波导结构制造技术

公开了一种新颖的单点漏波导结构，用作粒子检测用的光传感器。制造该波导结构以提高从传感器表面延伸的瞬逝场与流动系统的大量溶液中的粒子的交叠，从而使最大量的粒子处于瞬逝场中。增加了瞬逝场与粒子的交叠，并允许光模式沿流的方向传播几毫米，这提供了一种在单流动通道中对多粒子检测的有效识别方法。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及波导结构，并且特别地，但并不排他地，针对于在一种适于作为光学生物传感器的波导结构。
技术介绍
最近，随着具有抗生素抗性的细菌的流行性增加、生物战争和生物恐怖主义的风险逐步增大，在民用和军用方面都更加需要对病原体的出现进行快速而有效的判断。由于光传感器可以根据与生物样本相关的光学性能的改变而对环境进行实时监测，所以使用光传感器进行病原体检测是较好的方法。光传感器通常基于层叠的光波导结构，其中与该结构中存在的光模式相关的瞬逝波(evanescent wave)延伸到包括生物样本的感应层(sensinglayer)中。例如，与病原体的相互作用或结合(binding)引起的样本的折射率的改变会引起该光模式的光学性质的改变，这可以被很容易地检测出来。光波导结构已被用于检测病原体，例如水中的细菌、病毒和毒素。一种这样的光渐逝传感器使用了表面等离子体共振(SPR)现象。此处，该传感器包括电介质棱镜，其中该棱镜的上表面覆盖有金或银的金属薄层，并且在该金属层上布置有包括生物样本的感应层。由检测器监测以比全内反射的临界角度大的角度入射到电介质棱镜的上表面的光。在特定的一个或多个“共振”角处，入射光在金属层中被耦合到电子云的振荡中，并在金属层和棱镜的界面处传播。在检测器处检测到反射光的光量的下降。表面光模式产生瞬逝场(evanescent field)，其延伸进感应层，并对生物样本的折射率的变化敏感。在检测器通过检测诱发共振的角度的变化来检测与样本结合的病原体。因为入射光能诱发共振的角度范围较小，所以基于表面等离子体共振的光传感器的灵敏度通常是受限的。在瞬逝场向感应层的延伸较差、并且要求在生物样本的折射率相对变化较大的条件下检测粒子时，这个问题特别突出。基于表面等离子共振的光传感器的另外的缺点是它们需要偏振光。在国际专利申请No.WO 99/44042中描述了一种解决灵敏度差的问题的方法，该方法依赖于包含“漏”波导结构的光传感器。该基础“漏”波导结构与表面等离子体共振结构的类似之处在于其包括感应层，所述感应层布置在覆盖在透明基板上的金属薄层上。然而，这些层的折射率被选择为使得入射到基板表面上表面的光不会被完全内反射，而是透过金属层而耦合入(并耦合出)在感应层中传播的光模式中。WO 99/44042描述了大量的其它的漏波导结构。一种结构(共振光波导，ROW)包括在高折射率层上提供的感应层，该高折射率层布置在间隔层上，间隔层使其与基板分开。在这种结构中，与共振镜结构类似，入射到基板的上表面的光通过间隔层中的瞬逝场耦合到在高折射率层中支持的光模式中。该光模式自身具有延伸到感应层的相关的瞬逝场。另一种结构(反共振反射光波导，ARROW)包括在高折射率层和感应层之间的附加的间隔层。选择折射率和各层的厚度以通过相长干涉使在漏波导模式中传播的光的反射达到最大，并通过相消干涉使其损耗达到最小。应该理解，因为WO 99/44042的漏波导结构支持集中在感应层的块(bulk)上的光模式(“块”光模式，(“bulk”optical mode))，所以它们提供了比基于支持表面模式的波导更高的灵敏性，WO 99/44042的结构的进一步的优点是对于折射率变化较大的样本，它们在反射光的强度中能够提供更容易观察的峰值，而不是下陷。通过检查因粒子与光模式的相互作用所散射或发射的光，可以提高对颗粒性病原体(particulate pathogens)的检测的灵敏度。国际专利申请No.WO 01/42768描述了利用表面等离子体共振通过光的散射或发射来检测粒子。因为这样的事实在感应层中瞬逝场的延伸很浅(大约100nm到250nm)，因此只与粒子块的一小部分(例如细菌(直径大约1μm))相交叠，所以该技术的灵敏度受限。此外，因为散射光或出射光的强度与瞬逝场的强度(其在感应层中按指数减少)成比例，所以场的延伸较差意味着不会检测到离金属层与感应层的界面较远的粒子。WO 99/44042漏波导传感器在通过散射光检测病原体的能力方面也是受限的。具体地，必须限制孔的尺寸以避免它们散射光，并因此只允许直径小于20nm的粒子。结果，使用这种方法不能检测到较大的粒子(例如细菌和一些病毒)。
