【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及荧光检测，具体涉及一种用于单分子传感的纳米集成光学芯片及荧光检测方法。
技术介绍
1、不同于传统的基于分子群体平均值的生化传感方法，单分子传感技术能够反映单个分子的动态异质性，因此，与单分子相关的检测技术获得越来越多的关注。目前的单分子检测技术多基于显微镜成像，依赖复杂、庞大和昂贵的显微光路系统，而用于单分子传感的集成光学芯片，可以在极小的空间内集成激光激发、引导、聚焦、分束、荧光感测等光路模块和功能，能够替代体积庞大的显微光路系统，且由于一块晶圆上可以制作几十甚至上百枚具有上述功能的单分子传感芯片，极大降低了成本，为单分子传感技术的商业化提供了可能。
2、为了提高单分子检测的准确性，在单张芯片上进行多位点并行检测是必须的，单张芯片的检测位点数目常常设置在数万至数百万，甚至更多。通常会采用同一光源或者光传导元件向检测位点提供激发光，例如使用全内反射效应原理的光波导元件，在光波导元件表面周围形成倏逝场，进而形成照明区域。需要进行检测的物质添加至检测位点处，待检测物质所包含的荧光物质收到激发产生荧光发射光，荧光发射光被传感结构感测到完成待测物质的光学检测。
3、但是采用上述长距离的激发光波导元件，在光波导表面周围形成的单点照明面积小，且同一个光波导元件的激发光会随传输距离的增大而衰减，不同的分支光波导之间更存在激发光强度不一致的问题。由于不同光波导之间存在与激光光源距离上的、以及实际加工获得的结构造成的耦合效率上的差异，使得芯片不同区域的激发光照明不均匀，再加上发射光损耗不同，最终会导致各个检测
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种用于单分子传感的纳米集成光学芯片及荧光检测方法，以解决现有单分子传感检测中，芯片上各检测位点激发光照明面积小，强度不一致，而导致发出的信号强度不同，检测准确性难以保证的问题。
2、第一方面，本专利技术提供了一种用于单分子传感的纳米集成光学芯片，包括：荧光传输层、至少两组光输入单元和至少一组激发波导单元。荧光传输层表面具有检测区域；任一光输入单元的输入端与外部激光光源相连接、输出端伸入检测区域，以向检测区域通入激发光；至少一组激发波导单元设置在荧光传输层上且位于检测区域内；激发波导单元包括激发波导本体和多个微环谐振腔，激发波导本体的两端分别与两组光输入单元的输出端相连接，以双向输入激发光；沿平行于激发波导本体的方向上，多个微环谐振腔间隔设置于激发波导本体的旁侧；其中，微环谐振腔呈圆环形，沿垂直于激发波导本体的方向上，任一微环谐振腔的中心与激发波导本体中心之间的距离小于激发光的波长的一半，且微环谐振腔的周长设置为激发光的波长的整数倍。
3、有益效果：本专利技术中，外部激发光源的激发光在激发波导本体内双向输入输出，进而避免同一个激发波导本体中单向传输的激发光随传输距离增大而造成的衰减，使同一个激发波导本体内的激发光强度一致，保证后续传输的激发光的强度不衰减。每个激发波导本体周围设置多个微环谐振腔，激发波导本体的中心与微环谐振腔圆心之间的距离l小于激发光的波长的一半，以保证激发光在激发波导本体与微环谐振腔之间发生耦合，激发波导本体的激发光耦合进入微环谐振腔。微环谐振腔的中心圆周周长设置为激发光波长的整数倍，使激发光在微环谐振腔内发生谐振增强；微环谐振腔延伸了直线形激发波导本体上某点处的激发光的照明面积，一个点变成了一个环，且同一个环的照明强度是绝对一致的，有助于提高检测准确性和效率。
4、在一种可选的实施方式中，光输入单元包括耦合光栅和传输波导；耦合光栅的一端与外部激光光源相连接，耦合光栅的另一端与传输波导的一端相连接，传输波导的另一端与激发波导本体相连接。
5、本专利技术中，采用耦合光栅将来自外部激光发射器的激发光能够顺利进入芯片上的传输波导，传输波导将激发光稳定传输至激发波导本体中。
6、在一种可选的实施方式中，传输波导、激发波导本体和微环谐振腔的材料相同，传输波导、激发波导本体和微环谐振腔均包括芯层和包层，芯层的折射率大于包层的折射率。
7、本专利技术中，传输波导、激发波导本体和微环谐振腔的材料相同，以实现一致的光传导作用。
8、在一种可选的实施方式中，芯层的材料为非晶碳化硅，芯层的折射率范围为2.3-3.0；包层的材料为二氧化硅或水溶液；微环谐振腔的外表面形成有激发区域，激发区域的厚度为50nm。
9、本专利技术中，非晶碳化硅的高折射率减小了微环谐振腔周围的倏逝场的穿透厚度，减小了激发区域的体积，游离分子的干扰减小，更加有助于进行目标检测分子的单分子传感检测。在本身激发波导本体具有的照明面积的前提下，微环谐振腔延伸了激发光的照明面积，提升检测效率和准确性。
10、在一种可选的实施方式中，多组激发波导单元相互平行设置；两组光输入单元中的传输波导具有多级y形分叉结构。
11、本专利技术中，传输波导的输入端为单一接口，与耦合光栅相连接，传输波导的输出端呈现为分叉的多接口，进而与多个直线形的激发波导相连接，一个传输波导的多接口输出端与激发波导的上端相连接，另一个传输波导的多接口输出端与激发波导的下端相连接，进而提供在多个检测位点上均匀一致的激发光照明面积。
12、在一种可选的实施方式中，还包括：图像传感单元，设置在荧光传输层上背离激发波导单元一侧的表面上。
