專利名稱：一種基于二元光學(xué)器件的陣列化表面等離子共振傳感器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于二元光學(xué)器件的陣列化表面等離子共振傳感器芯片，即采用二元 光學(xué)器件實現(xiàn)入射光線的角向匯聚和反射光線準直，從而實現(xiàn)多角度反射光的反射率的檢 測，進一步可以確定共振角。屬于生化傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance, S卩SPR)生物傳感器是通過某種耦合 方式用入射光在金屬和電介質(zhì)的界面上激發(fā)表面等離子波(Surface Plasmon Wave,即 SPW)來實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的。以棱鏡耦合結(jié)構(gòu)為例，當入射光入射到棱鏡與金屬膜的分界 面上時， 一般會發(fā)生全反射，在金屬膜內(nèi)產(chǎn)生的消逝波傳播深度非常有限，全部光能均 反射回棱鏡。然而當入射光的波長與入射角滿足一定條件時，反射光強會大幅度地減弱。 這是因為此時發(fā)生了表面等離子共振，即一部分能量通過金屬膜內(nèi)的消逝波在另一界面， 即金屬與敏感膜(固定有探針分子)的界面上激發(fā)產(chǎn)生了 SPW，或者說消逝波與表面等 離子波發(fā)生了共振。此時對應(yīng)的入射光波長為共振波長，對應(yīng)的入射角為共振角。共振 波長和共振角與敏感膜的介電常數(shù)及厚度有關(guān)。因此當待測生物分子與探針分子發(fā)生相 互作用時，相應(yīng)的共振波長或者共振角就會發(fā)生變化。通過檢測這種變化就可以得到待 測生物分子與探針分子相互作用的信息。由此可以實現(xiàn)特定生物分子的識別、分子濃度 以及分子反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的測定等。SPR傳感器的工作原理決定了這種傳感器與傳統(tǒng)生物檢測手段相比具有明顯的技術(shù) 優(yōu)勢，如可實現(xiàn)實時、動態(tài)、無污染檢測，樣品無需標記和純化，檢測周期短，靈敏度 高等。因此SPR傳感器在疫苗研制、疾病診斷和治療、藥物靶標、藥物開發(fā)、基因測序、 案件偵破、環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢驗以及興奮劑檢測等眾多領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前 景。自從1983年SPR傳感技術(shù)第一次被用于生物檢測領(lǐng)域，作為檢測生物分子相互作用 的一種方法，引起了越來越多國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為生物傳感技術(shù)領(lǐng) 域的研究熱點。有人預(yù)測，在不久的將來，SPR傳感器必將成為生物檢測領(lǐng)域最重要的 技術(shù)。目前SPR傳感器采用的結(jié)構(gòu)包括衍射光柵結(jié)構(gòu)、光學(xué)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、光纖耦合結(jié)構(gòu)以及 棱鏡耦合結(jié)構(gòu)等。其中，棱鏡耦合結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，特別是與其它結(jié)構(gòu)比較，棱鏡耦合結(jié)構(gòu)的靈敏度最高，因此被廣泛采用。然而，這種結(jié)構(gòu)也存在一些 明顯的不足結(jié)構(gòu)松散，體積較大，不易小型化；如直接在棱鏡表面制備傳感薄膜，則 每次檢測都需更換棱鏡，從而增加檢測成本；如將傳感薄膜制備于玻璃基片，再用光學(xué) 匹配液將傳感基片與棱鏡粘合，則又會增加操作難度；這種結(jié)構(gòu)存在多處機械界面，對 機械調(diào)節(jié)的精度要求很高；同時單通道結(jié)構(gòu)還存在檢測效率低、檢測精度差等缺點。