。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，對可疑生物細(xì)菌的快速檢測是贏得生物戰(zhàn)細(xì)菌戰(zhàn)的關(guān)鍵。即使和平時期，也必須對危害公眾生命安全和身體健康的傳染性細(xì)菌、病毒進(jìn)行快速檢測，防止病毒傳染。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事件時，必須能在現(xiàn)場進(jìn)行快速檢測。尤其是對我們這樣一個幅員廣闊的國家，不可能采取將樣品送中心實驗室由專職技術(shù)人員檢測的方式，這樣將失去寶貴的時間。此外，常規(guī)的細(xì)菌檢測手段，檢測時間太長。因此有必要開發(fā)一種不必接受專門的生物培訓(xùn)的人員均可操作的，能在幾分鐘或十幾分鐘就能對被分析樣品中檢測出是否含有毒品(如可卡因)、炸藥(如TNT)，某種病菌(如碳疽桿菌、大腸桿菌、霍亂病菌、鼠疫桿菌等)。這種設(shè)備對提取物判斷力應(yīng)該很高，且有明確的選擇性。例如為了檢查是否存在霍亂病毒，決不會因樣品中存在其他病菌而誤報。同時該種儀器的原理具有普適性，即可對多種病毒進(jìn)行快速探測；使用不同的探頭和試劑還可以探測毒品、炸藥等。
目前，根據(jù)國內(nèi)外公開發(fā)表的資料，能夠快速而準(zhǔn)確檢測毒品及病菌的生物傳感器的方案可以分為兩種。第一種方案是生物標(biāo)記與光學(xué)結(jié)合的方法，即使用光的能量激發(fā)與生物抗原相結(jié)合的起標(biāo)記作用的抗體試液中的熒光體，根據(jù)熒光體是否發(fā)射熒光，判斷被檢測物中有無相應(yīng)生物抗原的存在。目前，采用該原理的一種商品化實用儀器中采用的是多模塑料光纖作傳感頭，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1至圖4所示。在塑料光纖表面先駐留一層已知抗體，當(dāng)用該塑料光纖檢測含有目標(biāo)抗原的樣品時，抗體俘獲目標(biāo)抗原。再將由熒光體標(biāo)記的抗體試液與塑料光纖接觸，則抗原又與試劑中的熒光體標(biāo)記了的抗體結(jié)合，這樣在多模塑料光纖表面形成了抗體—目標(biāo)抗原—帶熒光體標(biāo)記的抗體的一種夾層結(jié)構(gòu)。在塑料光纖中運(yùn)行的導(dǎo)波光在光纖表面外形成消逝場。消逝場激勵熒光體而發(fā)出波長更長的熒光，熒光耦合入光纖中。沿反方向傳輸?shù)臒晒庥晒怆娞綔y器檢測。探測到光電信號就表示被測樣品中存在目標(biāo)抗原。采用多模塑料光纖作為傳感頭的優(yōu)點是能批量生產(chǎn)，造價低廉，使用方便。這種結(jié)構(gòu)的不足之處是塑料光纖直徑達(dá)幾百微米，消逝場載運(yùn)的能量僅為導(dǎo)波光總能量的極其微小部分，所以激發(fā)效率不高。
對于多模塑料光纖，第v階導(dǎo)模消逝場載運(yùn)的能量百分比為P/Pv=vN2N-2v]]>式中P為v階導(dǎo)模消逝場運(yùn)載的能量，Pv為第v階導(dǎo)模的運(yùn)載的總能量，N為多模光纖可運(yùn)行的模式總數(shù)量，N＝V2。V為多模光纖的V參數(shù)。
V=2πrλn2co-n2cl]]>式中r為光纖半徑，λ為工作波長，nco為纖芯折射率，ncl為包層折射率。多模光纖中共運(yùn)行N個導(dǎo)模，光纖芯徑外消逝場運(yùn)載的總能量為導(dǎo)模總能量的百分比為PPtot=432λ2πrnco2-ncl2]]>如果光纖芯徑為900μm，塑料芯折射率為1.5，光纖被折射率為1.3的試劑液包圍，可以估算出消逝場運(yùn)載的能量百分比僅為5.7×10-4。為達(dá)到有效激發(fā)的目的，必須提高入射光功率，而這樣又使得隨熒光信號進(jìn)入光電探測器的雜散光增強(qiáng)。為提高探測器的信噪比，在吸收雜散光和濾掉雜散光的結(jié)構(gòu)設(shè)計上要求很嚴(yán)。
第二種方案是用光學(xué)的方法檢測由于生物抗原存在而產(chǎn)生的折射率的變化，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖5所示。使用單模平板波導(dǎo)作生物傳感器，在其玻片襯底(48×16mm)上涂敷一層高折射率薄膜，形成平板光波導(dǎo)，在平板光波導(dǎo)的表面用光刻技術(shù)制作光柵，光柵周期Λ≈0.4μm，光柵所占面積2×16mm2。其工作原理是波導(dǎo)表面發(fā)生吸附作用或化學(xué)反應(yīng)時，因波導(dǎo)邊界條件變化而造成導(dǎo)波傳輸常數(shù)發(fā)生改變。當(dāng)波導(dǎo)表面所浸泡的被測溶液中沒有生物抗原時，激勵起導(dǎo)模的耦合入射角為θ1；而當(dāng)該溶液中含有生物抗原時，波導(dǎo)表面吸附被測溶液的折射率發(fā)生變化，使導(dǎo)波的傳輸常數(shù)發(fā)生改變，這時激勵起導(dǎo)波的入射角將變?yōu)棣?。檢測入射角的變化，從而可以確認(rèn)波導(dǎo)表面吸附的被測溶液中是否存在一種生物抗原。但是，有許多因素可以造成波導(dǎo)表面折射率變化從而使耦合角發(fā)生變化。