13、本专利技术中，图像传感单元与荧光传输层上方的激发波导单元相对应设置，用于接收位于检测区域的待测样品中待测单分子的动力学信息。
14、在一种可选的实施方式中，荧光传输层包括波长选择层；激发波导单元设置在波长选择层上。
15、本专利技术中，波长选择层具有对特定波段的荧光发射光的选择透过性，选择性透过单分子荧光，而阻挡激发光等杂散光，抑制噪声，从而避免由于激发光透过而造成的信号干扰，进一步增强对激发光的抑制，而不会对荧光发射光造成损耗。
16、在一种可选的实施方式中，波长选择层的材料为各向同性的非晶碳化硅。
17、本专利技术中，非晶碳化硅可以阻挡一部分激发光，而允许荧光发射光所在波段的光通过，有效防止荧光发射光传输损耗。
18、在一种可选的实施方式中，波长选择层的材料为光子晶体材料，光子晶体材料由硅层和二氧化硅层交替组成，硅层与二氧化硅层的厚度范围为100nm-400nm。
19、本专利技术中，光子晶体材料同样能够实现对激发光的阻挡而透过荧光发射光，材料简单稳定。
20、在一种可选的实施方式中，荧光传输层还包括荧光引导层；荧光引导层设置在波长选择层和激发波导单元之间，激发波导单元设置在荧光引导层上，检测区域设置于荧光引导层表面。
21、本专利技术中，荧光引导层能够使得荧光发射光尽可能的传输至波长选择层进而到达图像传感单元。
22、在一种可选的实施方式中，荧光引导层的厚度范围为1um-5um。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，所述光输入单元（2）包括耦合光栅（21）和传输波导（22）；
3.根据权利要求2所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，所述传输波导（22）、激发波导本体（31）和微环谐振腔（32）的材料相同，所述传输波导（22）、激发波导本体（31）和微环谐振腔（32）均包括芯层和包层，所述芯层的折射率大于所述包层的折射率。
4.根据权利要求3所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，所述芯层的材料为非晶碳化硅，所述芯层的折射率范围为2.3-3.0；所述包层的材料为二氧化硅或水溶液；
5.根据权利要求2所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，还包括：
7.根据权利要求6所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，所述荧光传输层（1）包括波长选择层（11）；
8
9.根据权利要求7所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，所述波长选择层（11）的材料为光子晶体材料，所述光子晶体材料由硅层和二氧化硅层交替组成，所述硅层与所述二氧化硅层的厚度范围为100nm-400nm。
10.根据权利要求7所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，所述荧光传输层（1）还包括荧光引导层（12）；
11.根据权利要求10所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，所述荧光引导层（12）的厚度范围为1um-5um。
12.一种荧光检测方法，应用于权利要求1-11任一项所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，包括：
13.根据权利要求12所述的荧光检测方法，其特征在于，所述待测样品（100）至少覆盖一个所述微环谐振腔（32）。
14.根据权利要求13所述的荧光检测方法，其特征在于，还包括：
...【技术特征摘要】
1.一种用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，所述光输入单元（2）包括耦合光栅（21）和传输波导（22）；
3.根据权利要求2所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，所述传输波导（22）、激发波导本体（31）和微环谐振腔（32）的材料相同，所述传输波导（22）、激发波导本体（31）和微环谐振腔（32）均包括芯层和包层，所述芯层的折射率大于所述包层的折射率。
4.根据权利要求3所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，所述芯层的材料为非晶碳化硅，所述芯层的折射率范围为2.3-3.0；所述包层的材料为二氧化硅或水溶液；
5.根据权利要求2所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，还包括：
7.根据权利要求6所述的用于单分子传感的纳米集成光学芯片，其特征在于，所述荧光传输层（1）包括波长选择层（1...
【专利技术属性】
技术研发人员：周连群，高庆学，李传宇，郭振，张威，姚佳，李金泽，李超，张月业，黄润虎，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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