這 就需要對SPR傳感器的結(jié)構(gòu)進行研究，實現(xiàn)SPR傳感系統(tǒng)的小型化、便攜化、多通道陣 列化和易用化；同時應(yīng)該設(shè)法降低檢測成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而且采用的結(jié)構(gòu)應(yīng)該 便于批量生產(chǎn)。針對被廣泛采用的棱鏡耦合結(jié)構(gòu)SPR傳感器存在的不足，本發(fā)明提出一種基于二元 光學(xué)器件的陣列化表面等離子共振傳感器芯片。具體來講，就是用一個集成有兩組二元 光學(xué)器件、鏡面反射膜(可選)和傳感膜陣列的SPR傳感芯片替代傳統(tǒng)的棱鏡、聚焦光 路、玻璃基片以及傳感薄膜。這種芯片的工作原理與棱鏡耦合結(jié)構(gòu)相似，采用這種結(jié)構(gòu)， 既能保持棱鏡耦合SPR傳感器高靈敏度的特點，又彌補了棱鏡耦合結(jié)構(gòu)存在的缺陷。采 用集成化的傳感芯片，可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化；而且避免了原有的機 械界面，便于調(diào)節(jié)使用；傳感芯片可以使用有機材料一次成型，便于批量生產(chǎn)，并且芯 片成本也隨之降低；這種結(jié)構(gòu)便于實現(xiàn)多通道、陣列化檢測，提高檢測效率，如果引入 參考通道，還可以提高特異性檢測的靈敏度?？傊?，這種新穎的集成化結(jié)構(gòu)具有明顯的 技術(shù)優(yōu)勢，而且符合SPR傳感系統(tǒng)小型化、儀器化的發(fā)展趨勢。在專利CN01813173.5中也涉及到相關(guān)的發(fā)明內(nèi)容，但是專利CN01813173.5采用的 是衍射光柵作為光學(xué)聚焦和光學(xué)準直元件，而本發(fā)明使用的是二元光學(xué)元件。跟專利 CN01813173.5中所使用的衍射光柵相比，本發(fā)明采用的二元光學(xué)元件由于采用了臺階刻 蝕結(jié)構(gòu)，因此具有更高的衍射效率，從而能夠更好的避免光強在芯片內(nèi)部的損失，減少 雜散光帶來的背景噪聲，以達到降低檢測誤差的目的。因為二元光學(xué)元件是一種純相位 衍射光學(xué)元件，為得到高衍射效率，可制備成多相位臺階刻蝕的結(jié)構(gòu)。如果相位階數(shù)為L，其衍射效率為/7Hsin(;)/2卩。由此計算，當L-2、 4、 8和16時，分別有7=40.5%、81%、 94.9%和98.6%。利用亞波長微結(jié)構(gòu)及連續(xù)相位面型，可達到接近100%的衍射效率。此外，二元光學(xué)器件還有便于復(fù)制的特點。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種基于二元光學(xué)器件的表面等離子共振傳感器芯片。芯片基底采用透明 光學(xué)介質(zhì)，可以是光學(xué)玻璃，也可以是樹脂材料。在基底上集成有兩組二元光學(xué)器件、鏡面反射膜(可選)和傳感膜陣列。二元光學(xué)器件在功能上都相當于柱面透鏡或柱面反射鏡， 其設(shè)計和制作可以按照二元光學(xué)透鏡理論和工藝完成。第一組二元光學(xué)器件用于入射光線 的角向匯聚，產(chǎn)生多角度入射光束，入射光束經(jīng)基底表面?zhèn)鞲心し瓷浜?，入射到第二組二 元光學(xué)器件；第二組二元光學(xué)器件用于對反射光束進行準直。每組二元光學(xué)器件可以包還 多個單元，每個單元可以產(chǎn)生一束多度角度入射光或者對一束多角度反射光進行準直。準 直后的光束可以直接用于共振角的檢測。該傳感芯片可用于表面等離子共振傳感系統(tǒng)。