專利名稱：波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型為一種波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器，其基于的物理機(jī) 理是金屬光子晶體中的粒子等離子共振與波導(dǎo)共振模式間強(qiáng)烈的光譜學(xué)耦合
作用，可以用于生物分子(蛋白質(zhì)、糖類分子、DNA等)的濃度和生物活性分 子特異反應(yīng)的高靈敏度傳感，屬于光電子技術(shù)與生物技術(shù)的交叉領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高靈敏度、高分辨特性的生物分子傳感器在生物學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等 科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中起著非常重要的作用?；诠庾V學(xué)響應(yīng)特性的生物傳 感器由于其可靠物理學(xué)原理和精密的技術(shù)手段而表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。
傳統(tǒng)的表面等離子共振(SPR)生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖l所示。該傳感 器由透明基板l，蒸鍍在基板1上表面的金屬層2，棱鏡6，光源7，光檢測 器8構(gòu)成。SPR生物傳感器用于生物特異反應(yīng)傳感工作原理是這樣的來自寬 帶光源7的光束以一定角度入射到棱鏡6上，棱鏡6將入射光以大角度導(dǎo)入 透明基板，被導(dǎo)入的入射光在金屬層2和基板1的界面發(fā)生全反射而在金屬 層2中激發(fā)倏逝波(Evanescent Wave)。在給定入射角情況下，倏逝波中的 某一頻率將與金屬層2的表面等離子共振頻率達(dá)到一致，使得入射光在該頻 率被強(qiáng)烈共振吸收，在其反射光譜中測得該頻率處一個顯著的吸收峰。這就 是所謂的表面等離子共振吸收。在實(shí)際應(yīng)用中，也可采用單色光源(如激光) 作為入射光，通過改變?nèi)肷浣莵韺?shí)現(xiàn)金屬層對其表面等離子共振吸收的目的。 目前所采用的技術(shù)多為前者，即采用固定入射角和寬帶光源的方式，可以避 免角度調(diào)節(jié)導(dǎo)致的操作繁瑣、誤差大、系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。
在生物傳感實(shí)驗(yàn)中，首先將能與配體3發(fā)生特異性識別反應(yīng)的受體4固 定在金屬層2上，由于表面等離子共振頻率強(qiáng)烈地依賴于環(huán)境的介電常數(shù)(折 射率)，經(jīng)受體分子固定后的金屬薄膜具備了特定的SPR頻率。然后將固定在 金屬薄膜2的受體與試料溶液5中的配體3相互作用，受體和配體發(fā)生特異 性反應(yīng)，金屬層表面處的介電常數(shù)就發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致金屬層的表面等離子共振頻率發(fā)生偏移。由此，可獲得試料溶液中配體濃度信息。
基于SPR技術(shù)的生物傳感器仍然具有器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備技術(shù)要求高、 系統(tǒng)操作繁瑣、測試周期長，從而成本高等缺點(diǎn)。因此，結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度 高、測試過程快捷、成本低的生物傳感器成為生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的迫切要求和 重要研發(fā)內(nèi)容。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服了現(xiàn)有生物傳感器的上述缺陷，提出了一種 波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器，該生物傳感器具有靈敏度高、成本低、 制備和使用方法簡單等優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)用新型中的生物傳感器所基于的物理機(jī)理是波導(dǎo)共振模式(WGM) 和金屬光子晶體的粒子等離子共振(PPR)模式間強(qiáng)烈的耦合作用，故稱其為 "波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器"。
