專(zhuān)利名稱(chēng)：生物感測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物感測(cè)器，特別是涉及一種具有半導(dǎo)體激光器諧振放 大的表面等離子諧振感測(cè)器，用以對(duì)微弱的生物探測(cè)信號(hào)進(jìn)行光學(xué)放大，便 于信號(hào)檢測(cè)。
背景技術(shù)：
生物傳感器由于具有特異性，針對(duì)特定的待測(cè)分析物，必需要有特定的 酶或反應(yīng)物與待測(cè)分析物發(fā)生反應(yīng)，然后依據(jù)反應(yīng)前后電學(xué)、光學(xué)、質(zhì)量等 特性的變化設(shè)計(jì)出多種類(lèi)型的生物傳感器。由于生物分子之間的相互作用比 較微弱，若對(duì)弱信號(hào)處理不好，有可能會(huì)使有用信號(hào)被淹沒(méi)在干擾信號(hào)中。 目前在生物傳感領(lǐng)域用的比較廣泛的檢測(cè)方法是利用表面等離子諧振
(Surface Plasmon Resonance, SPR)效應(yīng)來(lái)纟罙測(cè)生物反應(yīng)信號(hào)。
表面等離子諧振(SPR)探測(cè)方法的原理主要是利用光線在金屬膜表面 發(fā)生全反射時(shí)，會(huì)在金屬膜中產(chǎn)生消失波，消失波與表面等離子波發(fā)生諧振 時(shí)，檢測(cè)到的反射光強(qiáng)度會(huì)大幅度地減弱。對(duì)表面等離子諧振感測(cè)器而言， 一般都是改變金屬膜與被測(cè)表面的結(jié)構(gòu)用來(lái)提高探測(cè)靈敏度。如美國(guó)專(zhuān)利公 告號(hào)US 5,991,048所述，將金屬薄膜與被探測(cè)表面的中間電介質(zhì)層作為增加 靈敏度的途徑。然而，這些表面等離子諧振技術(shù)都只利用了光線的單次或幾 次反射結(jié)果，信號(hào)未能被有效放大。
因此為了提高生物感測(cè)器的探測(cè)精度，有時(shí)不得不投入大量資金用于弱 信號(hào)的;f全測(cè)及處理上，這樣將增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于上述課題，本發(fā)明的目的為提供一種生物感測(cè)器，可對(duì)弱生物反 應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)光學(xué)放大，便于檢測(cè)電路的信號(hào)處理。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明的生物感測(cè)器一種生物感測(cè)器，包括半導(dǎo)體激 光器具有光學(xué)諧振腔包括至少一反射面及出光面；以及表面等離子諧振單元，設(shè)置在該光學(xué)諧振腔的該至少一反射面上。光學(xué)諧振腔的主要功能是提 供光子在光學(xué)諧振腔中不斷往返運(yùn)動(dòng)，在受激輻射的作用下，光子信號(hào)得到 顯著放大，當(dāng)光子所受增益大于損耗時(shí)(即注入電流大于閾值電流時(shí))，光 子能量將以激光的形式輸送出來(lái)。
表面等離子諧振單元的功能是產(chǎn)生表面等離子諧振效應(yīng)，表面等離子諧 振單元由一層薄的高反射金屬膜組成。當(dāng)光子照射表面等離子諧振單元后， 大部分能量被全反射回光學(xué)諧振腔，部分能量以消失波的形式被表面等離子 諧振單元吸收，當(dāng)表面等離子諧振單元上固定的生物分子與待測(cè)分析物發(fā)生 反應(yīng)時(shí)，將會(huì)引起消失波能量的變化，因而被該表面等離子諧振單元反射的 光子能量將受到表面等離子諧振單元生物反應(yīng)信號(hào)的調(diào)制，結(jié)果導(dǎo)致輸出的 激光強(qiáng)度信號(hào)隨著生物反應(yīng)信號(hào)的變化而變化。
本發(fā)明提供的生物感測(cè)器，結(jié)合半導(dǎo)體激光器的多次諧振放大特性，光 子在光學(xué)諧振腔中往返一次便受到光腔一個(gè)端面的表面等離子諧振調(diào)制，光 子的能量也相應(yīng)受到表面等離子諧振單元表面生物分子信號(hào)的調(diào)制，這樣經(jīng) 過(guò)光子的多次往返，金屬膜表面生物分子信號(hào)便可得到有效放大。使得微弱 的生物反應(yīng)信號(hào)變得易于檢測(cè)，極大簡(jiǎn)化了生物感測(cè)器的檢測(cè)手段。


圖1A及1B為本發(fā)明第一實(shí)施例的生物感測(cè)器的立體圖及側(cè)視圖； 圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的生物感測(cè)器側(cè)視圖； 圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例的生物感測(cè)器立體圖； 圖4為本發(fā)明第四實(shí)施例的生物感測(cè)器立體圖；以及