由 于傳感器芯片采用二元光學(xué)器件實現(xiàn)光束的角向匯聚和光束準直，因此傳感膜可以采用陣 列化結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了表面等離子傳感器的陣列化、多通道檢測。芯片基底的形狀可以是梯形柱狀(或三角形柱狀)和平板狀。二元光學(xué)器件，可以是透射 式的，也可以是反射式的，反射式的二元光學(xué)器件的背光面需要制備反射膜。第一組二元 光學(xué)器件產(chǎn)生的多角度入射光束可以直接入射到傳感膜陣列，也可以經(jīng)過基底另一表面的 反射膜反射后再入射到傳感膜陣列；傳感膜陣列反射后的光束可以直接入射到第二組二元 光學(xué)器件，也可以經(jīng)過基底另一表面再次反射后入射到第二組二元光學(xué)器件。上述兩組二元光學(xué)器件，透射式二元光學(xué)器件可以用柱面透鏡代替，反射式二元光學(xué) 器件可以用柱面反射鏡代替。


附圖中，1——芯片基底，2——二元光學(xué)器件，3——傳感薄膜陣列，4——反射膜， 5——柱面透鏡。圖1是平板狀基底芯片結(jié)構(gòu)示意圖。圖l (a)中，入射光線經(jīng)過第一組二元光學(xué)器件直接匯聚于傳感薄膜陣列，經(jīng)傳感薄膜反射后，到達第二組二元光學(xué)器件，準直后出射。 圖1 (b)中，入射光線經(jīng)過第一組二元光學(xué)器件到達反射膜發(fā)生反射，然后匯 聚于傳感薄膜陣列；經(jīng)傳感薄膜反射后，到達另一處反射膜反射，然 后到達第二組二元光學(xué)器件，準直后出射。這種結(jié)構(gòu)可以減小芯片厚 度。圖1 (c)和圖1 (a)類似，只是兩組二元光學(xué)器件都是反射式的，在二元光學(xué)器件背光面制備有反射膜。 圖I (d)和圖1 (b)類似，只是兩組二元光學(xué)器件都是反射式的，在二元光學(xué)器件背光面制備有反射膜。 圖l (e)是傳感薄膜陣列在芯片基底表面的結(jié)構(gòu)布局示意圖。 圖2是梯形(或三角形)柱狀基底、光線從梯形(或三角形)柱體側(cè)面入射的芯片結(jié)構(gòu)示意圖。這種結(jié)構(gòu)便于傳感薄膜陣列的多列布局。圖2 (a)中，入射光線經(jīng)過側(cè)面的第一組二元光學(xué)器件直接匯聚于底面的傳感 薄膜陣列，經(jīng)傳感薄膜反射后，到達另一側(cè)面的第二組二元光學(xué)器件，準直后出射。圖2 (b)中，入射光線經(jīng)過側(cè)面的第一組二元光學(xué)器件到達反射膜發(fā)生反射，然后匯聚于傳感薄膜陣列；經(jīng)傳感薄膜反射后，到達另一處反射膜反射，然后到達底面的第二組二元光學(xué)器件，準直后出射。這種結(jié)構(gòu)可 以減小芯片厚度。圖2 (c)是傳感薄膜陣列在芯片基底表面的結(jié)構(gòu)布局示意圖。 圖3是梯形(或三角形)柱狀基底、光線從梯形(或三角形)柱體底面入射的芯片 結(jié)構(gòu)示意圖。這種結(jié)構(gòu)因二元光學(xué)器件分布在底面，便于器件制備。 圖3 (a)中，入射光線經(jīng)過底面的第一組二元光學(xué)器件到達側(cè)面的反射膜發(fā)生 反射，然后匯聚于底面的傳感薄膜陣列；經(jīng)傳感薄膜反射后，到達另 一側(cè)面的反射膜反射，然后到達底面的第二組二元光學(xué)器件，準直后 出射。圖3 (b)與圖3 (a)類似，只是用柱面透鏡代替了二元光學(xué)器件。 圖3 (c)是傳感薄膜陣列在芯片基底表面的結(jié)構(gòu)布局示意圖。圖4是針對圖3 (a)的芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)確定示意圖。圖5是圖4所示芯片底面二元光學(xué)器件及傳感薄膜陣列的分布示意圖。圖6是根據(jù)光程計算波帶半徑的示意圖。圖7是波帶面形結(jié)構(gòu)示意圖。 具體實施方案下面以圖3 (a)所示的芯片為例，說明芯片參數(shù)的確定方法。