消逝场与柔性平板波联合探测生物传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种适用于临床检验、药物筛选、环境、食品检验等领域生物亲和性反应特性检测的消逝场与柔性平板波联合探测生物传感器，它是由光学传感部件和声波传感部件组合而成，在光学传感部件和声波传感部件之间有一可承载被检测物的样品池。采用该生物传感器可在同一试验条件下实现对被测物的多参数测量，极大提高生物反应物理表征的准确度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及适用于临床检验、药物筛选、环境、食品检验等领域生物亲 和反应特性检测的生物传感器，特别是一种可同步探测生物反应结合物质量 和底物折射率、介电常数等物理量变化的生物传感器。
技术介绍
生物亲和的检测不仅仅是局限于生物反应的化学过程，而是根据生物反 应的各种信息，如光、热、场效应和质量变化等来探测生物反应的过程和结 果，与化学方法相比，可大大縮短探测时间。在生物亲和检测中，光学、电 化学和声波等换能方法具有灵敏度高，可实时连续检测等优点，已成为当前 生物传感技术的主流。但迄今为止还没有一种生物传感器是完美的，通常一 种生物传感器基于一种换能原理，只能探测某一物理量的变化，其输出信号 不能充分准确地表征反应物的物理化学性质，因而对分子识别元件的制备均匀性和特异性提出了很高的要求，给使用带来诸多不便；其测试结果特异性 差，有时会出现漏检或假阳性等问题。柔性平板波(Lamb波)或love波等声波传感器主要是探测由于质量变 化所引起的谐振频率或相位的变化，而单位质量的大小与反应层的厚度和密 度直接相关，Sauerbrey方程是以单分子膜沉积为基础推导出来的，由于声 波传感器无法直接测得反应后的分子层厚度，实验中也无法保证抗体涂布一 定是单分子层，因而测试值很难与理论值一致。微悬臂梁阵列的生物传感器 具有极高的灵敏度，且具有可批量制造、无需标记的优点，但与声波传感器 类似的是受温度影响严重，尽管采用双通道补偿，也很难具有良好的一致 性和重现性，对液体样品的探测需要有干燥的过程等。表面等离子共振(SPR)传感器通过光在两个界面传播时形成消逝场以及消逝场在满足一定条件后 在金属表面形成等离子体共振并吸收大量入射光的特性，来研究分子结合的 动力学过程。这种探测方法一个主要的局限性就是无法区分非特异性吸附，SPR入射光谐振角的变化是吸收层厚度和折射率的函数，无法知道吸收层中 是否含有过多的水分或其他非特异性物质，常造成测试结果的偏差较大。基 于衰减全内反射(ATR)的消逝波传感器，通过消逝波的存在把传输光束扩 展至包层介质中，包层区的吸收使内部全反射波的振幅减小。去掉光纤原有 包层而以具有吸收介质的被测介质代替，作为传感系统的敏感元件(探测区 域)，传输光束的振幅衰减直接反应被测介质的特性(如折射率、浓度等)， 可通过测量光通过时的功率衰减得知被测介质的浓度等。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种能同步探测生物反应结合物质量和底物折射 率、介电常数等物理量变化的消逝场与柔性平板波联合探测生物传感器。采 用该生物传感器可在同一试验条件下、实现生物亲和性的同步声光互补检 测。本专利技术消逝场与柔性平板波联合探测生物传感器，是由光学传感部件和 声波传感部件组合而成，所述的光学传感部件是一两端设置在光纤支架上的 导光纤维；所述的声波传感部件是由硅薄膜、铺设在硅薄膜底面上的铝地层， 铺设在铝地层底面上的氮化铝压电薄膜和铺设在氮化铝压电薄膜外表面上 的叉指形电极构成；光纤支架固置在硅薄膜上，由光纤支架和硅薄膜中部凹 缺面之间围成一可承载被检测物的微流体槽，并使导光纤维之裸纤传感部分 处在该微流体槽中。使用方法及工作原理采用本传感器工作时，对于Lamb波传感元件， 信号处理模块发出交变电压信号驱动叉指换能器，使其与导电地层之间的电 压差呈周期性交流变化，工作层为压电薄膜层，交流变化的电压使压电薄膜层产生周期性振动，从而在压电薄膜层上形成了 Lamb波，波动在硅薄膜上 传播，当波动分别传播到叉指换能器上时被探测到并传回信号处理模块进行 信号处理，因为柔性平板波中的波动包含许多与薄膜中的特性相关的信息， 其中包括薄膜的谐振频率、幅值和相位，所以我们可以通过从信号处理模块 中分离信息来得到薄膜的谐振频率、幅值和相位。