曰月的4妝祛威緊的車(chē)^伖激并,緊掄出的4—物皮應(yīng)信號(hào)的影響
附圖標(biāo)記說(shuō)明
1、 2、 3、 4:生物感測(cè)器
102:隔離區(qū)
104:特定生物分子
112: P型載流子限制層
114、 314: P型電極
116、 216:反射面
101、 401:表面等離子諧振單元
103: 粘合劑
111、 211:有源層
113: N型載流子限制層
115: N型電相^
117、 217:出光面118:第一介電層 12:檢測(cè)單元
219:布拉才各光柵
具體實(shí)施例方式
以下將參照相關(guān)圖式，說(shuō)明依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的生物感測(cè)器。 第一實(shí)施例
圖1A及IB為本發(fā)明第一實(shí)施例的生物感測(cè)器的立體圖及側(cè)視圖。生 物感測(cè)器1包括表面等離子諧振單元101及半導(dǎo)體激光器。
半導(dǎo)體激光器包括光學(xué)諧振腔，其具有反射面116及出光面117，用以 提供光子在光學(xué)諧振腔中不斷往返，在受激輻射的作用下，光子信號(hào)得到顯 著放大，當(dāng)光子所受增益大于損耗時(shí)(即注入電流大于閾值電流時(shí))，光子 能量將以激光的形式輸送出來(lái)。本實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器可以為FP半導(dǎo)體 激光器(Fabry-Perot semiconductor laser),但不以此為限，F(xiàn)P半導(dǎo)體激光器的 光學(xué)諧振腔為平平腔，或稱(chēng)FP腔(Fabry-Perot Cavity )。
光學(xué)諧振腔的反射面116設(shè)置表面等離子諧振單元101。表面等離子諧 振單元101的功能是產(chǎn)生表面等離子諧振效應(yīng)，表面等離子諧振單元101可 以為一層薄的高反射金屬膜，其材料可以是金、銀、銅或其多層金屬，也可 以是半導(dǎo)體層或由金屬氧化物組成的介電層，但不以此為限。生物感測(cè)器1 還包括粘合層103覆蓋在表面等離子諧振單元101上，用于固定特定生物分 子104,特定生物分子104主要包括DNA片斷、抗原、抗體、酶、輔酶和 其他生物小分子等，用來(lái)與待測(cè)分析物中相應(yīng)生物分子發(fā)生作用。
半導(dǎo)體激光器主要包括有源層(activelayer)lll、 P型載流子限制層112、 N型載流子限制層113、 P型電極114以及N型電才及115。該半導(dǎo)體激光器 的有源層111 (active layer)及反射面116與出光面117用以限制光子在有源層 111中往返運(yùn)動(dòng)，其材料可例如為P型GaAs半導(dǎo)體層。P型載流子限制層 (P扁type carrier confinement layer) 112 i殳于有源層111的 一側(cè)，其才才料可例^口為 P型AlxGai—xAs半導(dǎo)體層。N型載流子限制層113設(shè)于有源層111的另一側(cè)， 其可例如為N型AlxGa^As半導(dǎo)體層，這樣^便可在有源層111兩側(cè)形成雙異 質(zhì)結(jié)構(gòu)。P型電極114設(shè)于P型載流子限制層上，其材料可例如為Ni/Au合 金，但不以此為限。N型電極115設(shè)于N型載流子限制層上，可以為T(mén)i/Al/Au 合金，但不以此為限。外加電場(chǎng)通過(guò)N型電極115及P型電極114兩電極向
6有源層111注入載流子，從而達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件。有源層111的至少
一解理端面為反射面116，另一解理端面為出光面117，以形成光學(xué)諧振腔， 當(dāng)光子在光學(xué)諧振腔中往返運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引發(fā)受激輻射，使得光信號(hào)得到放大。
此外，生物感測(cè)器1還包括隔離區(qū)102，設(shè)置于半導(dǎo)體激光器的反射面 116上及表面等離子諧振單元101兩側(cè)，用以避免表面等離子諧振單元101 與半導(dǎo)體激光器的N型電極115及P型電極114相連，亦可在表面等離子諧 振單元101上方形成一個(gè)溝道，供待測(cè)分析物與綁定的特定生物分子104發(fā) 生反應(yīng)，隔離區(qū)102可以絕緣材料制成。
