本發(fā)明屬傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可保留徑向高階模式的封裝型光微流微腔生物化學(xué)傳感器。

背景技術(shù)：

近些年，光學(xué)微腔傳感器因其超高靈敏度和超低探測極限在生物化學(xué)傳感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。光學(xué)微腔是指尺寸與諧振光波長相比擬的光學(xué)諧振腔，它將光場局域在腔里，令光子在腔內(nèi)多次震蕩，增加了光與物質(zhì)相互作用的次數(shù)。它通過探測腔內(nèi)光學(xué)模式的變化來感知分析物的存在，因此可以用于探測生物分子或者化學(xué)物質(zhì)的濃度。回音壁模式微腔的優(yōu)點(diǎn)是q值高，光子壽命長，光子與分析物的相互作用強(qiáng)，從而在生物化學(xué)傳感中可以獲得更高的探測靈敏度；此外，微腔中回音壁模式的線寬較窄，有利于在傳感中獲得更低的探測極限。

光微流微腔是光學(xué)回音壁模式微腔中一種類型，包括微泡腔和微管腔。它們擁有獨(dú)特的中通結(jié)構(gòu)，可以形成微流通道。微流通道將待測物質(zhì)運(yùn)輸至腔芯中，可以使待測物質(zhì)與露在腔內(nèi)的模場更大程度地相互作用，從而進(jìn)一步提高傳感性能。目前，光微流微腔生物化學(xué)傳感器被認(rèn)為是對核酸、蛋白質(zhì)、病毒等尺度在納米量級的顆粒進(jìn)行研究的有效手段。

一般地，用于傳感的光微流微泡腔和與其耦合的熔錐光纖均暴露在空氣中，因此傳感過程易受外部環(huán)境的干擾。此外，微泡腔和熔錐光纖均與笨重的五維調(diào)整臺相連，不可隨身攜帶，因而無法真正應(yīng)用于實(shí)際的生物化學(xué)傳感應(yīng)用中。為了解決上述問題，多種封裝方式被提出。在這些封裝方式中，光學(xué)微腔和耦合光纖均被完全地包裹在一層低折射率的聚合物中，可以克服外界環(huán)境的干擾并且穩(wěn)定便攜。然而，封裝之前微泡腔外界環(huán)境為空氣，封裝之微泡腔外包裹著一層低折射率聚合物，因此封裝后微泡腔與外部環(huán)境的相對折射率減小，從而引起光在微腔內(nèi)傳播的全反射臨界角度增大，最終導(dǎo)致微腔內(nèi)原本的徑向高階模式在封裝之后消失。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明，光微流微泡腔中的徑向高階模式由于其模場泄露在腔內(nèi)比例更多，可以和腔內(nèi)的溶液物質(zhì)更好地互相作用，因此具有更高的模式靈敏度。然而傳統(tǒng)的全包裹式封裝方法會使微腔中的徑向高階模式消失，因此我們提出一種新的封裝型光微流微腔傳感器，既穩(wěn)固便攜又能保留腔內(nèi)徑向高階模式從而獲得較高的傳感靈敏度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種可保留徑向高階模式的封裝型光微流微腔生物化學(xué)傳感器，以彌補(bǔ)現(xiàn)有的封裝型微腔生物化學(xué)傳感器存在的不足，既保持結(jié)構(gòu)緊湊、受外界震動影響小以及探測極限低等優(yōu)點(diǎn)，還在封裝后繼續(xù)保留腔內(nèi)具有高靈敏度的徑向高階模式。

本發(fā)明提出的可保留徑向高階模式的封裝型光微流微腔生物化學(xué)傳感器，包括：一段熔錐光纖，一個光微流微泡腔，一塊蓋玻片，以及用于封裝固定的紫外膠和低折射率聚合物，如圖1所示。

其中，光微流微腔為回音壁模式微腔，熔錐光纖搭靠在光微流微腔上，熔錐光纖與光微流微腔耦合組成微腔耦合系統(tǒng)，熔錐光纖與光微流微腔的兩端分別由低折射率聚合物和紫外膠固定，從而固定二者耦合的相對位置；蓋玻片覆蓋在微泡光纖耦合系統(tǒng)上方；低折射率聚合物和紫外膠固化后形成屏障，加上蓋玻片的阻隔作用，形成以微腔耦合系統(tǒng)為中心的密閉空間，隔絕了外界環(huán)境中水汽、灰塵、空氣中的污染物以及平臺震動對耦合系統(tǒng)的影響。