本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案如下該生物傳感器從下到上依次包括基
底21、覆蓋在基底21上透明的波導(dǎo)層22、覆蓋在波導(dǎo)層22上的金屬光子晶 體23。
所述的波導(dǎo)層21的厚度為60nm 300nm。
所述的金屬光子晶體23為一維金屬光子晶體或二維金屬光子晶體。 所述的一維金屬光子晶體的周期為150nm 550nm。 所述的二維金屬光子晶體兩個方向的周期可以相同也可以不同，取值范 圍均為150nm 550nm。
使用上述波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器進(jìn)行檢測，其檢測方法如下:
1) 在金屬光子晶體23上固定對配體3具有特異性識別功能的受體4后 將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸；
2) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后以與基底21所在平面的法線成 9角(0的范圍為0 80° )照射金屬光子晶體，光檢測器8檢測經(jīng)過空白試 料溶液、金屬光子晶體23、波導(dǎo)層22和基底21的透射光的消光光譜；
3) 將含有配體的試料溶液流經(jīng)金屬光子晶體23的表面，配體與受體發(fā) 生特異性反應(yīng)。利用步驟1)中的空白試料溶液清洗掉沒有發(fā)生反應(yīng)的配體后，
4再將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸；
4) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后以與基底21所在平面的法線成 與步驟2)相同的9角度照射金屬光子晶體，光檢測器8檢測經(jīng)過空白試料溶 液、金屬光子晶體、波導(dǎo)層22和基底21的透射光的消光光譜；
5) 將步驟2)與步驟4)中的消光光譜作二次消光光譜計算，通過表征 不同配體濃度的光譜學(xué)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對配體濃度的定量檢測。
使用上述波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器進(jìn)行檢測，也可以按下述方 法進(jìn)行檢測
1) 在金屬光子晶體23上固定對配體3具有特異性識別功能的受體4后 將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸；
2) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成0 角度(e的范圍為0 80。)照射基底，光檢測器8檢測經(jīng)過基底21、波導(dǎo) 層22、金屬光子晶體23和空白試料溶液的透射光的消光光譜；
3) 將含有配體的試料溶液流經(jīng)金屬光子晶體23的表面，配體與受體發(fā) 生特異性反應(yīng)。利用步驟l)的空白試料溶液清洗掉沒有發(fā)生反應(yīng)的配體，最 后將空白試料溶液再與金屬光子晶體23的表面接觸；
4) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成與 步驟2)相同的9角度照射基底，光檢測器8檢測經(jīng)過基底21、波導(dǎo)層22、 金屬光子晶體23和空白試料溶液的反應(yīng)后的透射光的消光光譜；
5) 將步驟2)與步驟4)中的消光光譜作二次消光光譜計算，通過表征 不同配體濃度的光譜學(xué)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對配體濃度的定量檢測。
使用上述波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器進(jìn)行檢測，也可以按下述方 法進(jìn)行檢測-
1) 在金屬光子晶體23上固定對配體3具有特異性識別功能的受體4后 將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸；
2) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成9 角度(0的范圍為0 80° )照射金屬光子晶體，光檢測器8檢測依次經(jīng)過空 白試料溶液、金屬光子晶體和波導(dǎo)層22后被基底21發(fā)射回來的反射光的消光光譜；
