本发明专利技术公开了一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器，包括硅衬底、在衬底上面的二氧化硅下包层、在二氧化硅下包层上生长具有一定厚度的单晶硅薄膜以及在单晶硅薄膜上包覆的上包层，其特征在于，制作时在单晶硅薄膜上蚀刻波导布拉格光栅，之后加工上包层，并在波导布拉格光栅的上方进行开窗处理，在开窗部分滴加GOD溶液，构成GOD上包层；所述GOD上包层的作用是在GOD上包层滴加不同浓度的葡萄糖时，其折射率会发生变化，相应的波导布拉格光栅反射的中心波长也会发生变化，GOD上包层的下表面与波导布拉格光栅的上表面直接接触。本发明专利技术能够实现利用波导布拉格光栅传感器检测葡萄糖浓度变化，同时具有集成度高、灵敏度高的优点。点。点。
【技术实现步骤摘要】
一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器
[0001]本专利技术涉及一种光学传感器，特别是涉及一种可用于测量人体血糖浓度的基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器。
技术介绍
[0002]集成光学生物化学传感器由于其微型化、集成化、选择性高等优势获得了快速的发展，基于SOI平台的硅波导是以硅（折射率约为3.46）为芯层，二氧化硅为包层（折射率约为1.45）的高折射率差矩形波导，能很好地将光场限制在硅波导芯层区域内，有利于减小光子器件的尺寸。近年来，基于SOI的波导布拉格光栅被广泛利用在生物传感中，但目前在葡萄糖浓度传感方面特异性较差。在葡萄糖生物传感领域，目前已有的检测方法为红外光谱法、光偏振法和激光拉曼光谱法等，红外光谱法是通过发射红外波段光源，收集被人体内血液反射或透射的红外光，实现血糖浓度的测量，但是因为人体内血液中血糖的红外吸收谱只占人体血液中其他物质很小一部分，所以这种方法的精确度不高；光偏振法的原理是线偏振光经过葡萄糖溶液后，振动方向会发生偏转，即产生了旋光效应，利用该效应对葡萄糖浓度进行检测，由于偏振角的测量对光路的调节和稳定性要求较高，所以此方法测量难度较大；激光拉曼光谱法是利用葡萄糖的多个拉曼特征峰与皮肤组织中的其他物质信号峰的差异做定量分析来实现的，但是因为真皮层的胶原蛋白和真皮皮下脂肪的三油酸甘油酯和皮肤表皮层黑色素对激发光和拉曼光的吸收效应等影响，加大了这项技术的应用难度。2016年，Ming
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jie Yin等人提出（Ming
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jie Yin, Bobo Huang, Shaorui Gao, A. Ping Zhang, and Xuesong Ye, "Optical fiber LPG biosensor integrated microfluidic chip for ultrasensitive glucose detection," Biomed. Opt. Express 7(5), 2067
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2077 (2016).）将长周期光栅（LPG）嵌入到小直径单模光纤中，利用自组装技术在单模光纤上沉积聚乙烯亚胺和聚丙烯酸多层膜，然后在外层固定葡萄糖氧化酶上包层用于葡萄糖传感，来实现葡萄糖浓度的检测。但是单模光纤因其上包层的存在会阻碍芯层直接接触外界折射率的变化，导致灵敏度较低，且葡萄糖氧化酶单独存在不能长时间存活，此外，因为多层膜结构制作过程较为复杂，导致传感器制备过程过于繁琐。
[0003]综上，现有的葡萄糖传感器GOD层未直接接触芯层，灵敏度不高，且制备过程复杂，成本较高，因此如何能简单低成本地获得一种高灵敏度的、稳定的葡萄糖传感器是本领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
[0004]针对现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器，能够实现实时检测葡萄糖浓度的变化，具有成本低、稳定性好、灵敏度高等优点。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器，包括硅衬底、在衬底上面的二氧化硅下包层、在二氧化硅下包层上生长具有一定厚度的单晶硅薄膜以及在单晶硅薄膜上包覆
的上包层，其特征在于，制作时在单晶硅薄膜上蚀刻波导布拉格光栅，之后加工上包层，并在波导布拉格光栅的上方进行开窗处理，在开窗部分滴加GOD溶液，构成GOD上包层；所述波导布拉格光栅的作用是反射特定波长的光；所述GOD上包层的作用是在GOD上包层滴加不同浓度的葡萄糖时，其折射率会发生变化，相应的波导布拉格光栅反射的中心波长也会发生变化，GOD上包层的下表面与波导布拉格光栅的上表面直接接触。
[0006]开窗就是指通过刻蚀上包层构成凹槽，凹槽通过填充GOD溶液形成上包层。
[0007]在实施例中，所述波导布拉格光栅包括宽输出波导和双边结构的波导布拉格光栅，双边结构的波导布拉格光栅是由三维结构宽高相同长度不同的矩形平行六面体硅块阵列构成，双边结构的波导布拉格光栅为窄输入窄输出结构，且在双边结构的波导布拉格光栅输出端连接宽输出波导形成一体；所述波导布拉格光栅对应布拉格波长1550nm的周期为380nm，调制深度为275nm，占空比为50%；所述双边波导布拉格光栅的窄波导宽度为550nm，输出波导宽为1100nm。
