高通量光波导生物传感芯片制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高通量光波导生物传感芯片，包括光波导阵列和生物检测点阵列，光波导阵列是并行排布的并固定在基底上的多个光波导，生物检测点阵列是沿光波导轴线方向间隔分布的、用于发生特异性生化反应的多个生物检测点；所述生物检测点阵列固化在光波导阵列上或光波导阵列上的隔离层上；光波导两端的端面作为光信号的输入端和输出端；光波导内还可以刻有波导光栅，可提高信噪比。本实用新型专利技术将高通量的生化反应与光波导阵列集成在一起，结构简单，并行获取信息，可实现高通量生物传感。

High throughput optical waveguide biosensor chip

【技术实现步骤摘要】
高通量光波导生物传感芯片
本技术涉及光波导与生物传感芯片

技术介绍
生物传感在生物化学、医疗、环境监测、食品卫生等领域有广泛的应用。生物传感器主要以光或电生理特性或有分子特异性的生物活性物质如酶、蛋白质、微生物、DNA等作为生物探针(敏感元件)，从生化反应物质或光电生理信号等获取生物信息的传感器件。其中的光学生物传感器具有灵敏度高、适应性强的特点，得到了人们的普遍重视。光学生物传感器主要以光生理特性，或用特异性分子与被测生物分子相结合并导致特异性分子光学参量(如折射率)变化，用光电信息技术获取光学参量变化并进而获取生物信息。生物分子具有信息量巨大的特性，要求生物传感器能同时获取大量生物分子的信息即高通量传感。目前已广泛应用的高通量生物传感器主要是基于微阵列压印技术的生物芯片。它是在基底上密集排布生物分子探针而形成生物芯片，用荧光分子标记被传感生物分子后将被传感生物分子与探针相互作用，再通过清洗和检测仪器(如激光共聚焦扫描仪、高灵敏CCD图像扫描仪)获取探针阵列的荧光图像，根据荧光图像分析得到生物分子的相互作用信息。生物芯片需要荧光标记和激光照射而激发荧光，这会影响生物分子的结构和性质，还存在光漂白现象，严重干扰生物分子的相互作用过程。另外，用生物分子探针阵列和表面等离子共振(SPR)成像技术也可进行较高通量的生物分子传感。该方法具有灵敏度高、无需标记的特点，但其传感探针密度(通量)相对于生物芯片而言要低一些。光波导是一种束缚并传导光波的电介质，根据其结构可分为基于衬底的光波导(如平面光波导、矩形或脊形光波导等)和光纤(如圆柱形和D形光纤)。所有光波导均有折射率较高的波导芯和折射率较小的包覆介质(含空气)，具有更高的传感灵敏度和极弱的光漂白效应，可原位获取生物信息。综上所述，现有的高通量生物传感器主要是生物芯片，缺少基于光波导的高通量生物传感器。而生物芯片中的荧光标记和荧光激发将影响生物分子的结构和性质，存在光漂白、检测误差大、难以获取生物分子作用过程的信息等不足。
技术实现思路
针对上述技术的不足，本技术提供了一种高通量光波导生物传感芯片，突破现有技术中依赖荧光标记及激发的限制。本技术利用光波导和生物探针阵列高通量地传感生物分子，其光波不直接作用于生物分子，无需荧光标记，可并行获取信息和在线传感生物分子的作用过程。本技术的高通量光波导生物传感芯片，包括光波导阵列和生物检测点阵列，所述光波导阵列是并行排布且固定在基底上的多个光波导，所述生物检测点阵列中的每一列是沿光波导传光方向间隔分布的、可与被传感生物分子发生特异性生化反应的多个生物检测点；所述生物检测点阵列固化在光波导阵列上或光波导阵列上的隔离层上，各个光波导两端的端面作为光信号的输入端和输出端。进一步地，所述光波导阵列中相邻两光波导之间的优化距离大于5μm。具体地，所述光波导为矩形光波导或D形光纤，矩形光波导埋入或镶嵌在基底上，D形光纤固定在基底上。进一步的，所述矩形光波导的折射率大于基底的折射率。进一步地，在矩形光波导埋入基底时，矩形光波导输入和输出光信号的端面裸露在基底外；矩形光波导镶嵌在基底上时，矩形光波导的上表面、输入输出光信号的端面裸露在基底外。进一步地，在D形光纤固定到基底上时，D形光纤的平面部分、输入输出光信号的端面是裸露的。具体地，所述光波导内部刻写有波导光栅，所述波导光栅是可同向或反向耦合光的波导光栅。进一步地，所述波导光栅的优化结构包括均匀光栅、啁啾光栅、超结构光栅以及相移光栅。具体地，所述生物检测点是具有生物特异性识别功能的生物分子或生物敏感膜，对被传感生物分子具有特异性识别能力。具体地，所述生物检测点直接固化到光波导阵列表面上或光波导阵列上方的隔离层表面上，或通过凹槽或盲孔固化到光波导阵列上或光波导阵列上方的隔离层上；光波导埋入基底时，以基底作为隔离层。