3) 將含有配體的試料溶液流經(jīng)金屬光子晶體23的表面，配體與受體發(fā)生特異性反應(yīng)。利用步驟l)的空白試料溶液清洗掉沒有發(fā)生反應(yīng)的配體，最后將空白試料溶液再與金屬光子晶體23的表面接觸。
4) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成與步驟2)相同的e角度照射金屬光子晶體，光檢測器8檢測反應(yīng)后依次經(jīng)過空白試料溶液、金屬光子晶體23和波導(dǎo)層22后被基底21反射回來的反射光的消光光譜；
5) 將步驟2)與步驟4)中的消光光譜作二次消光光譜計算，通過表征不同配體濃度的光譜學(xué)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對配體濃度的定量檢測。
使用上述波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器進(jìn)行檢測，也可以按下述方法進(jìn)行檢測
1) 在金屬光子晶體23上固定對配體3具有特異性識別功能的受體4后將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸；
2) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成9角度(0的范圍為0 80。)照射基底21，光檢測器8檢測依次經(jīng)過基底21和波導(dǎo)層22后被金屬光子晶體反射回來的反射光的消光光譜；
3) 將含有配體的試料溶液流經(jīng)金屬光子晶體23的表面，配體與受體發(fā)生特異性反應(yīng)。利用步驟l)的空白試料溶液清洗掉沒有發(fā)生反應(yīng)的配體，最后將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸。
4) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成與步驟2)相同的e角度照射基底21，光檢測器8檢測反應(yīng)后依次經(jīng)過基底21和波導(dǎo)層22后，被金屬光子晶體反射回來的反射光的消光光譜；
5) 將步驟2)與步驟4)中的消光光譜作二次消光光譜計算，通過表征不同配體濃度的光譜學(xué)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對配體濃度的定量檢測。
本實(shí)用新型中的裝置還可以用來定量檢測物質(zhì)濃度的變化，具體有以下幾種檢測方法
一、使用本實(shí)用新型中的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器進(jìn)行物質(zhì)濃度的檢測，可按下述方法進(jìn)行
1) 將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸；
2) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成9角度(e的范圍為0 80° )照射金屬光子晶體，光檢測器8檢測經(jīng)過空白試料溶液、金屬光子晶體23、波導(dǎo)層22和基底21的透射光的消光光譜；
3) 將含有某種物質(zhì)的試料溶液流經(jīng)金屬光子晶體23的表面，并與金屬光子晶體23的表面接觸。
4) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成與步驟2)相同的e角度照射金屬光子晶體，光檢測器8檢測經(jīng)過試料溶液、金屬光子晶體23、波導(dǎo)層22和基底21的透射光的消光光譜；
5) 將步驟2)與步驟4)中的消光光譜作二次消光光譜計算，通過表征該物質(zhì)不同濃度的光譜學(xué)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對該物質(zhì)濃度的定量檢測。
二、本方法與方法一的不同之處在于檢測光從基底入射，具體步驟如下
1) 將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸；
2) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成9角度(e的范圍為0 80。)照射基底21，光檢測器8檢測經(jīng)過基底21、波導(dǎo)層22、金屬光子晶體23和空白試料溶液的透射光的消光光譜；