光學(xué)芯片設(shè)計為基底材料為K9玻璃的梯形柱狀芯片，具體形狀如圖4所示。假設(shè)希 望在敏感膜上的入射角范圍是68度一78度，中心光線的入射角為73度；每組二元光學(xué)器 件包括兩個單元，每個單元相當于一個柱面透鏡。相應(yīng)的底面圖如圖5所示。 1.芯片幾何參數(shù)確定首先需要確定芯片的外形參數(shù)。這些參數(shù)包括基底的底角、下底寬度、最小厚度、 深度(即柱體長度)、每組二元光學(xué)器件的寬度和位置等。由于希望在敏感膜上的入射角范圍是68度一78度，中心光線的入射角為73度，因此根據(jù)反射原理可知，基底的底角sl應(yīng)該為中心光線入射角的一半，即36.5度，角s2應(yīng)為17度。如圖4所示，要使光線分別在敏感膜N1和N2處匯聚，二元光學(xué)器件的虛焦點必須 分別落在Pl和P2的位置，Pl和P2分別為Nl和N2關(guān)于反射膜的鏡像。如果設(shè)定二元光學(xué)器件0,處的第一單元半寬度O,Zl = r，各參數(shù)可以有下列方法確定:C^P1 ="cot(5°)，(此為二元光學(xué)器件第一單元的焦距)O,Ql = 0!P1 * sin(s2) / (sin(s2)+l)，MO尸ChQl * cot(sl)，(由此確定二元光學(xué)器件第一單元的位置) MN1 = MO! + 0Q1 * cot(s2)，(由此確定傳感薄膜Nl列的位置)基底最小厚度為Hmin = (ChPl* tan(5。)+MO0/(tan(5。)+cot(s1))，事實上，基底最小 厚度只是能夠滿足基底側(cè)面反射膜的布局。在此基礎(chǔ)上，可以增加基地厚度，直至基底變 為三角形柱體。為了能夠通過光學(xué)掃描方式實現(xiàn)對多個通道的檢測，可使020,-r，這樣就有-M02= MCh - 2 * r，(由此確定二元光學(xué)器件第二單元的位置) 02Q2 = M02 *tan(sl)，02P2 = 02Q2 *(1+ 1/sin(sl))，(此為二元光學(xué)器件第二單元的焦距) MN2 = L2 + 02Q2 * cot(s2)，(由此確定傳感薄膜N2列的位置)如果希望N2處的入射角范圍也是68度一78度，則二元光學(xué)器件第二單元的半寬度應(yīng) 該為r'二02P2承tan(5。).考慮到基底左右兩側(cè)的對稱性，第二組二元光學(xué)器件的布局和第一組關(guān)于垂直中心線 對稱，而且基底底邊的寬度應(yīng)該為MN1+MN2。 2. 二元光學(xué)器件波帶半徑和面型參數(shù)的確定約定下面的描述中，符號[AB]表示A、 B兩點之間的光成差，IABI表示A、 B兩點之間 的幾何距。波帶半徑的確定對于平行光入射的情況，如圖6所示，Z軸為二元光學(xué)某一單元垂直于基底底面的中 心線，Y軸為基底底面垂直于刻蝕條紋的一條直線。根據(jù)菲涅耳透鏡原理，有下式成立[pmo'] w;i a)其中，m為波帶序號[，="W| (2)[W] = "|W| (3)其中，n為材料的折射率其中，；為第m個波帶的波帶半徑設(shè) (5)將(2)、 (3)、 (4)、 (5)代入(1)，得 "A,2 +/'2 = n/' + w義，整理后可得/-m2 =4(2w/W_ + m2A2) = 4(2wA/ +附2義2) (6)式中/ = "/'。由(6)可以確定二元光學(xué)器件單元的波帶半徑^。波帶面形的確定如圖7所示，x軸為底面垂直于刻蝕條紋的方向，y軸為垂直于基底底面的二元光學(xué)單 元中心線。根據(jù)菲涅耳透鏡原理，在第w個波帶處有下式成立[尸W],W] + (w-l)義 設(shè)6/ + / = "， 5P = i m，且第m個波帶面形上任一點的坐標為(&，A)， r",—,Si^S^，其中，~—,和^分別為該波帶上i^的邊界值)，于是有[，']=,+ , =, +" I WI[^(7] = "| W|=朋 所以第m個波帶的面形方程為& + "V(" - A/h)2 +《=朋+ O (7)則當/^=0時，即可求得波帶的邊界位置=、^^[wa + (w — l)^]2 —1 2 ■—」(8)代入(7)得<formula>formula see original document page 9</formula>—+ —1)A]2} ， =-。為了滿足7 =^_,時，/2 =0，上式中的"土"取減號。于是，d，^)便是[^一,，^]面形區(qū)間上任一點的坐標，根據(jù)上式便能求出面形曲線。有了面型曲線，即可加工制備二元光學(xué)器件。至于每個波帶臺階劃分需要根據(jù)加工工 藝條件來確定。