例如，溫度，濃度，液體介質(zhì)的類別不同均可造成折射率變化。因此，使用光柵耦合器將激光束耦合入平板波導(dǎo)，再通過測量耦合角的變化來確認(rèn)波導(dǎo)表面所吸附的溶液中是否含有生物抗原的測量原理，對測試目標(biāo)沒有唯一的對應(yīng)性，容易產(chǎn)生誤報和漏報。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種熒光檢測用單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭。采用本發(fā)明所述的熒光檢測用單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭，在確保檢測準(zhǔn)確率的前提下，可以大大降低對入射激勵光功率的要求，從而提高探測器的信噪比。
本發(fā)明技術(shù)方案為熒光檢測用分岔式單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括光學(xué)玻璃襯底3和平板光波導(dǎo)，平板光波導(dǎo)位于光學(xué)玻璃襯底3的表面，平板光波導(dǎo)的波導(dǎo)區(qū)厚度為6微米左右，以保證單模運(yùn)行。平板光波導(dǎo)由激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)4、熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)5和工作區(qū)6組成；激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)4和熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)5分別與工作區(qū)6相連。工作區(qū)6的形狀為一矩形，其長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度，寬度W約為1000微米左右。激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)4的形狀為一前寬后窄的喇叭形，熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)5的形狀為一前窄后寬的喇叭形，二者之間的距離約為工作區(qū)寬度的一半左右。
所述平板光波導(dǎo)的激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)4其前端寬度為100微米左右，后端寬度為60微米左右；所述平板光波導(dǎo)的熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)5其前端寬度為200微米左右，后端寬度為940微米左右；二者相距數(shù)百微米。
所述平板光波導(dǎo)的工作區(qū)6的長度L約為40-50毫米。
本發(fā)明的工作原理為激勵光從平板光波導(dǎo)的激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)4進(jìn)入工作區(qū)6。由于寬1000μm平板波導(dǎo)口是由寬(W1)60μm的激光輸入波導(dǎo)和寬(W2)940μm的熒光信號波導(dǎo)組成。按集成光學(xué)星型耦合器理論可知，輸入的導(dǎo)波光進(jìn)入寬度為(W1+W2)的平板波導(dǎo)區(qū)，傳輸L距離之后，導(dǎo)波光將均勻分布在寬度為(W1+W2)的平板波導(dǎo)中。L稱之為去相位長度。
L=(W1+W2)2Δn/n]]>式中(W1+W2)為平板波導(dǎo)寬度，n為襯底折射率，(Δn+n)為波導(dǎo)折射率。設(shè)n＝1.5，Δn＝0.008，(W1+W2)為1000μm，可知輸入導(dǎo)波傳輸幾毫米之后均勻分布在平板波導(dǎo)中。光波在波導(dǎo)中傳輸時，光在波導(dǎo)層與包層的界面處發(fā)生全反射，而使光波沿波導(dǎo)層傳輸。光波發(fā)生全反射時，導(dǎo)波場會有少部分滲透到包層中，其電磁場強(qiáng)度隨深入包層的深度而指數(shù)式地衰減。滲透入包層中的光波稱之為消逝波，其電磁場稱之為消逝場。所謂單模平板波導(dǎo)，指的是在波導(dǎo)層中只能建立起場強(qiáng)分布僅有一個峰值的這種模式結(jié)構(gòu)，如圖7所示。
工作時，本發(fā)明所述傳感頭工作區(qū)波導(dǎo)表面預(yù)先采用活化工藝處理，使其表面吸附了一層抗體，如圖8所示。將待測樣品液體與吸附了抗體的平板波導(dǎo)區(qū)表面接觸，如果液體中含有目標(biāo)抗原，則抗體與目標(biāo)抗原結(jié)合，形成抗體—抗原復(fù)合體而附著在波導(dǎo)表面，如圖9所示。如果被測樣品中不含與抗體對應(yīng)的目標(biāo)抗原，則抗體不會與被測樣品中的其他物質(zhì)作用。再將試劑液加到波導(dǎo)表面上去，試劑液含有帶熒光體的抗體，或稱之為熒光標(biāo)記抗體。存在于波導(dǎo)表面的目標(biāo)抗原將俘獲熒光標(biāo)記的抗體，于是在波導(dǎo)表面形成了抗體/目標(biāo)抗原/熒光標(biāo)記抗體的夾層結(jié)構(gòu)，如圖10所示。這一夾層結(jié)構(gòu)緊靠波導(dǎo)層表面，處于強(qiáng)消逝場中，熒光體受到了有效的激發(fā)。熒光體受激勵而發(fā)射出波長比激勵光波長更長的熒光。部分熒光從表面耦合入平板光波導(dǎo)中，沿反方向傳輸?shù)臒晒庥善桨骞獠▽?dǎo)的熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)5輸出。