3) 將含有某種物質(zhì)的試料溶液流經(jīng)金屬光子晶體23的表面，并與金屬光子晶體23的表面接觸。
4) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成與步驟2)相同的e角度照射基底21，光檢測器8檢測經(jīng)過基底21、波導(dǎo)層22、金屬光子晶體23和試料溶液的透射光的消光光譜；
5) 將步驟2)與步驟4)中的消光光譜作二次消光光譜計算，通過表征該物質(zhì)不同濃度的光譜學(xué)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對該物質(zhì)濃度的定量檢測。
三、本方法采用的檢測反射光的方法來確定物質(zhì)濃度的變化，其具體步驟如下
1) 將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸；
2) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成e角度(0的范圍為0 80° )照射金屬光子晶體，光檢測器8檢測依次經(jīng)過空 白試料溶液、金屬光子晶體23和波導(dǎo)層22后，被基底21反射的反射光的消 光光譜；
3) 將含有某種物質(zhì)的試料溶液流經(jīng)金屬光子晶體23的表面，并與金屬 光子晶體23的表面接觸。
4) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成與 步驟2)相同的e角度照射金屬光子晶體，光檢測器8檢測依次經(jīng)過試料溶液、 金屬光子晶體和波導(dǎo)層22后，被基底21反射的反射光的消光光譜；
5) 將步驟2)與步驟4)中的消光光譜作二次消光光譜計算，通過表征 該物質(zhì)不同濃度的光譜學(xué)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對該物質(zhì)濃度的定量檢測。
四、本方法與方法三的區(qū)別在于檢測光從基底入射，具體步驟如下
1) 將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸；
2) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成0 角度(e的范圍為0 80。)照射基底21，光檢測器8檢測經(jīng)過基底21和波 導(dǎo)層22后被金屬光子晶體反射的反射光的消光光譜；
3) 將含有某種物質(zhì)的試料溶液流經(jīng)金屬光子晶體23的表面，并與金屬 光子晶體23的表面接觸；
4) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成與 步驟2)相同的6角度照射基底21，光檢測器8檢測依次經(jīng)過基底21和波導(dǎo) 層22后被金屬光子晶體反射的反射光的消光光譜；
5) 將步驟2)與步驟4)中的消光光譜作二次消光光譜計算，通過表征 該物質(zhì)不同濃度的光譜學(xué)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對該物質(zhì)濃度的定量檢測。
該生物傳感器的工作原理如圖5所示入射光24在金屬光子晶體23中 激發(fā)粒子等離子共振激元而在特征光譜區(qū)被強(qiáng)烈吸收的同時，被金屬光子晶 體衍射并在波導(dǎo)層22中激發(fā)波導(dǎo)傳播模式27。波導(dǎo)模式傳播過程中被上表面 的金屬光子晶體衍射而產(chǎn)生多束平行于透射光26的衍射光28，衍射光28進(jìn) 一步與透射光26發(fā)生干涉。這樣，在測得的透射光的寬帶等離共振吸收光譜 中可以觀察到一個窄帶的透射增強(qiáng)信號，這是波導(dǎo)模式與等離子共振模式耦
8合作用的結(jié)果。金屬光子晶體的粒子等離子共振吸收和波導(dǎo)共振模式的光譜 學(xué)響應(yīng)特征均隨金屬光子晶體上表面環(huán)境折射率的變化而發(fā)生偏移，其偏移 量直接對應(yīng)于環(huán)境折射率的變化量。因此，通過測量粒子等離子共振吸收和 波導(dǎo)共振模式的耦合光譜的變化即可定量表征環(huán)境折射率的變化量。這就是 本實(shí)用新型中生物傳感器的工作原理。其中窄帶波導(dǎo)共振模式的引入大大提 高了傳感器響應(yīng)的靈敏度。
本實(shí)用新型的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器的檢測原理如下在生 物特異反應(yīng)傳感實(shí)驗(yàn)中，首先將對配體(抗原)3具有特異性識別功能的受體 (抗體)4固定在金屬光子晶體23的表面，構(gòu)成傳感器的初始膜片；將試料
