專利名稱：微型自相干生物化學(xué)傳感器及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種微型生物、化學(xué)傳感器，和利用所述生物、化學(xué)傳感器檢測待分
析物的一種方法。
背景技術(shù)：
在醫(yī)學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)視、生物技術(shù)、藥品制造和食品加工等領(lǐng)域，經(jīng)常需要對一些化學(xué)量和生物量進(jìn)行檢測和分析。生物化學(xué)傳感器已成為對生物、化學(xué)分子的相互作用進(jìn)行檢測的主要工具。傳統(tǒng)的生物化學(xué)傳感器如免疫標(biāo)定法需要加入其他物質(zhì)進(jìn)行標(biāo)記，這樣會破壞原物質(zhì)。而運(yùn)用表面等離子體波共振進(jìn)行生物化學(xué)傳感與傳統(tǒng)方法相比不需要加入其他物質(zhì)，也可以進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。但是表面等離子體共振傳感器主要還是局限于實(shí)驗(yàn)室。這是因?yàn)檫@類傳感器還有一些缺點(diǎn)如用Kretschma皿方法時(shí)，棱鏡等器件所占體積較大，不利于器件的小型化；而基于表面等離子體超常透射原理設(shè)計(jì)的傳感器雖然體積很小，但是制作非常困難，不利于市場化推廣。
背景技術(shù)文件 1. S. Y. Wu， H. P. Ho， W. C. Law, C. Lin， and S. K. Kong， "Highlysensitivedifferential phase—sensitive surface plasmon resonancebiosensor based on theMach-Zehnder configuration, " Opt. Lett. 29 (20) ， 2378-2380 (2004)
2.T.Yang， H. P. Ho. "Computational investigation of nanohole arraybasedSPR sensing using phase shift, " Opt.Exp.17 (13)，11205—11216(2009).

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種微型生物、化學(xué)傳感器及其檢測方法，其解
決了背景技術(shù)中器件所占體積較大、檢測需要加入標(biāo)記、制作復(fù)雜、成本較高等技術(shù)問題。 技術(shù)方案本發(fā)明為一種生物、化學(xué)傳感器及其檢測方法。該傳感器自上至下順序
設(shè)有覆蓋層、生物化學(xué)溶液、基底、遮擋板、探測器，臺階插入覆蓋層、生物化學(xué)溶液位于基
底上，平行入射單色光垂直入射于臺階和覆蓋層的上表面；在遮擋板中設(shè)有透光孔，該透光
孔位于臺階邊緣下方的位置。 所述臺階可為凹槽構(gòu)建在基底內(nèi)，在凹槽中有生物化學(xué)溶液，這些溶液被一層覆蓋層密封。 所述臺階或凹槽、基底以及覆蓋層是透光材料，空腔的高度應(yīng)盡可能地高，這樣當(dāng)溶液內(nèi)的有效折射率變化時(shí)，相位的變化更加明顯；為了防止溶液深度影響干涉結(jié)果，溶液必須充滿整個(gè)由基底和覆蓋層之間形成的空腔。 微型自相干生物化學(xué)傳感器的檢測方法在于平行入射單色光垂直向下入射，在臺階的邊緣發(fā)生分束， 一束依次經(jīng)過臺階、基底到達(dá)探測器；還有一束從臺階的旁邊依次經(jīng)過覆蓋層、生物化學(xué)溶液、基底到達(dá)探測器；當(dāng)生物化學(xué)溶液的有效折射率發(fā)生變化，探測器所測到的相干光強(qiáng)或功率也會發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對生物化學(xué)溶液中的生物化學(xué)分子的檢
所述的探測器用于測量相干光的強(qiáng)度或功率，為了提高信噪比，并不用探測器的整個(gè)面元探測，而是用一個(gè)遮擋物把大部分面元遮住，只留一個(gè)小于波長的小孔用于透過相干光，其位置在臺階的邊緣下方。 所述的臺階的形狀可以是不規(guī)則的形狀，只要能夠確保經(jīng)過臺階或凹槽出射的光與經(jīng)過基底出射的光由于相位差不同產(chǎn)生干涉，并由底部的探測器能夠測到相干光的功率或強(qiáng)度。 有益效果 1 、體積小，易于集成，可用于微流控系統(tǒng)。 2、不需要加入其他標(biāo)記，操作簡單方便，且可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)探測。 3、制作成本低?？捎貌ＡЩ蚓酆衔锊牧?如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)。而臺階(或