半導(dǎo)體激光器的有源層111的出光面117鍍上第一介電層118,第一介 電層118使激光光部分反射、部分透射，反射率大小的設(shè)計(jì)與激光出光功率 大小有關(guān)，第一介電層118 —般是由化合物構(gòu)成，例如為二氧化硅(Si02)、 二氧化鈦(Ti02)、硫化鋅(ZnS)、氟化鎂(MgF2)等材料交替鍍膜實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不 同的反射波長(zhǎng)，膜系材料及厚度也有所不同。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng) 表面等離子諧振單元101為金屬膜時(shí),對(duì)特定波長(zhǎng)的激光具有很高的反射率， 則在反射面116不需增加其它反射膜，只需在出光面117鍍上部分反射的第 一介電層118。當(dāng)表面等離子諧振單元對(duì)特定波長(zhǎng)的激光不具備足夠高的反 射率，則需先鍍上一層第二介電層(圖未示)后再形成表面等離子諧振單元 101，第二介電層一般是由化合物構(gòu)成，可例如為二氧化硅(Si02)、 二氧化鈦 (Ti02)、硫化鋅(ZnS)、氟化鎂(MgF2)等材料交替鍍膜實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不同的反射 波長(zhǎng)，膜系材料及厚度也有所不同。
生物感測(cè)器1還包括檢測(cè)單元12，設(shè)置在激光出光方向，檢測(cè)單元12 配置有光強(qiáng)度檢測(cè)單元，檢測(cè)結(jié)果以電流方式或電壓方式輸出。
第二實(shí)施例
圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的生物感測(cè)器示意圖。該生物感測(cè)器2與第一 實(shí)施例的生物感測(cè)器1相同的部分不再贅述。不同之處在于生物感測(cè)器2的 半導(dǎo)體激光器為DFB激光(Distributed Feedback laser, DFB laser),是由布拉 格光柵(Brag grating)219構(gòu)成出光面217，針對(duì)特定波長(zhǎng)激光，設(shè)計(jì)不同數(shù) 量的布拉格光柵219可實(shí)現(xiàn)不同的反射率，出光面217由有源層211對(duì)應(yīng)反 射面216的一端形成布拉格光柵219,實(shí)現(xiàn)半反膜的功能(部分反射的功能)， 不必在出光面217鍍介電層。在此實(shí)施例中，反射面216不必估文布拉格反射 光柵，而只需直接形成表面等離子諧振單元101即可形成反射面216。第三實(shí)施例
圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例的生物感測(cè)器示意圖。該生物感測(cè)器3與生物 感測(cè)器l、 2相同的部分不再贅述。為了降低工作電流，生物感測(cè)器3將N 型電極(圖未示)及P型電極314設(shè)計(jì)成窄條形結(jié)構(gòu)，自反射面116沿伸至出 光面117，這種結(jié)構(gòu)同時(shí)也壓窄了激光的發(fā)光范圍，圖3的半導(dǎo)體激光器是 FP半導(dǎo)體激光器，本實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器也可為DFB激光。
第四實(shí)施例
圖4為本發(fā)明第四實(shí)施例的生物感測(cè)器示意圖。該生物感測(cè)器4與生物 感測(cè)器1、 2相同的部分不再贅述。為了提高等離子諧振端面的諧振吸收效 果，可采用如圖4所示的生物感測(cè)器4，生物感測(cè)器4具有三角形諧振腔結(jié) 構(gòu)，在其中的兩個(gè)反射面鍍上表面等離子諧振單元401。由于此時(shí)激光光線 在表面等離子諧振單元401所形成的反射面不是垂直入射，選擇合適角度將 會(huì)使表面等離子諧振吸收效應(yīng)最強(qiáng)。本發(fā)明的生物感測(cè)器的光學(xué)諧振腔還可 拓展為多個(gè)反射面的光學(xué)諧振腔。本實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器可以為FP半導(dǎo) 體激光器或DFB激光。
半導(dǎo)體激光器是靠注入載流子工作，若需發(fā)射激光，需具備三個(gè)基本條 件(l)要產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠地大于低能態(tài) 的粒子數(shù)。(2)要有一個(gè)合適的光學(xué)諧振腔能起到回饋?zhàn)饔茫辜ど涔庾釉?生，從而產(chǎn)生激光振蕩。(3)要滿(mǎn)足一定的閾值條件，以使光子增益等于或 大于光子損耗。半導(dǎo)體激光器具有光學(xué)諧振腔，受激輻射的光子在光學(xué)諧振 腔中往返傳輸多次，在滿(mǎn)足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件下，產(chǎn)生更多的受激輻射 光子，從而在輸出端可獲得相干性及方向性極好的激光。