溶液5流經(jīng)金屬光子晶體23的表面，若試料中存在配體(抗原)3，受體(抗 體)4與配體(抗原)3便會發(fā)生特異性反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)前后消光光譜的變化， 定量給出波導(dǎo)模式與粒子等離子共振模式間耦合作用的微小變化，通過對光 譜變化規(guī)律的定量表征，實(shí)現(xiàn)對試料溶液5中配體(抗原)3的濃度的檢測。 在物質(zhì)濃度檢測實(shí)驗(yàn)中，試料溶液5流經(jīng)金屬光子晶體23的表面，若試料中 待測物質(zhì)的濃度發(fā)生變化，根據(jù)濃度變化前后消光光譜的變化，定量給出波 導(dǎo)模式與粒子等離子共振模式間耦合作用的微小變化，通過對光譜變化規(guī)律 的定量表征，實(shí)現(xiàn)對待測物質(zhì)濃度的檢測。
本實(shí)用新型區(qū)別于傳統(tǒng)的SPR傳感器的優(yōu)勢特點(diǎn)體現(xiàn)在以下方面-
1) 成本低不管是波導(dǎo)耦合金屬光子晶體傳感器件還是光譜學(xué)測試系統(tǒng) 的成本均遠(yuǎn)低于SPR傳感器系統(tǒng)。整個傳感器系統(tǒng)成本只有目前市場上已有 的SPR生物傳感器價格的10%以下。其核心的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體傳感器可 以重復(fù)使用，提高了實(shí)際應(yīng)用的靈活性。
2) 靈敏度高波導(dǎo)共振模式的引入實(shí)現(xiàn)了對粒子等離子共振模式的窄帶 調(diào)制，大大提高了器件對環(huán)境折射率變化響應(yīng)的靈敏度。
3) 測試手段靈活、簡便根據(jù)不同需求，多種測試方法可供選擇；測試 過程中，只需采用常規(guī)的光學(xué)和光譜學(xué)測試手段，獲得透射或反射光譜或透 射或反射的消光光譜。
4) 便于集成波導(dǎo)耦合金屬光子晶體體積小，形狀規(guī)則， 于嵌入系統(tǒng)，構(gòu)成生物芯片結(jié)構(gòu)。

圖1傳統(tǒng)的表面等離子共振生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
圖2本實(shí)用新型的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器的剖面圖 圖3本實(shí)用新型的波導(dǎo)耦合一維金屬光子晶體生物傳感器的正視圖 圖4本實(shí)用新型的波導(dǎo)耦合二維金屬光子晶體生物傳感器的正視圖 圖5本實(shí)用新型的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器的光學(xué)原理圖 圖6本實(shí)用新型的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器的結(jié)構(gòu)圖 圖7本實(shí)用新型的生物傳感器的正面透射式檢測示意圖 圖8本實(shí)用新型的生物傳感器的背面透射式檢測示意圖 圖9本實(shí)用新型的生物傳感器的正面反射式檢測示意圖
圖io本實(shí)用新型的生物傳感器的背面反射式檢測示意圖
圖11本實(shí)用新型中的透射式波導(dǎo)耦合金光子晶體生物傳感器的消光光譜 圖12本實(shí)用新型中的透射式波導(dǎo)耦合金光子晶體生物傳感器的檢測信號 圖13本實(shí)用新型中的反射式波導(dǎo)耦合金光子晶體生物傳感器的反射光的消光 光譜
圖14本實(shí)用新型中的反射式波導(dǎo)耦合金光子晶體生物傳感器的檢測信號 圖中l(wèi).透明基板，2.金屬層，3.配體(抗原)，4.受體(抗體)，5.
試料溶液，6.棱鏡，7.光源，8.光檢測器，21.基底，22.波導(dǎo)層，23.金屬
光子晶體，31.偏振控制器。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明-
本實(shí)用新型中的生物傳感器包括基底21 (厚度為D)、覆蓋在基底21上 的透明的波導(dǎo)層22 (厚度d)以及覆蓋在波導(dǎo)層22上的金屬光子晶體23 (周 期為A)，該生物傳感器的剖面圖如圖2所示。其中波導(dǎo)層22的厚度d的 取值范圍為60 300 nm,金屬光子晶體23可采用一維(圖3)或二維結(jié)構(gòu)(圖 4)，稱為一維或二維金屬光子晶體。 一維金屬光子晶體的周期為150 550 rnn, 二維光子晶體兩個方向的周期均可取為150 550 mn。