进一步地，所述凹槽或盲孔沿传光方向并行间隔排布在所述光波导或基底上。进一步地，同一光波导或基底上相邻凹槽或盲孔间的优化距离大于1μm。具体地，所述光波导的反射光作为输出信号光，此时所述生物检测点与所述光波导的芯的优化距离小于传感光波长的2倍。进一步地，在刻写有反向耦合波导光栅的光波导阵列上，固化的生物检测点与所在光波导的芯的优化距离小于传感光波长的2倍。具体地，所述光波导的透射光作为输出信号光，此时所述生物检测点与所述光波导的芯的优化距离小于传感光波长的100倍。进一步地，在刻写有同向耦合波导光栅的光波导阵列上，固化的生物检测点与所在光波导的芯的优化距离小于传感光波长的100倍。与现有技术相比，本技术具有的优点包括：1、与现有生物芯片中生化反应与信号检测分离不同的是：本技术将生化反应的生物检测点阵列集成到光波导芯片上，结构相对较简单，可在线并行获取信息，生化反应和信号检测可同时进行，提高了检测效率。2、光信号在光波导内传输，不直接作用于生物检测点。3、各光波导上可分布若干生物检测点，各生物检测点可固化不同的特异性识别分子，因此可实现多种或多个生物分子的同时检测，满足高通量检测的要求。4、光波导内还可刻写波导光栅，提高信噪比；生物检测点可通过凹槽和盲孔固化到光波导芯上，提高灵敏度。附图说明图1是具体实施方式1的高通量光波导生物传感芯片的结构示意图。图2是具体实施方式1的高通量光波导生物传感芯片结构的俯视图。图3是光波导完全镶嵌入基底时的高通量光波导生物传感芯片的正视图。图4是具体实施方式2的高通量光波导生物传感芯片的结构示意图。图5是具体实施方式3的高通量光波导生物传感芯片的结构示意图。图6是具体实施方式4的高通量光波导生物传感芯片的结构示意图。图7是部分光波导镶嵌入基底时的光波导阵列结构的正视图。图8是光波导在基底表面时的光波导阵列结构的正视图。图9是具体实施方式5的高通量光波导生物传感芯片的结构示意图。图10是光波导埋入基底时的高通量光波导生物传感芯片的正视图。图11是具体实施方式6的高通量光波导生物传感芯片的结构示意图。图12是D形光纤侧平面与光纤芯相交时的D形光纤结构示意图。图13是D形光纤侧平面与光纤芯分离时的D形光纤的结构示意图。图14是具体实施方式7中单根D形光纤的结构示意图。图15是单根D形光纤内写有波导光栅时的截面示意图。具体实施方式为了使本技术更易于理解，现对本技术的相关原理及传感方法说明如下：生物检测点阵列固化在光波导阵列上后就成为了光波导的组成部分，生物分子与生物检测点阵列的相互作用导致生物检测点处的折射率变化，进而改变光波导的有效折射率分布，调制输出光信号的幅值和相位量；由输出光信号的幅值和相位量重构出光波导内有效折射率分布的变化，即可确定生物分子与生物检测点(探针)相互作用的大小和位置。在以下各本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高通量光波导生物传感芯片，其特征在于：包括光波导阵列和生物检测点阵列，所述光波导阵列是并行排布且固定在基底上的多个光波导，所述生物检测点阵列中的每一列是沿光波导传光方向间隔分布的、可与被传感生物分子发生特异性生化反应的多个生物检测点；所述生物检测点阵列固化在光波导阵列上或光波导阵列上的隔离层上，各个光波导两端的端面作为光信号的输入端和输出端。/n

【技术特征摘要】
1.一种高通量光波导生物传感芯片，其特征在于：包括光波导阵列和生物检测点阵列，所述光波导阵列是并行排布且固定在基底上的多个光波导，所述生物检测点阵列中的每一列是沿光波导传光方向间隔分布的、可与被传感生物分子发生特异性生化反应的多个生物检测点；所述生物检测点阵列固化在光波导阵列上或光波导阵列上的隔离层上，各个光波导两端的端面作为光信号的输入端和输出端。


2.根据权利要求1所述的高通量光波导生物传感芯片，其特征在于：所述光波导是埋入或镶嵌到基底的矩形光波导，或是固定到基底的D形光纤。


3.根据权利要求2所述的高通量光波导生物传感芯片，其特征在于：所述矩形光波导的折射率大于基底的折射率。


4.根据权利要求1所述的高通量光波导生物传感芯片，其特征在于：所述光波导内部刻写有可同向或反向耦合光的波导光栅，所述波导光栅的优化结构是均匀光栅、啁啾...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥楷，尹强，刘红燕，雷健，刘俊熙，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：新型
国别省市：重庆;50