半導(dǎo)體激光器輸出 的激光強(qiáng)度會(huì)受到光學(xué)諧振腔的反射率的影響，當(dāng)給半導(dǎo)體激光器施加大于 閾值電流的恒定電流時(shí)，激光可輸出較為穩(wěn)定的光強(qiáng)。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的生物感測(cè)器，因?yàn)楸砻娴入x子諧振單元的金屬膜是 半導(dǎo)體激光器的光學(xué)諧振腔的反射面，又可產(chǎn)生表面等離子諧振效應(yīng)。當(dāng)光 子照射表面等離子諧振單元后，大部分能量被全反射回光學(xué)諧振腔，部分能 量以消失波的形式被表面等離子諧振單元吸收，當(dāng)表面等離子諧振單元上固 定的生物分子與待測(cè)分析物發(fā)生反應(yīng)時(shí)，將會(huì)引起消失波能量的變化，因而 被表面等離子諧振單元反射的光子能量將受到表面等離子諧振單元生物反 應(yīng)信號(hào)的調(diào)制，結(jié)果導(dǎo)致輸出的激光強(qiáng)度信號(hào)隨著生物反應(yīng)信號(hào)的變化而變化。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物反應(yīng)信號(hào)的光學(xué)放大。
圖。圖中曲線A表示未加入待測(cè)反映物時(shí)激光的輸出光強(qiáng)與注入電流的回應(yīng)
關(guān)系圖。當(dāng)加入不同的'待測(cè)液時(shí)，光子入射到表面等離子諧振單元上引起的 消失場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，實(shí)際上是影響了光子在表面等離子諧振單元上的反 射率，相應(yīng)改變了激光的損耗參數(shù)，結(jié)果將導(dǎo)致激光表現(xiàn)出不同的輸出光強(qiáng)
與注入電流1。的回應(yīng)曲線，如圖中的曲線B或C所示。理想條件下，當(dāng)穩(wěn) 定注入電流I。不變時(shí)，半導(dǎo)體激光器的輸出功率應(yīng)保持恒定。若因生物反應(yīng) 信號(hào)導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器的損耗發(fā)生變化時(shí)，即使注入電流不發(fā)生變化，激光 的輸出光強(qiáng)也會(huì)發(fā)生變化，檢測(cè)單元便可采集到這種變化的信號(hào)，得到探測(cè) 信號(hào)強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的曲線，然后便可即時(shí)分析待測(cè)分析物與特定功能生物分子 的反應(yīng)狀態(tài)。
承上所述，本發(fā)明提供的生物感測(cè)器，結(jié)合半導(dǎo)體激光器的多次諧振放 大特性，光子在光學(xué)諧振腔中往返一次便受到光學(xué)諧振腔反射面的表面等離 子諧振調(diào)制，光子的能量也相應(yīng)受到表面等離子諧振單元表面生物分子信號(hào) 的調(diào)制，這樣經(jīng)過(guò)光子的多次往返，表面等離子諧振單元表面生物分子信號(hào) 便可得到有效放大。使得微弱的生物反應(yīng)信號(hào)變得易于檢測(cè)，極大簡(jiǎn)化了生 物感測(cè)器的檢測(cè)手段。
綜上所述，本發(fā)明的具有半導(dǎo)體激光器的生物傳感器具有三個(gè)顯著優(yōu)
點(diǎn)
一、 半導(dǎo)體激光器的體積小，便于集成。
二、 由于采用激光光學(xué)放大原理，因而感測(cè)器的靈敏度可做得很高
三、 由于對(duì)生物反應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)了直接放大強(qiáng)度，因而信號(hào)檢測(cè)部分成本 較低，這對(duì)大規(guī)沖莫推廣十分有利。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性的。任何未脫離本發(fā)明的精神與范 疇，而對(duì)其進(jìn)行的等效修改或變更，均應(yīng)包含于后附的權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1、一種生物感測(cè)器，包括半導(dǎo)體激光器，包括光學(xué)諧振腔，具有至少一反射面及出光面；以及表面等離子諧振單元，設(shè)置在該光學(xué)諧振腔的該至少一反射面上。
2、 如權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)器，其中該半導(dǎo)體激光器為FP半導(dǎo) 體激光器或DFB激光，該FB半導(dǎo)體激光器的該光學(xué)諧振腔為FP腔。
3、 如權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)器，其中該表面等離子諧振單元為 金屬膜、半導(dǎo)體層或金屬氧化物組成的介電層，