10本實(shí)用新型中的生物傳感器在基底21的透明波導(dǎo)層22上制備金屬(優(yōu)選 金、銀或者鉑)一維或二維光子晶體，獲得如圖2 圖4所示的波導(dǎo)耦合金屬 光子晶體生物傳感器；
本實(shí)用新型中的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器的檢測方法如下
1) 在生物特異性識別檢測中，首先將對配體(抗原)3具有特異性識別 功能的受體(抗體)4固定在步驟1)中制備的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳 感器中金屬光子晶體23的表面，構(gòu)成傳感器的初始膜片；
2) 光譜測試方法可采用如圖7 圖10所示的方式
3) 將試料溶液5流經(jīng)步驟3)獲得的生物傳感器的表面，若試料中存在 配體(抗原)3，受體(抗體)4便與其發(fā)生特異性反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)前后消光 光譜的變化，定量給出波導(dǎo)模式與粒子等離子共振模式間耦合作用的微小變 化(如圖11或者圖13所示)，通過表征不同濃度抗原的光譜學(xué)變化規(guī)律，實(shí) 現(xiàn)對試料溶液5中配體(抗原)3濃度的定量檢測。
本實(shí)用新型中的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器的檢測也可采用如下 方法
1) 將空白的試料溶液(溶劑)與金屬光子晶體23的表面接觸；
2) 光譜測試方法可采用如圖7 圖IO所示的方式；
3) 將含有某種物質(zhì)的試料溶液(待測物質(zhì)的溶液)與金屬光子晶體23 的表面接觸，根據(jù)試料溶液濃度的變化，定量給出波導(dǎo)模式與粒子等離子共 振模式間耦合作用的微小變化(如圖11或者圖13所示)，通過表征該物質(zhì)不 同濃度的光譜學(xué)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對該物質(zhì)濃度的定量檢測；
下面為本實(shí)用新型中的裝置及其檢測方法的實(shí)例 實(shí)施例l:
本實(shí)施例為正面透射式波導(dǎo)耦合一維金屬光子晶體生物傳感器及其檢測 方法
本實(shí)施例中所使用的基底21采用厚度D 二 lmm的玻璃，波導(dǎo)層22采用 氧化銦錫(ITO)薄膜，厚度為d = 200mn的玻璃片。本實(shí)施例采用干涉光刻結(jié)合溶液法的制備方法在玻璃基底的ITO波導(dǎo)層
上制備周期為A =330 nm —維金光子晶體，獲得波導(dǎo)耦合一維金光子晶體生物 傳感器。利用該傳感器進(jìn)行檢測時，其檢測方法如下
1) 將對配體(抗原)3具有特異性識別功能的受體(抗體)4固定在波 導(dǎo)耦合一維金屬光子晶體生物傳感器中的金屬光子晶體23的表面，構(gòu)成傳感 器的初始膜片，將空白試料溶液(不含待測物質(zhì)的緩沖溶液或溶劑)與金屬 光子晶體23的表面接觸；
2) 光譜測試方式采用如圖7所示的正面透射式，光源選用溴鴇燈，入射 光經(jīng)過偏振控制器31以與基底21所在平面的法線成9 =32°角向本實(shí)施例中 的波導(dǎo)耦合一維金屬光子晶體照射光，光檢測器8檢測經(jīng)過空白試料溶液、 一維金屬光子晶體、波導(dǎo)層和基底的透射光的消光光譜；
3) 將含有配體(抗原)3的試料溶液(含有待測物質(zhì)的緩沖溶液或溶劑) 流經(jīng)步驟2)獲得的生物傳感器的表面，配體(抗原)3與受體(抗體)4發(fā) 生特異性識別反應(yīng)，利用步驟2)的空白試料溶液清洗掉沒有發(fā)生反應(yīng)的抗原， 最后將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸；
4) 溴鎢燈光源發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后，以與基底21所在平面的 法線成6=32°角度照射一維金屬光子晶體，光檢測器檢測經(jīng)過空白試料溶 液、 一維金屬光子晶體、波導(dǎo)層和基底的反應(yīng)后透射光的消光光譜；
5) 步驟2)與步驟4)中消光光譜比較，獲得如圖ll所示的反應(yīng)前后波 導(dǎo)模式與粒子等離子共振模式間耦合作用的微小變化，對消光光譜作二次消 光光譜處理，獲得如圖12所示的信號，通過表征不同抗原濃度的光譜學(xué)變化 規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對抗原濃度的定量檢測。