[0008]在实施例中，二氧化硅下包层厚度为3
µ
m，折射率为1.45，所述波导布拉格光栅所在的波导芯层厚度为220nm，折射率为3.46；GOD上包层折射率为1.3381；波导芯层采用硅材料制成，上包层与波导芯层具有较高折射率差。
[0009]在实施例中，所述波导布拉格光栅首先通过220nm厚的硅刻蚀形成大小不一的矩形六面体硅块，再利用干法刻蚀工艺光刻光栅图案，对上包层进行开窗处理，填充GOD溶液固定形成GOD上包层，所述GOD溶液浓度为15mg/mL。
[0010]在实施例中，所述GOD上包层的形成过程是：使用磷酸盐溶液作为溶剂，配制浓度为15mg/mL的GOD溶液，并向其中加入聚乙二醇（PEG）混合均匀后备用；使用99.7%的无水乙醇、去离子水、异丁基三乙氧基硅烷以体积比为78：20：2的比例混合得到硅烷溶液；使用0.5μL的微量进样器向制作好的波导布拉格光栅表面滴加配制好的硅烷溶液0.1μL，静置10~20分钟，使用干燥剂硅胶干燥 12~24 h，干燥过程需要将其处于密封的环境下，防止其与空气中的水分、杂质发生反应，获得硅烷溶液修饰后的表面；使用0.5μL微量进样器对硅烷溶液修饰后的表面滴加蛋白质交联剂，使光栅表面完整的浸入蛋白质交联剂中，对光栅表面进行进一步修饰，所述蛋白质交联剂由1
‑
（3
‑
二甲氨基丙基）
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）和N
‑
羟基琥珀酰亚胺（NHS）构成；待光栅表面干燥后立即向光栅表面滴加含聚乙二醇的浓度为15mg/mL的 GOD 溶液，固定时间为60分钟，使用磷酸盐溶液冲洗掉剩余未固定的葡萄糖氧化酶后，就完成了葡萄糖氧化酶 GOD 的固定，此时形成了GOD上包层，葡萄糖氧化酶通过三步修饰能够与光栅表面直接接触，并牢固固定。
[0011]所述传感器进行葡萄糖检测的过程是：将葡萄糖传感器接入光纤光栅耦合平台，宽带光源发出的光经过耦合器进入波导布拉格光栅的输入端，再由波导布拉格光栅因布拉格反射条件反射特定波长的光经宽输出波导、耦合器进入光谱分析仪中；通过逐次滴加0.5mg/mL~1.5mg/mL浓度的葡萄糖溶液来观察光谱分析仪中中心波长的变化，每滴加一次葡萄糖需要用磷酸盐溶液清洗波导布拉格光栅上表面对应的GOD上包层部分的表面20分钟，获得葡萄糖浓度与中心波长的关系；
根据葡萄糖浓度与中心波长的关系进行葡萄糖浓度的检测。
[0012]通过滴加0.5mg/mL~1.5mg/mL的葡萄糖溶液与GOD上包层发生反应后引起GOD上包层折射率从1.3381逐渐变为1.3371，中心波长的变化范围为1538.59n本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器，包括硅衬底、在衬底上面的二氧化硅下包层、在二氧化硅下包层上生长单晶硅薄膜以及在单晶硅薄膜上包覆的上包层，其特征在于，制作时在单晶硅薄膜上蚀刻波导布拉格光栅，之后加工上包层，并在波导布拉格光栅的上方进行开窗处理，在开窗部分滴加GOD溶液，构成GOD上包层；所述波导布拉格光栅的作用是反射特定波长的光；所述GOD上包层的作用是在GOD上包层滴加不同浓度的葡萄糖时，其折射率会发生变化，相应的波导布拉格光栅反射的中心波长发生变化，GOD上包层的下表面与波导布拉格光栅的上表面直接接触。2.如权利要求1所述的一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器，其特征在于，所述波导布拉格光栅包括宽输出波导和双边结构的波导布拉格光栅，双边结构的波导布拉格光栅是由三维结构宽高相同长度不同的矩形平行六面体硅块阵列构成，双边结构的波导布拉格光栅为窄输入窄输出结构，且在双边结构的波导布拉格光栅输出端连接宽输出波导形成一体；所述波导布拉格光栅对应布拉格波长1550nm的周期为380nm，调制深度为275nm，占空比为50%；所述双边波导布拉格光栅的窄波导宽度为550nm，输出波导宽为1100nm。3.如权利要求1所述的一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器，其特征在于，所述二氧化硅下包层厚度为3
µ
m，折射率为1.45，所述波导布拉格光栅所在的波导芯层厚度为220nm，折射率为3.46；所述GOD上包层厚度为2
µ
m，折射率为1.3381。4.如权利要求1所述的一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器，其特征在于，所述波导布拉格光栅首先通过220nm厚的硅刻蚀形成大小不一的矩形六面体硅块，再利用干法刻蚀工艺光刻光栅图案，对上包层进行开窗处理，填充GOD溶液固定形成GOD上包层，所述GOD溶液浓度为15mg/mL。5.如权利要求1所述的一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器，其特征在于，所述GOD上包层的形成过程是：使用磷酸盐溶液作为溶剂，配制浓度为15mg/mL的GOD溶液，并向其中加入聚乙二醇混合均匀后备用；使用99.7%的无...
【专利技术属性】
技术研发人员：李鸿强，朱智越，孟文涛，王英杰，林志琳，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：
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