凹槽)的制作可以采用光刻，或離子束刻蝕，或模壓等多種成熟的工藝手段，可以借鑒半導(dǎo)
體產(chǎn)業(yè)的成熟工藝技術(shù)，所以整個(gè)傳感器的成本較低。 4、通過相位變化探測，探測精度高。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖(臺階型)。
圖2是圖1的橫截面示意圖。
圖3是本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)圖(凹槽形)。
圖4是圖3的橫截面示意圖。 以上的圖中有臺階1 、覆蓋層2 、生物化學(xué)溶液3 、基底4、探測器5 、遮擋板6 、平行入射單色光7、透光孔8。
具體實(shí)施例方式
微型自相干生物化學(xué)傳感器包括由一個(gè)臺階(或凹槽)構(gòu)成的微型干涉儀。其原理是平行入射的一束單色光在臺階(或凹槽)的邊緣分束，通過臺階(或凹槽)和不通過臺階(或凹槽)的出射光相位不同，那么這兩束光在臺階(或凹槽)的邊緣下方將會發(fā)生干涉。如果臺階旁(或凹槽中)有生物化學(xué)溶液。當(dāng)這些溶液中的生物化學(xué)分子發(fā)生微小變化，那么其折射率也將改變。這時(shí)，臺階(或凹槽)的邊緣下方的相干光強(qiáng)將會發(fā)生變化，由此就可以通過一個(gè)光功率計(jì)或其他探測器檢測到生物化學(xué)分子發(fā)生的微小變化。
上述臺階(或凹槽)構(gòu)建在基底上(內(nèi))。在臺階旁(或凹槽中)有生物化學(xué)溶液，這些溶液被一層覆蓋層密封。為了防止溶液深度影響干涉結(jié)果，溶液必須充滿整個(gè)由基底和覆蓋層之間形成的空腔。臺階(或凹槽)、基底以及覆蓋層可以是透光材料，如玻璃或聚合物材料。空腔的高度應(yīng)盡可能地高，這樣當(dāng)溶液內(nèi)的有效折射率變化時(shí)，相位的變化更加明顯。 上述臺階(或凹槽)的邊緣下方有一個(gè)光功率計(jì)或其他探測器用于測量相干光的強(qiáng)度或功率。為了提高信噪比，并不用探測器的整個(gè)面元探測。而是用一個(gè)遮擋物把大部分面元遮住，只留一個(gè)小孔(小于波長)用于透過相干光，其位置在臺階(或凹槽)的邊緣下方。
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上述臺階(或凹槽)的形狀可以是不規(guī)則的形狀。只要能夠確保經(jīng)過臺階(或凹槽)出射的光與經(jīng)過基底出射的光由于相位差不同產(chǎn)生干涉，并由底部的探測器能夠測到相干光的功率或強(qiáng)度。 參見圖l，可以采用一個(gè)長方體臺階1放置在基底4上，基底4的上方是生物化學(xué)溶液3，基底4的下方是探測器5，在生物化學(xué)溶液的上方有覆蓋層2。生物化學(xué)溶液充滿整個(gè)覆蓋層2與基底4間的空隙。長方體臺階1、覆蓋層2和基底4都采用聚甲基丙烯酸甲酯(P薩)。 參見圖2，圖2是圖1的截面示意圖。當(dāng)經(jīng)過準(zhǔn)直后的入射光7向下垂直入射。在臺階1的邊緣將會發(fā)生分束， 一束依次經(jīng)過臺階1、基底4到達(dá)探測器5 ;還有一束從臺階1的旁邊依次經(jīng)過覆蓋層2、生物化學(xué)溶液3、基底4到達(dá)探測器5。為了提高信噪比，我們采用一層遮擋板6遮住探測器5的大部分面積。只留一個(gè)比波長還要小的小孔用來透光，使得探測器可以探測到這兩束光在基底4底部的相干光強(qiáng)或功率。小孔的位置在臺階1邊緣的正下方。當(dāng)生物化學(xué)溶液3的有效折射率發(fā)生變化，那么探測器5所測到的相干光強(qiáng)或功率也會發(fā)生變化。從而實(shí)現(xiàn)對生物化學(xué)溶液中的生物化學(xué)分子的檢測。