本實(shí)施例為背面透射式二維波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器及器檢測
方法
本實(shí)施例中所使用的基底采用厚度D = lmm的玻璃，波導(dǎo)層采用ITO， 厚度為d = 200nm的玻璃片。
本實(shí)施例采用干涉光刻結(jié)合溶液法的制備方法在玻璃基底的ITO波導(dǎo)層200920106042.8
合二維金光 子晶體生物傳感器。利用該傳感器進(jìn)行檢測時，其檢測方法如下
1) 將對配體(抗原)3具有特異性識別功能的受體(抗體)4固定在二 維波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器中金屬光子晶體的表面，構(gòu)成傳感器的 初始膜片，將空白試料溶液與金屬光子晶體的表面接觸；
2) 光譜測試方式采用如圖8所示的背面(基底面)透射式，光源選用溴鎢 燈，入射光經(jīng)過偏振控制器后以與基底21所在平面的法線成9=48°角向本 實(shí)施例中的波導(dǎo)耦合二維金屬光子晶體生物傳感器的基底照射，光檢測器檢 測經(jīng)過基底、波導(dǎo)層、二維金屬光子晶體和空白試料溶液的透射光的消光光 譜；
3) 將含有抗原的試料溶液流經(jīng)步驟2)獲得的生物傳感器的表面，抗原 與抗體發(fā)生特異性識別反應(yīng)，利用步驟2)的空白試料溶液清洗掉沒有發(fā)生反 應(yīng)的抗原，最后將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸。
4) 溴鎢燈光源發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器后，以與基底21所在平面的法 線成9=48°角度照射基底，光檢測器檢測入射光經(jīng)過基底、波導(dǎo)層、二維金
屬光子晶體和空白試料溶液的透射光的消光光譜；
5) 步驟2)與歩驟4)中消光光譜比較，獲得如圖ll所示的波導(dǎo)模式與
粒子等離子共振模式間耦合作用的微小變化，對消光光譜作二次消光光譜處 理，獲得如圖12所示的信號，通過表征不同抗原濃度的光譜學(xué)變化規(guī)律，實(shí)
現(xiàn)對抗原濃度的定量檢測。 實(shí)施例3:
本實(shí)施例為正面反射式波導(dǎo)耦合一維金屬光子晶體生物傳感器及其檢測 方法
本實(shí)施例中所使用的基底采用厚度D 二 lmm的玻璃，波導(dǎo)層采用IT0， 厚度為d = 210nm的玻璃片。
本實(shí)施例采用干涉光刻結(jié)合溶液法的制備方法在玻璃基底的ITO波導(dǎo)上 制備周期為A=400 nm —維金光子晶體，獲得波導(dǎo)耦合一維金光子晶體生物傳感器；
1) 將對抗原具有特異性識別功能的抗體固定在波導(dǎo)耦合一維金屬光子晶 體生物傳感器中金屬光子晶體的表面，構(gòu)成傳感器的初始膜片，將空白試料
溶液與金屬光子晶體23的表面接觸；
2) 光譜測試方式采用如圖9所示的正面反射式，光源選用溴鎢燈，入射 光經(jīng)過偏振控制器后以與基底21所在平面的法線成9= 2°角向本實(shí)施例中 的波導(dǎo)耦合一維金屬光子晶體生物傳感器的一維金屬光子晶體面照射，照射 光依次經(jīng)過空白試料溶液、 一維金屬光子晶體、波導(dǎo)層后被基底21反射，光 檢測器8接收該反射光的消光光譜；
3) 將含有抗原的試料溶液流經(jīng)步驟2)獲得的生物傳感器的表面，抗原 與抗體發(fā)生特異性識別反應(yīng)，利用步驟2)的空白試料溶液清洗掉沒有發(fā)生反 應(yīng)的抗原，最后將空白試料溶液與金屬光子晶體23的表面接觸。
4) 溴鎢燈光源發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器后，以與基底21所在平面的法 線成6=2°角度照射一維金屬光子晶體，光檢測器檢測經(jīng)過空白試料溶液、 一維金屬光子晶體、波導(dǎo)層后，被基底反射的反應(yīng)后的反射光的消光光譜；
5) 步驟2)與步驟4)中消光光譜比較，獲得如圖13所示的反應(yīng)前后波
導(dǎo)模式與粒子等離子共振模式間耦合作用的微小變化，對消光光譜作二次消 光光譜處理，獲得如圖14所示的信號，通過表征不同抗原濃度的光譜學(xué)變化 規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對抗原濃度的定量檢測。 實(shí)施例4:
