一种片上荧光激发与采集系统技术方案

一种片上荧光激发与采集系统，是将荧光的激发、增强、采集等集成到一个波导芯片上的系统，具体包括光源模块、荧光激发与增强模块、荧光滤光模块、支撑基片，其中荧光激发与增强模块包括矩形波导、Y型分束波导、槽波导、Y型合束波导四个部分，荧光滤光模块具体是一个光子晶体阵列，是在一个矩形波导上镂空20~30个圆柱形孔洞所构成的结构。支撑基片包括过渡层、异质结衬底两个部分。该系统具有效率高、操作简便、集成度高等优势，进一步的，通过将荧光收集到波导中，可以将荧光检测集成到芯片中，大大减少了生物荧光检测装置的体积，实现了系统的小型化和便携式。小型化和便携式。小型化和便携式。

【技术实现步骤摘要】
一种片上荧光激发与采集系统


[0001]本专利技术涉及生物技术的荧光激发与采集系统的
，特别是涉及一种基于波导结构激发染料来产生并采集特定波段的宽带荧光的荧光激发采集系统。

技术介绍

[0002]在现代生物学领域，荧光广泛应用于各种生物分子、化学样品的检测过程中，在生物检测中具有非常重要的地位。当一束激发光照射荧光材料时，材料会吸收与自身本征频率相同的光子，并进入激发态，由于此时的激发态不稳定，材料会很快从激发态回到基态，从而以电磁辐射的形式发射其他波长的光，这一过程称为荧光。传统的生物荧光检测方法需要搭建空间光路、使用大型设备，并且还需要专业人员来操作，因此其应用局限于实验室环境，难以满足临床快速检测的需求。随着实时荧光检测技术的发展，微型便携式荧光检测系统在生物检测、药品研发、食品安全等领域的发挥着越来越重要的作用。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种片上荧光激发与采集系统，具有体积小、激发效率高、采集效率高、便于集成的特点。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种片上荧光激发与采集系统，芯片上集成了荧光的激发、增强、采集流程与功能，具体包括光源模块、荧光激发与增强模块、荧光滤光模块、支撑基片，其中荧光激发与增强模块包括矩形波导、Y型分束波导、槽波导、Y型合束波导四个部分，荧光滤光模块具体是一个光子晶体阵列，是在一个矩形波导上镂空20 ~ 30个圆柱形孔洞所构成的结构。支撑基片包括过渡层、异质结衬底两个部分。整个系统结构分为三层，最下方是异质结衬底，用于制备、生长所需的波导结构，异质结衬底上面通过分子束外延技术生长着过渡层，两者紧密贴合，过渡层用于为波导结构的生长提供氮气源，过渡层上通过分子束外延技术从左到右生长着荧光激发与增强模块、荧光滤光模块，分别用于激发染料产生荧光和过滤激发光。荧光激发与增强模块与荧光滤光模块是紧密相连的。
[0004]所述的荧光激发与增强模块、荧光滤光模块等波导结构都是使用在可见光波长下的吸收较低的氮化镓(GaN)材料。
[0005]所述的荧光激发与增强模块、荧光滤光模块通过分子束外延生长在过渡层上方，与过渡层紧密贴合。
[0006]所述的荧光激发与增强模块、荧光滤光模块两者间是紧密贴合、相连的，在空间上是一体的，所述的荧光激发与增强模块位于荧光滤光模块左侧。
[0007]所述的荧光激发与增强模块包括四个部分，从左到右分别是矩形波导、Y型分束波导、槽波导、Y型合束波导，这四个部分之间同样是直接相连的。
[0008]所述的矩形波导位于整个系统的最左端，是整个系统的输入端，其左侧输入端通过光纤与光源连接，激发光通过光纤耦合到矩形波导中，从而进入片上荧光系统。
[0009]所述的矩形波导的宽度是190~210nm，高度是280~320nm，波导中可以传输单模激
光，避免高阶模的影响。
[0010]所述的矩形波导右侧输出端与Y型分束波导直接相连，激发光可以直接从矩形波导进入Y型分束波导。
[0011]所述的Y型分束波导具有两个输出端，是一个一分二的结构，用于将输入的激发光分成两束光，右侧两个输出端直接连接槽波导的两个输入端。
[0012]所述的槽波导是一对相互平行的矩形波导，槽波导左端为两个输入端口，与Y型分束波导相连，右端为两个输出端口，与Y型合束波导相连。当激发光通过Y型分束波导分束并进入槽波导时，通过调控狭缝槽的宽度可以将平行波导中的光耦合到狭缝槽中，在狭缝槽中产生高强度的光强，称为狭缝模，该模式可以激发狭缝槽中的染料产生荧光，光强越强，激发效率越高。
[0013]所述的槽波导的平行波导的宽度是150nm，高度是280~320nm，两个平行波导间的狭缝槽宽度是35~60nm。
[0014]所述的槽波导激发的荧光会重新耦合到槽波导中继续沿波导传输，从槽波导的两个输出端传输到Y型合束波导中，同时，激发光也会沿着波导传输到Y型合束波导中。
[0015]所述的Y型合束波导有两个输入端，与槽波导的两个输出端相连，是一个二合一的结构，用来接收激发的荧光和激发光。