或采用如圖3所示的凹槽結(jié)構(gòu)。在基底4中有一個(gè)狹長的凹槽里面充滿生物化學(xué)溶液3。生物化學(xué)溶液3的上面有覆蓋層2?；?的下方是探測器5。覆蓋層2和基底4都采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。 參見圖4，圖4是圖3的截面示意圖。當(dāng)經(jīng)過準(zhǔn)直后的入射光7向下垂直入射。在凹槽的邊緣將會發(fā)生分束， 一束依次經(jīng)過基底4到達(dá)探測器5 ;還有一束依次經(jīng)過覆蓋層2、生物化學(xué)溶液3、基底4到達(dá)探測器5。為了提高信噪比，我們采用一層遮擋板6遮住探測器5的大部分面積。只留一個(gè)比波長還要小的小孔用來透光，使得探測器可以探測到這兩束光在基底4底部的相干光強(qiáng)或功率。小孔的位置在凹槽邊緣的正下方。當(dāng)生物化學(xué)溶液3的有效折射率發(fā)生變化，那么探測器5所測到的相干光強(qiáng)或功率也會發(fā)生變化。從而實(shí)現(xiàn)對生物化學(xué)溶液中的生物化學(xué)分子的檢測。
權(quán)利要求
一種微型自相干生物化學(xué)傳感器，其特征在于該傳感器自上至下順序設(shè)有覆蓋層(2)、生物化學(xué)溶液(3)、基底(4)、遮擋板(6)、探測器(5)，臺階(1)插入覆蓋層(2)、生物化學(xué)溶液(3)位于基底(4)上，平行入射單色光(7)垂直入射于臺階(1)和覆蓋層(2)的上表面；在遮擋板(6)中設(shè)有透光孔(8)，該透光孔(8)位于臺階(1)邊緣下方的位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型自相干生物化學(xué)傳感器，其特征在于所述臺階(1)可為凹槽構(gòu)建在基底(4)內(nèi)，在凹槽中有生物化學(xué)溶液，這些溶液被一層覆蓋層(2)密封。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型自相干生物化學(xué)傳感器，其特征在于所述臺階或凹槽、基底以及覆蓋層是透光材料，空腔的高度應(yīng)盡可能地高，這樣當(dāng)溶液內(nèi)的有效折射率變化時(shí)，相位的變化更加明顯；為了防止溶液深度影響干涉結(jié)果，溶液必須充滿整個(gè)由基底和覆蓋層之間形成的空腔。
4.<image>image see original document page 2</image>
5. —種如權(quán)利要求1所述的微型自相干生物化學(xué)傳感器的檢測方法，其特征在于平行入射單色光(7)垂直向下入射，在臺階(1)的邊緣發(fā)生分束，一束依次經(jīng)過臺階(D、基底(4)到達(dá)探測器(5);還有一束從臺階(1)的旁邊依次經(jīng)過覆蓋層(2)、生物化學(xué)溶液(3)、基底(4)到達(dá)探測器(5);當(dāng)生物化學(xué)溶液(3)的有效折射率發(fā)生變化，探測器(5)所測到的相干光強(qiáng)或功率也會發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對生物化學(xué)溶液中的生物化學(xué)分子的檢測。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型自相干生物化學(xué)傳感器的檢測方法，其特征在于所述的探測器(5)用于測量相干光的強(qiáng)度或功率，為了提高信噪比，并不用探測器的整個(gè)面元探測，而是用一個(gè)遮擋物把大部分面元遮住，只留一個(gè)小于波長的小孔用于透過相干光，其位置在臺階的邊緣下方。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型自相干生物化學(xué)傳感器的檢測方法，其特征在于所述的臺階(1)的形狀可以是不規(guī)則的形狀，只要能夠確保經(jīng)過臺階或凹槽出射的光與經(jīng)過基底出射的光由于相位差不同產(chǎn)生干涉，并由底部的探測器能夠測到相干光的功率或強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明是一種微型自相干生物化學(xué)傳感器及其檢測方法，該傳感器自上至下順序設(shè)有覆蓋層(2)、生物化學(xué)溶液(3)、基底(4)、遮擋板(6)、探測器(5)，臺階(1)插入覆蓋層(2)、生物化學(xué)溶液(3)位于基底(4)上，平行入射單色光(7)垂直入射于臺階(1)和覆蓋層(2)的上表面；在遮擋板(6)中設(shè)有透光孔(8)，該透光孔(8)位于臺階(1)邊緣下方的位置。解決了背景技術(shù)中器件所占體積較大、檢測需要加入標(biāo)記、制作復(fù)雜、成本較高等技術(shù)問題。
文檔編號G01N21/45GK101788473SQ20091026425
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者何浩培, 李千秋, 楊濤, 蔡潮盛, 黃維 申請人:南京郵電大學(xué);香港中文大學(xué)