進(jìn)入熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)5的熒光信號能量比為(W2)/(W2+W1)，可見絕大部分熒光檢測信號進(jìn)入熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)5。熒光檢測信號從200μm的波導(dǎo)口注入到芯徑900μm的塑料光纖，經(jīng)長通濾光片濾除波長635nm半導(dǎo)體激光的雜散光，使剩下的長波長熒光信號投射到光電探測器上，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。半?dǎo)體激光二極管光源以低頻脈沖進(jìn)行調(diào)制，光電信號采取同步探測技術(shù)。出現(xiàn)熒光信號就表明被測樣品中存在目標(biāo)抗原。
采用分岔式單模平板光波導(dǎo)作傳感器的優(yōu)點是1)、消逝場所運(yùn)載的光能占導(dǎo)波總能量可觀的一部分。而多模波導(dǎo)或多模光纖中，消逝場所運(yùn)載的光能僅為導(dǎo)波總能量中很微小部分；2)、平板波導(dǎo)的傳感工作區(qū)面積大。這兩個優(yōu)點使本發(fā)明“熒光檢測用分叉式單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭”的檢測靈敏度較現(xiàn)有技術(shù)有明顯的增高。
本發(fā)明就是以單模平板波導(dǎo)作傳感區(qū)。在單模平板波導(dǎo)中消逝場載運(yùn)的能量為導(dǎo)波總能量的明顯份額，大大提高了激發(fā)效率，因而僅需使用功率更低的入射激勵光束，就能達(dá)到有效地激勵熒光體的目的。采用低功率的激勵光束將提高探測器的信噪比。本發(fā)明由于采用對檢測目標(biāo)具有對應(yīng)選擇性的熒光檢測方法，使得檢測準(zhǔn)確率有足夠的保證。
本發(fā)明所述的熒光檢測用單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭亦可用于探測毒品和爆炸物。
熒光檢測用單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭使用光學(xué)玻璃片基底。制作時在其表面上真空蒸發(fā)一層鋁膜，采用光刻技術(shù)或印刷技術(shù)在鋁膜上作出分岔式波導(dǎo)的圖案。然后用AgNO3/KNO3混合物熔融體作為離子交換源，將玻片浸入該熔融體中進(jìn)行離子交換。玻片上無鋁膜覆蓋的地方，玻片中的Na離子與熔融體中的Ag離子交換，使該區(qū)折射率升高而形成Ag離子交換波導(dǎo)層?？刂迫廴隗w中AgNO3/KNO3的比例、融體溫度、交換時間三個因素就可以作出深度為幾微米的傳輸損耗低的單模波導(dǎo)。離子交換完成之后，去掉玻片表面的鋁膜，進(jìn)行端面拋光。這樣就制作完成單模平板波導(dǎo)熒光檢測生物傳感器。


圖1是現(xiàn)有的模注塑料光纖生物傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1為耦合光學(xué)元件，2為傳感工作區(qū)，D為傳感工作區(qū)寬度，L為傳感工作區(qū)長度。
圖2是模注塑料光纖生物傳感頭表面吸附抗體后的示意圖。
圖3是模注塑料光纖生物傳感頭表面吸附的抗體俘獲目標(biāo)抗原后的示意圖。
圖4是模注塑料光纖生物傳感頭表面吸附的抗體俘獲目標(biāo)抗原后，抗原又與熒光體標(biāo)記了的抗體結(jié)合，形成抗體—目標(biāo)抗原—帶熒光體標(biāo)記的抗體的一種夾層結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖5是現(xiàn)有的光柵耦合平板波導(dǎo)生物傳感頭結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。
圖6是本發(fā)明所述的熒光檢測用單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖。其中，3為光學(xué)玻璃襯底，4為激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)，5為熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)，6為工作區(qū)，W為工作區(qū)的寬度，L為工作區(qū)的長度。