4、 如權(quán)利要求3所述的生物感測(cè)器，其中該金屬膜的材^F包括金、 銀、銅或其復(fù)合多層膜。
5、 如權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)器，其還包括粘合層，覆蓋在該表 面等離子諧振單元上，用于固定特定生物分子，與待測(cè)分析物中相應(yīng)生物分 子發(fā)生作用。
6、 如權(quán)利要求5所述的生物感測(cè)器，其中該特定生物分子包括DNA 片斷、抗原、抗體、酶或輔酶。
7、 如權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)器，其還包括檢測(cè)單元，設(shè)置在激 光出光方向，該;險(xiǎn)測(cè)單元配置有光強(qiáng)度^r測(cè)單元，4全測(cè)結(jié)果以電流方式或電 壓方式l俞出。
8、 如權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)器，其中該半導(dǎo)體激光器包括 有源層；P型載流子限制層，設(shè)置于該有源層的一側(cè)； N型載流子限制層，設(shè)置于該有源層的另一側(cè)； P型電極，設(shè)置于該P(yáng)型載流子限制層上；以及 N型電極，設(shè)置于該N型載流子限制層上。
9、 如權(quán)利要求8所述的生物感測(cè)器，其中該有源層為P型GaAs半 導(dǎo)體層，該P(yáng)型載流子限制層為P型AlxGa,.xAs半導(dǎo)體層，該N型載流子限 制層為N型AlxGa^As半導(dǎo)體層，該P(yáng)型電極為Ni/Au合金，該N型電極 為T(mén)i/Al/Au合金。
10、 如權(quán)利要求8所述的生物感測(cè)器，其中該有源層的至少一解理端 面為該反射面，該有源層的另一解理端面為該出光面，以形成該光學(xué)諧振腔。
11、 如權(quán)利要求8所述的生物感測(cè)器，其還包括第一介電層形成在該 出光面上，用以部分反射、部分出光，形成FB半導(dǎo)體激光器。
12、 如權(quán)利要求ll所述的生物感測(cè)器，其中該第一介電層為二氧化硅、 二氧化鈦、硫化鋅或氟化鎂材料交錯(cuò)設(shè)置。
13、 如權(quán)利要求11所述的生物感測(cè)器，其還包括第二介電層形成在該 反射面與該表面等離子諧振單元上。
14、 如權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)器，其中該第二介電層為二氧化硅、 二氧化鈦、硫化鋅或氟化鎂材料交錯(cuò)設(shè)置。
15、 如權(quán)利要求10所述的生物感測(cè)器，其中該有源層還包括布拉格光 柵，形成于該有源層內(nèi)，對(duì)應(yīng)該反射面，形成該光學(xué)諧振腔。
16、 如權(quán)利要求10所述的生物感測(cè)器，其中該N型電極及該P(yáng)型電 極為窄條形結(jié)構(gòu)，自該反射面延伸至該出光面。
17、 如權(quán)利要求IO所述的生物感測(cè)器，其還包括二隔離區(qū)，分別設(shè)置 該表面等離子諧振單元兩側(cè)及該半導(dǎo)體激光器的該反射面上，用以避免該表 面等離子諧振單元與該N型電極及該P(yáng)型電極相連。
18、 如權(quán)利要求17所述的生物感測(cè)器，其中該等隔離區(qū)在該表面等離 子諧振單元上方形成一個(gè)溝道，供待測(cè)分析物與綁定的特定生物分子發(fā)生反 應(yīng)。
19、 如權(quán)利要求17所述的生物感測(cè)器，其中該等隔離區(qū)的材料為絕緣 材料。
20、 如權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)器，其中該半導(dǎo)體激光器的該光學(xué) 諧振腔為三角形諧振腔結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)該反射面鍍有該表面等離子諧振單 元。
21、 如權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)器，其中該半導(dǎo)體激光器具有多個(gè) 該反射面鍍有該表面等離子諧振單元。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種生物感測(cè)器，包括半導(dǎo)體激光器具有光學(xué)諧振腔包括至少一反射面及出光面；以及表面等離子諧振單元，設(shè)置在該光學(xué)諧振腔的該至少一反射面上。
文檔編號(hào)G01N21/55GK101551329SQ200810088469
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者湯玉琴, 程 王, 解亞平 申請(qǐng)人:臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司