一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台制造技术

一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台，涉及生物实体检测技术领域，双层波导平台中形成有两种不同材料组成的双层波导结构，双层波导结构作为光限制结构，双层波导平台同时还形成有纳米孔结构，纳米孔结构作为生物检测点，通过双层波导结构和纳米孔结构相互配合，当生物检测点中放置有分析物进行检测时，光被限制在双层波导平台中除波导之外的位置以实现减弱生物检测点中检测环境的荧光背景，同时增强光与分析物之间的相互作用。本发明专利技术的双层波导结构、纳米孔结构相较于狭缝波导均更容易制造，同样能实现将场限制在周围介质中，而不是波导材料内部，确保每次光波对单一分析物的检测贡献，从而确保生物传感器的检测灵敏度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台


[0001]本专利技术涉及生物实体检测
，具体涉及到一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台。

技术介绍

[0002]生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件 (包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等) 及信号放大装置构成的分析工具或系统。
[0003]生物传感器可采用集成光子学技术，通过制造紧凑、可扩展性和可靠性(可重复性)高的产品来帮助提高产量并节省大量时间和资源。这种生物传感器的应用可用于细胞计数、比色、光谱和荧光检测。
[0004]光波导是引导光波在其中传播的介质装置，由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构，又称介质光波导。光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。比如，薄膜波导与带状波导主要用于制作有源和无源的光波导元件，如激光器、调制器和光耦合器等。它们采用半导体薄膜工艺，适合于制成平面结构的集成光路(即光集成部件)。
[0005]在现有的生物传感器配合用于生物微粒检测时，也常使用到光波导作为光电集成配件，利用光波导可以使光波局限在有限区域内传播的性质，制造以光波导作为激发模式的便携式生物芯片。比如，公告号为CN210665507U一种高通量光波导生物传感芯片，便是光波导和生物传感器结合的证明。
[0006]众所周知，在生物检测领域，集成光波导可用于提供小型化且价格合理的检测系统。对于光波导这种涉及到光
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分析物表面场强交互作用的应用场景而言，定位检测体积的大小对抑制检测环境中的荧光噪声具有一定的影响，一般的做法为将检测系统集成在尽可能小的占地面积中。此外，增加波导长度可以增加光
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分析物相互作用长度，从而获得更高的信号功率，这样既方便又节省成本。
[0007]在图1中，分别展示了(a)条纹波导截面几何形状，(b)基本 TE模式分布，(c)基本TM模式分布，从而显示了矩形波导的横截面几何形状和单模波导的基本TE和TM模式的模式分布，这种带状波导很好地将模式分布限制在波导介质内部，而不是结构表面。所以，光
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分析物表面相互作用的激发功率也受到限制，因为从边缘到周围介质的光学模式的倏逝场呈指数衰减，根据材料的不同，仅延伸80 至200nm。
[0008]为了提高激发功率，一种众所周知的称为槽形波导的结构已被用于将场限制在周围介质中，而不是在波导内部。基于此，在光波导技术中还存在一种狭缝波导，狭缝波导的原理是在介质中实现相当大的场限制，间隙必须窄至10s nm，这是普通晶圆级光子光刻工具无法实现的，因此，这种结构的制造很困难。
[0009]另外，单粒子检测的挑战之一是来自多个分析物或整体背景的信号重叠。如图1所示的矩形波导，通过定位波导附近的场，可以将信号从多个分析物中分离出来，然而，由于同一个波导上可以沿着光的传播轴的方向自由地同时充满多个分析物，此时，分析物之间的激发功率会相互受到限制，波导很难保证一次只检测一个分析物的检测贡献，势必会影响检测的灵敏度以及检测效率。
[0010]因此，针对上述内容中，由于狭缝波导制造难度较大，且现有利用矩形波导进行生物粒子检测存在弊端的问题，本专利技术提出一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台。