[0016]所述的Y型分束波导的两个输出端之间的夹角，以及Y型合束波导两个输入端之间的夹角是10~15
°
，可以提高分束和合束时光的透过率，进而提高荧光激发和采集的效率。
[0017]所述的荧光滤光模块是一个光子晶体阵列，左侧输入端与Y型合束波导的输出端连接，接收激发的荧光和传输过来的激发光，用于反射、过滤传输过来的激发光，只保留荧光，完成激发光和荧光分离、荧光采集的目的。
[0018]所述的光子晶体阵列宽度是190~210nm，高度是280~320nm，是在矩形波导上面等间距的镂空了20 ~ 30个圆柱形孔洞，两个圆柱形孔洞中心的间距是130 ~ 140nm，圆柱形孔洞的直径是60~75nm。
[0019]所述的光子晶体阵列右侧输出端留出光纤接口，用于与外界设备连接，作为整个系统的输出端，激发并采集的荧光会从该输出端耦合输出。
[0020]所述的支撑基片包括过渡层、异质结衬底两个部分，是一个两层结构，底层为异质结衬底，上层是过渡层，两者紧密贴合。
[0021]所述的过渡层的厚度是10 ~ 20nm, 材料为III族氮化物，如氮化铝(AlN)，用于为表面氮化物的薄膜生长提供氮气源。
[0022]所述的异质结衬底在所述的过渡层下方，厚度达到微米量级，为蓝宝石材质。
[0023]有益效果1. 通过使用波导结构耦合激发光并产生荧光，减小系统体积，后续的荧光检测可以集成到芯片中，实现了便携式的片上荧光激发采集系统。
[0024]2. 通过使用氮化镓作为波导结构的材料，降低波导对激发光、荧光的吸收，提高荧光激发和采集的效率。
[0025]3. 通过槽波导结构，同时实现荧光的激发与采集，无需借助传统荧光检测的显微镜结构来采集荧光。
[0026]4. 通过调控槽波导的狭缝槽宽度，增强槽波导中的模式光强，提高荧光激发的效
率。
[0027]5. 通过光子晶体阵列进行滤波，对激发光进行反射，而对荧光进行透射，实现了激发光和荧光分离的目的。
[0028]6. 通过光子晶体阵列对宽带波段的反射和透射性差异，实现宽带荧光激发的目的，激发光波长范围在500~540nm内反射率保持在90%以上，荧光保持范围在600~650nm内保持70%以上的透射率。
附图说明
[0029]图1是片上荧光激发与采集系统的三维结构图图2是片上荧光激发与采集系统的俯视图图3是片上荧光模块的正视图图4是片上荧光模块的侧视图图5是片上荧光激发与采集系统的原理图图6狭缝宽度对狭缝模光强占比的影响图7片上荧光激发与采集系统的反射谱与透射谱附图标记1
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光源2
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单模光纤跳线3
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矩形波导4
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Y型分束波导5
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种荧光激发与采集系统，其特征在于，包括：光源模块、荧光激发与增强模块、荧光滤光模块、荧光输出接口、支撑基片，所述荧光激发与增强模块包括矩形波导、Y型分束波导、槽波导、Y型合束波导四个部分；所述矩形波导具有一个输入端、一个输出端；所述Y型分束波导具有一个输入端、两个输出端；所述槽波导是一对相互平行的矩形波导，具有两个输入端、两个输出端；所述Y型合束波导具有两个输入端、一个输出端；所述滤光模块具有一个输入端、一个输出端；所述荧光输出接口具有一个输入端，另一端为输出至下游器件的接口端；所述光源模块、荧光激发与增强模块、滤光模块、荧光输出接口，从左向右依次连接布局于支撑基片上。2.根据权利要求1所述的荧光激发与采集系统，其特征在于，支撑基片包括过渡层与异质结衬底层，两层紧密贴合，所述过渡层在上方，为III族氮化物；所述异质结衬底层在所述过渡层下方，为蓝宝石材质。3.根据权利要求2所述的荧光激发与采集系统，其特征在于，所述过渡层为氮化铝材质。4.根据权利要求1所述的荧光激发与采集系统，其特征在于，所述光源模块为可见光激光器，或者，所述光源模块为单模光纤跳线，通过光纤将激光导入荧光激发与增强模块。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王光辉，刘扬，张家晖，张畅斌，徐峰，
申请(专利权)人：南京捷芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：