本發(fā)明中，微流微腔內(nèi)壁可以涂覆待測物的特異性配體，從而對被測生物樣品進(jìn)行特異性探測。

本發(fā)明中，光微流微腔與熔錐光纖的間隔或者耦合間距為0-1μm之間。

本發(fā)明中，熔錐光纖主要成分為二氧化硅，直徑最細(xì)處為2-5μm。

本發(fā)明中，光微流微腔的主要成分為二氧化硅，直徑為100-500μm，壁厚為2-20μm。

本發(fā)明中，固定熔錐光纖兩端的材料為低折射率聚合物，其折射率在1-1.4之間，可以避免光泄露。

本發(fā)明中，固定光微流微腔兩端的材料主要為紫外膠，通過紫外燈照射固化。

本發(fā)明原理如下：首先，對于回音壁模式的光微流微腔傳感器而言，當(dāng)其腔內(nèi)溶液折射率發(fā)生改變或腔內(nèi)壁上有顆粒吸附時(shí)，會引起回音壁模式諧振波長的位移，并且其部分模式光場會分布于腔芯中，因此光場與物質(zhì)的相互作用很強(qiáng)，易于獲得較高的靈敏度。其次，低折射率聚合物和紫外膠分別用于固定熔錐光纖與光微流微腔的兩端，從而固定二者耦合的相對位置。加上蓋玻片可以形成以微腔為中心的四周密封型穩(wěn)固器件。封裝后的微腔外界環(huán)境仍然是空氣，從而可以保留微腔中的徑向高階模式。熔錐光纖主要成分為二氧化硅，直徑為2-5μm，搭靠在光微流微腔上，用以激發(fā)出微腔中的回音壁模式；光微流微腔的主要成分為二氧化硅，直徑為100-500μm，壁厚為2-20μm；固定光纖兩端的材料主要為低折射率聚合物，折射率在1-1.4之間，可以避免光泄露；固定光微流微腔兩端的材料主要為紫外膠，通過紫外燈照射固化。從熔錐光纖的輸出端可以得到一個或多個光學(xué)回音壁模式的透射譜，如圖2所示。光微流微腔中的徑向高階模式，往往有較高的靈敏度。通過監(jiān)測單個模式諧振波長的位移量或者多個模式諧振波長的相對變化量就可以對待測樣品進(jìn)行傳感探測。

本發(fā)明器件通過監(jiān)測光學(xué)模式諧振波長的位移情況來進(jìn)行傳感，具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、制作工藝簡單以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外，本器件能夠保留耦合微腔中的徑向高階模式，因此具有極低探測極限以及超高靈敏度，在生物化學(xué)傳感領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是可保留徑向高階模式的封裝型光微流微腔生物化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2（a）、（b）、（c）分別為微腔在封裝前、封裝后以及24小時(shí)后的模式透射譜圖。諧振波長均在1550nm附近，微腔中均為空氣。

圖3是對微腔品質(zhì)因子測量結(jié)果。

圖4是測量不同濃度的小分子化合物（生物素d-biotin）溶液引起諧振模式不同的位移量。其中，（a）為0.84pm，和（b）為1.77pm。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明：

實(shí)施例：利用該封裝型光微流生物化學(xué)傳感器對生物分子進(jìn)行特異性識別

1、采用的測量波長在780nm附近。

2、熔錐光纖直徑為3μm，搭靠在微流微腔上，即其耦合間距為0μm。

3、微腔為光微流微泡型微腔，如圖1所示，微腔直徑約為350μm，壁厚為4μm。

4、低折射率封裝材料采用my133聚合物，其折射率為1.33。由于此封裝技術(shù)保持微腔仍處于空氣中，因此可以保留微腔中的徑向高階模式，如圖2所示，由于封裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)固抗干擾，封裝24小時(shí)后的微腔傳感器仍有清晰的模式透射譜。

5、用于傳感的薄壁微腔中的典型諧振模式及其品質(zhì)因子如圖3所示。若采用厚壁微腔進(jìn)行封裝，品質(zhì)因子約為10⁷。

6、采用上述制備的封裝型微腔對小分子化合物（生物素d-biotin）進(jìn)行傳感測試。為了特異性結(jié)合biotin，首先進(jìn)行表面處理，使得微腔內(nèi)表面黏附一層特異性抗體，再分別通入50fg/ml和100fg/ml的biotin溶液，測量諧振模式的位移情況。如圖4所示，兩種濃度的biotin溶液通入微腔中分別引起諧振模式0.84pm和1.77pm的紅移。該生物化學(xué)傳感器亦可用于探測其他的生物分子抗原如hiv病毒表面攜帶的p24蛋白質(zhì)抗原，同樣能達(dá)到極低的探測極限。

7、實(shí)驗(yàn)中，可以采用模式劈裂或者模式差分等自參考技術(shù)對信號的噪聲進(jìn)行抑制，消除外界環(huán)境的影響，進(jìn)一步提高傳感器的探測極限。