技术实现思路

[0011]针对现有技术所存在的不足，本专利技术目的在于提出一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台，具体方案如下：
[0012]一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台，所述双层波导平台中形成有两种不同材料组成的双层波导结构，所述双层波导结构作为光限制结构，所述双层波导平台同时还形成有处于所述双层波导结构上方的纳米孔结构，所述纳米孔结构作为生物检测点，通过双层波导结构和纳米孔结构相互配合，当生物检测点中放置有分析物进行检测时，光被限制在所述双层波导平台中除波导之外的位置以实现减弱所述生物检测点中检测环境的荧光背景，同时增强光与分析物之间的相互作用。
[0013]进一步的，所述双层波导平台依次包括顶包层、第一波导层、第二波导层、底包层；
[0014]所述第一波导层、第二波导层构成所述双层波导结构，所述第二波导层的折射率大于所述第一波导层，且二者之间设有间隙；
[0015]所述顶包层上形成有多个纳米孔，所述纳米孔用于放置分析物微粒，多个纳米孔构成所述纳米孔结构。
[0016]进一步的，所述第二波导层的朝向所述纳米孔的侧面全部或部分暴露于所述纳米孔中，所述分析物微粒处于所述纳米孔中时，所述分析物颗粒对应的侧壁面和底部面为两种不同的表面化学性质的化学表面，以便于所述分析物颗粒固定于所述纳米孔的孔底。
[0017]进一步的，所述双层波导结构具体为双层单膜波导结构，当光部分暴露于所述分析物颗粒时，通过改变所述第二波导层、第一波导层上的光刻蚀刻形状，第二波导层、第一波导层的厚度，第二波导层、第一波导层之间的间隙宽度，以设计用于生物检测的场强定位。
[0018]进一步的，所述第一波导层的材料可设置为SiN，所述第二波导层的材料可设置为Al2O3、AlN、Nb2O5、ITO或TiO2，且所述顶包层、底包层的材料可采用SiO2。
[0019]进一步的，所述第二波导层的厚度范围为10nm
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200nm。
[0020]进一步的，所述第一波导层的厚度小于所述第二波导层，且所述第二波导层的一侧、第一波导层的一侧分别沿着相向的方向逐渐形成有过渡结构，通过改变所述过渡结构的锥度以及所述第一波导层、第二波导层之间的间距可实现所述第一波导层、第二波导层之间的耦合。
[0021]进一步的，所述双层波导平台可用于病毒、蛋白质、抗体、抗原、蛋白质、核苷酸的生物实体检测。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0023](1)双层波导平台配合用于生物检测时，纳米孔结构作为生物检测点，分析物置于纳米孔结构的槽中，当生物传感器工作时的双层波导平台受到光照后，双层波导结构作为光限制结构，使得入射光在传播过程中除正常一部分用于与分析物发生相互作用，其他非必要的光限制在波导材料之外，以减轻不需要的荧光背景，那部分出射光光波处于上方的纳米孔结构中时，由于该种将分析物固定在纳米孔结构的方式可以保证光
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分析物相互作用的空间足够小，光
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分析物之间的相互作用增强，确保每次光波对单一分析物的检测贡献，从而确保生物传感器的检测灵敏度。
[0024]另外，本专利技术的双层波导结构、纳米孔结构相较于狭缝波导均更容易制造，同样能实现将场限制在周围介质中，而不是波导结内部。
[0025](2)入射光在双层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台，其特征在于，所述双层波导平台中形成有两种不同材料组成的双层波导结构，所述双层波导结构作为光限制结构，所述双层波导平台同时还形成有处于所述双层波导结构上方的纳米孔结构，所述纳米孔结构作为生物检测点，通过双层波导结构和纳米孔结构相互配合，当生物检测点中放置有分析物进行检测时，光被限制在所述双层波导平台中除波导之外的位置以实现减弱所述生物检测点中检测环境的荧光背景，同时增强光与分析物之间的相互作用。2.根据权利要求1所述的用于生物检测的易于制造的双层波导平台，其特征在于，所述双层波导平台依次包括顶包层、第一波导层、第二波导层、底包层；所述第一波导层、第二波导层构成所述双层波导结构，所述第二波导层的折射率大于所述第一波导层，且二者之间设有间隙；所述顶包层上形成有多个纳米孔，所述纳米孔用于放置分析物微粒，多个纳米孔构成所述纳米孔结构。3.根据权利要求2所述的用于生物检测的易于制造的双层波导平台，其特征在于，所述第二波导层的朝向所述纳米孔的侧面全部或部分暴露于所述纳米孔中，所述分析物微粒处于所述纳米孔中时，所述分析物颗粒对应的侧壁面和底部面为两种不同的表面化学性质的化学表面，以便于所述分析物颗粒固定于所述纳米孔的孔底。4.根据权利要求2所述的用于生物检测的易于制造的双层波导平台，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑秀君，萨普，
申请(专利权)人：上海近观科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：