權(quán)利要求
1.一種基于二元光學(xué)器件的表面等離子共振傳感器芯片；芯片基底采用透明光學(xué)介質(zhì)，在基底上集成有兩組二元光學(xué)器件、鏡面反射膜(可選)和傳感膜陣列；二元光學(xué)器件在功能上都相當于柱面透鏡或柱面反射鏡，其設(shè)計和制作可以按照二元光學(xué)透鏡理論和工藝完成；第一組二元光學(xué)器件用于入射光線的角向匯聚，產(chǎn)生多角度入射光束，入射光束經(jīng)基底表面?zhèn)鞲心し瓷浜?，入射到第二組二元光學(xué)器件；第二組二元光學(xué)器件用于對反射光束進行準直；每組二元光學(xué)器件可以包還多個單元，每個單元可以產(chǎn)生一束多度角度入射光或者對一束多角度反射光進行準直；準直后的光束可以直接用于共振角的檢測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l，其特征在于，傳感器芯片采用二元光學(xué)器件實現(xiàn)光束的角向匯聚和光 束準直，傳感膜采用陣列化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了表面等離子傳感器的陣列化檢測。
3. 權(quán)利要求1所述的芯片基底，形狀可以是梯形柱狀(或三角形柱狀)和平板狀。
4. 權(quán)利要求1所述的兩組二元光學(xué)器件，可以是透射式的，也可以是反射式的，反射式的 二元光學(xué)器件的背光面需要制備反射膜。
5. 權(quán)利要求1所述的芯片結(jié)構(gòu)，第一組二元光學(xué)器件產(chǎn)生的多角度入射光束可以直接入射 到傳感膜陣列，也可以經(jīng)過基底另一表面的反射膜反射后再入射到傳感膜陣列；傳感膜 陣列反射后的光束可以直接入射到第二組二元光學(xué)器件，也可以經(jīng)過基底另一表面再次 反射后入射到第二組二元光學(xué)器件。
6. 權(quán)利要求1、 2、 4、 5所述的兩組二元光學(xué)器件，透射式二元光學(xué)器件可以用柱面透鏡 代替，反射式二元光學(xué)器件可以用柱面反射鏡代替。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于二元光學(xué)器件的表面等離子共振傳感器芯片，屬于生化傳感器技術(shù)領(lǐng)域。芯片基底采用透明光學(xué)介質(zhì)，在基底上集成有兩組二元光學(xué)器件、鏡面反射膜(可選)和傳感膜陣列。二元光學(xué)器件在功能上都相當于柱面透鏡或柱面反射鏡，其設(shè)計和制作可以按照二元光學(xué)透鏡理論和工藝完成。第一組二元光學(xué)器件用于入射光線的角向匯聚，產(chǎn)生多角度入射光束，入射光束經(jīng)基底表面?zhèn)鞲心し瓷浜?，入射到第二組二元光學(xué)器件；第二組二元光學(xué)器件用于對反射光束進行準直。每組二元光學(xué)器件可以包括多個單元，每個單元可以產(chǎn)生一束多度角度入射光或者對一束多角度反射光進行準直；準直后的光束可以直接用于共振角的檢測。
文檔編號G01N33/50GK101576491SQ200810053048
公開日2009年11月11日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者劉國華, 平 姜, 維 張, 李智梁, 楊鍶毅, 牛文成, 程 王, 邱佳楨, 靳昊宇 申請人:南開大學(xué)