圖7是單模平板波導(dǎo)的模式結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是本發(fā)明所述的熒光檢測用單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭表面吸附抗體后的示意圖。
圖9是本發(fā)明所述的熒光檢測用單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭表面吸附的抗體俘獲目標(biāo)抗原后的示意圖。
圖10是本發(fā)明所述的熒光檢測用單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭表面吸附的抗體俘獲目標(biāo)抗原后，抗原又與熒光體標(biāo)記了的抗體結(jié)合，形成抗體—目標(biāo)抗原—帶熒光體標(biāo)記的抗體的一種夾層結(jié)構(gòu)的示意圖。
權(quán)利要求
1.熒光檢測用分岔式單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭，包括光學(xué)玻璃襯底(3)和平板光波導(dǎo)，平板光波導(dǎo)位于光學(xué)玻璃襯底(3)的表面，平板光波導(dǎo)的波導(dǎo)區(qū)厚度為(6)微米左右；其特征在于，平板光波導(dǎo)由激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)(4)、熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)(5)和工作區(qū)(6)組成；激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)(4)和熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)(5)分別與工作區(qū)(6)相連；工作區(qū)(6)的形狀為一矩形，其長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度，寬度(W)約為1000微米左右；激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)(4)的形狀為一前寬后窄的喇叭形，熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)(5)的形狀為一前窄后寬的喇叭形，二者之間的距離約為工作區(qū)寬度的一半左右。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熒光檢測用分岔式單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭，其特征在于，所述平板光波導(dǎo)的激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)(4)其前端寬度為100微米左右，后端寬度為60微米左右；所述平板光波導(dǎo)的熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)(5)其前端寬度為200微米左右，后端寬度為940微米左右；二者相距數(shù)百微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熒光檢測用分岔式單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭，其特征在于，所述平板光波導(dǎo)的工作區(qū)(6)的長度(L)約為40-50毫米。
全文摘要
熒光檢測用分岔式單模平板光波導(dǎo)生物傳感頭，屬于電子技術(shù)中的傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及生物傳感技術(shù)。由位于光學(xué)玻璃襯底3表面的平板光波導(dǎo)構(gòu)成，平板光波導(dǎo)由分別與工作區(qū)6相連的激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)4和熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)5組成；工作區(qū)6為矩形形狀，其長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度，寬度在1000微米左右；激勵光輸入光波導(dǎo)區(qū)4為一前寬后窄的喇叭形，熒光輸出光波導(dǎo)區(qū)5為一前窄后寬的喇叭形，二者之間的距離約為工作區(qū)寬度的一半左右。本發(fā)明以單模平板波導(dǎo)作傳感頭，采用對檢測目標(biāo)具有對應(yīng)選擇性的熒光檢測方法，在確保檢測準(zhǔn)確率的前提下，可以大大降低入射激勵光的功率，提高探測器的信噪比，使得本發(fā)明的檢測靈敏度較現(xiàn)有技術(shù)有明顯的增高。
文檔編號C12Q1/00GK1885012SQ20061002136
公開日2006年12月27日 申請日期2006年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月11日
發(fā)明者陳錚, 盧亞雄, 周曉軍 申請人:電子科技大學(xué)