技术实现思路
本专利技术的总的目的是通过提供一种波导传感器来解决这些问题，在该波导传感器中，瞬逝场更深地穿透感应层，并至少与粒子块的大部分相交叠。本专利技术依赖于以下事实在与感应层相邻的低折射率层中支持的漏波导光模式可以增加瞬逝场在感应层中的穿透深度。因此，本专利技术提供了一种波导结构，其包括设置在第二层上的介质感应层，所述第二层被布置在具有与所述第二层不同折射率的第三层上，其中，该结构可以在第二层中支持块光模式，所述介质适于捕获导致感应层的光学性质改变的目标粒子，并且第二层的厚度和/或折射率被选择，以控制光模式穿透进入感应层的深度并至少与粒子的大部分相交叠。本领域的技术人员应该理解，对第二层的厚度和折射率的选择调制了第三层的折射率，并改善了光模式、提高了该光模式的瞬逝场在感应层中的穿透深度。总的来说，通过减小所述第二层的厚度和降低其折射率来增加瞬逝场的穿透范围。优选地，所述第二层的折射率低于所述第三层的折射率。所述第二层还用于提高所述瞬逝场在所述感应层中的传播的范围。光模式在感应层中的传播可以达到几毫米，远高于在表面等离子共振和共振镜波导中获得的几微米。因此，明显的是，所述第二层还增加了基于该波导结构的传感器的检测区域。在本专利技术的优选实施例中，第二层包括晶体形式的硅或溶胶凝胶形式(sol gel form)的硅。然而，另选地，第二层可以包括其他能够支持光模式的材料(例如琼脂糖凝胶)、特定的含氟聚合物或聚丙烯酸酯，例如聚甲基丙烯酸2羟乙基酯(poly-2-hydroxyethylmethylacrylate、HydrogelTM)。在本专利技术的优选实施例中，波导结构包括高反射率的第四层(吸收层)，布置在所述第二层和所述第三层之间。所述第四层包括在第三层的上表面上提供的金属薄层或敷层(在这种情况下，该结构被称为金属外覆型漏波导(MCLW))。适合的金属包括铝、钽、锆、钛或铬。另选地，所述第四层可以包括晶体染料的薄层或敷层(在这种情况下，该结构被成为晶体染色型漏波导(DCLW))。包含第四层的优点是可使光模式在第二层中进一步传播，提高了瞬逝波在感应层中的穿透深度。因此，第四层还提高了波导结构的灵敏性。此外，当波导模式(waveguide mode)未被诱发时(即，处于“非共振(offresonance)”模式，光未被耦合进入波导)，几乎所有的入射光能量都以热的形式储留在该层上。因此，在共振时，在MCLW或DCLW中存在尖锐的波峰，使得检测器可以相对容易地检测共振模式。能够改善对大小为1μm到10μm的细菌的检测的第二层的适当的折射率n的范围为1.33到1.45，合适的第二层厚度为200nm到1000nm。优选地，可以选择第二层的折射率和厚度，从而瞬逝场的穿透深度与待检测的全部粒子相交叠。在本专利技术的一个实施例中，在第二层包括厚度为300nm硅溶胶并且第四层包括厚度为8.5nm的钛的情况下，适合于提供至少1.5μm的瞬逝场穿透深度，并且与Bacillus globiggi(BG)孢子(～本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导结构，包括：设置在第二层上的介质感应层，所述第二层被布置在具有与所述第二层不同折射率的第三层上，其中，所述结构能够在所述第二层中支持块光模式，所述介质适合于捕获导致所述感应层的光学性质改变的目标粒子，并且所述第二层的厚度和／或折射率被选择，以控制所述光模式进入所述感应层的穿透深度，并且至少与所述粒子的大部分相交叠。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：穆罕默德佐勒卜，斯特凡莫尔，伯纳德詹姆斯特雷韦斯布朗，彼得罗伯特菲尔登，尼古拉斯约翰戈达德，
申请(专利权)人：英国国防部，
类型：发明
国别省市：GB[英国]