其传感区表面进行表面修 饰、固定抗体，当被测物与分子识别元件特异性地结合后，所产生的质量变 化将使薄膜的谐振频率、幅值和相位等发生变化，所以我们可以通过测量和 处理柔性平板波中的信息来得到薄膜的质量变化量，从而得到待测物的浓 度。对于光纤消逝场传感元件， 一定强度为/的光束从光纤一端耦合到光纤 中传播，位于微流体通道中的光纤敏感区除掉包层而使纤芯裸露出来，待测 物质包被光纤则消逝波透过界面会透射到待测物质中，光波与待测物质作用 发生吸收，引起消逝场能量的损耗A/，经光纤传输出来的光强减弱变为 /=/-A/。当被测物与分子识别元件特异性地结合后，反应物溶液中的抗原 减少，浓度降低，介电常数发生变化，介电常数的改变引起消逝波穿透深度 的改变，且浓度改变后，待测物质中被测物粒子的多少也会发生变化，根据 朗贝尔定律光子与被测物质碰撞的机会相应的增大或减小，进而使A/产生变 化。通过监视光纤输出光强/的变化，推算A/的多少，进而得到被测物质浓 度的大小。由于本专利技术生物传感器同时具有光学传感和声波传感元件，并在两传感 元件间形成一可承载被检测物的微流体通道，因而保证了两传感元件所获取 感知信息的被检生物反应实验条件的一致性和同步性。采用本专利技术生物传感 器可实现对被测物的多参数测量，极大提高生物反应物理表征的准确度。附图说明图1是本专利技术生物传感器结构的主视示意图； 图2是本专利技术生物传感器结构的俯视示意图3是图1所示的A向视图。 具体实施例方式以下就附图给出的实施例对本专利技术生物传感器结构作进一步详细描述。参照图1， 一种消逝场与柔性平板波联合探测生物传感器，是由光学传感部件和声波传感部件组合而成，所述的光学传感部件，是一两端设置在光纤支架5上的导光纤维1;所述的声波传感部件，是由一硅薄膜4和在硅薄膜4的底面上通过磁控溅射工艺溅射一层铝地层6、再在铝地层6上溅射一层氮化铝而形成的氮化铝压电薄膜7，在氮化铝压电薄膜7外表面上铺设的叉指形电极8而构成；光纤支架5固置在硅薄膜4上，由光纤支架5和硅薄膜4中部凹缺面之间围成一可承载被检测物的微流体槽3，并使导光纤维1之光纤传感部分2处在该微流体槽3中。本专利技术具体的制作工艺大体上可分为以下三个步骤1. 光学传感部件的制作1) 光纤的选择。为了保证传感器的具有比较高的使用寿命，因此要求 所选光纤的纤芯有较高的强度和韧度。纤芯折射率的大小直接影响到传感器 的测量范围，根据被测对象折射率的大小，进行纤芯折射率的选择。2) 光纤的固定。选定好光纤后，首先剥去合适长度的保护层，。光纤裸 露的长度(传感部分长度)和传感器的灵敏度有着直接的关系，采用理论与 实验相结合的方法确定其最优长度，从而光纤固定支架的尺寸也就随之确定 下来，最后将光纤固定于光纤支架上。3) 光纤的进一步加工。用氢氟酸对固定于光纤支架上光纤的传感部分 进行腐蚀。在腐蚀至所需的直径后，对纤芯进行清洗处理。2. 声波传感部件的制作1) 硅薄膜的制备。取一硅片，利用二氧化硅作为掩模，用湿法腐蚀或ICP工艺制备硅薄膜。2) 地层的制备。采用磁控溅射工艺在硅片上溅射一层铝作为地层。3) 压电薄膜的制备。在铝地层上溅射一层氮化铝压电薄膜。4) 在压电薄膜的上制备叉指电极。3.光纤消逝场传感部分和Lamb波传感部分的组装由于腐蚀后的光纤 传感部分很容易断开，Lamb波的传感部分的薄膜也极易受到破坏，因此这 一步也是关键的一步。组装方法主要有两种，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消逝场与柔性平板波联合探测生物传感器，其特征是由光学传感部件和声波传感部件组合而成，所述的光学传感部件是一两端设置在光纤支架（５）上的导光纤维（１）；所述的声波传感部件是由一硅薄膜（４）和在硅薄膜（４）的底面上铺设一层铝地层（６），在铝地层（６）上再铺设一层氮化铝压电薄膜（７），在氮化铝压电薄膜（７）外表面上铺设叉指形电极（８）而构成；光纤支架（５）固置在硅薄膜（４）上，由光纤支架（５）和硅薄膜（４）中部凹缺面之间围成一可承载被检测物的微流体槽（３），并使导光纤维（１）之光纤传感部分（２）处在该微流体槽（３）中。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴一辉，李锋，郝鹏，庄须叶，刘永顺，王淑荣，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]