本實(shí)施例為背面反射式一維波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器及其檢測 方法本實(shí)施例中的裝置與實(shí)施例3相同，其檢測方法與實(shí)施例3基本相同， 不同之處僅在于入射光經(jīng)過偏振控制器后，入射到基底21上，檢測器8檢 測的是入射光經(jīng)基底、波導(dǎo)層、金屬光子晶體后，由金屬光子晶體反射光的 消光光譜。
本實(shí)用新型中的傳感器也可以實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)濃度的檢測，下面結(jié)合具體的 檢測方法進(jìn)行說明 實(shí)施例5:本實(shí)施例為正面透射式二維波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器及器檢測
方法
本實(shí)施例中所使用的基底采用厚度D 二 lmm的玻璃，波導(dǎo)層采用IT0，厚 度為d 二 200nm的玻璃片。
本實(shí)施例采用干涉光刻結(jié)合溶液法的制備方法在玻璃基底的ITO波導(dǎo)層 上制備兩個方向周期均為A=350 nm 二維金光子晶體，獲得波導(dǎo)耦合二維金光 子晶體生物傳感器。使用本實(shí)施例中的裝置對物質(zhì)濃度的檢測，其檢測的步 驟如下-
1) 將空白試料(純水)與二維金屬光子晶體23的表面接觸；
2) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成36 。角照射金屬光子晶體，光檢測器8檢測依次經(jīng)過純水、金屬光子晶體23波 導(dǎo)層22、和基底21的透射光的消光光譜；
3) 將含有蔗糖的試料溶液流(蔗糖的水溶液)經(jīng)金屬光子晶體23的表 面，并與金屬光子晶體23的表面接觸；
4) 光源7發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器31后與基底21所在平面的法線成36 °角照射金屬光子晶體，光檢測器8檢測依次經(jīng)過蔗糖溶液、金屬光子晶體23、 波導(dǎo)層22、和基底21的透射光的消光光譜；
5) 將步驟2)與步驟4)中的消光光譜作二次消光光譜計算，獲得如圖 14所示的因蔗糖濃度變化產(chǎn)生的信號，通過表征不同濃度蔗糖的光譜學(xué)變化 規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對蔗糖濃度的定量檢測。
實(shí)施例6:
本實(shí)施例為背面透射式一維波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器及其檢測 方法本實(shí)施例中的裝置與實(shí)施例5相同，其檢測方法與實(shí)施例5基本相同，
不同之處僅在于..入射光經(jīng)過偏振控制器后，入射到基底21上，光檢測器S 檢測的是入射光經(jīng)基底、波導(dǎo)層、金屬光子晶體后透射光的消光光譜。
實(shí)施例7:
本實(shí)施例為正面反射式一維波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器及其檢測 方法本實(shí)施例中的裝置與實(shí)施例5相同，其檢測方法與實(shí)施例5基本相同，
15不同之處僅在于入射光經(jīng)過偏振控制器后，入射到金屬光子晶體23上，檢 測器8檢測的是入射光經(jīng)金屬光子晶體、波導(dǎo)層、基底后，由基底21反射的 反射光的消光光譜。 實(shí)施例8:
本實(shí)施例為背面反射式一維波導(dǎo)耦合金屬光子品體生物傳感器及其檢測 方法本實(shí)施例中的裝置與實(shí)施例5相同，其檢測方法與實(shí)施例5基本相同， 不同之處僅在于入射光經(jīng)過偏振控制器后，入射到基底21上，光檢測器8 檢測的是入射光依次經(jīng)過基底、波導(dǎo)層、金屬光子晶體后，被金屬光子晶體
21反射的反射光的消光光譜。
權(quán)利要求1、波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器，其特征在于從下到上依次包括基底、覆蓋在基底上的透明的波導(dǎo)層、以及覆蓋在波導(dǎo)層上的金屬光子晶體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器，其特征在于 所述的波導(dǎo)層的厚度為60nm 300nm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器，其特征在于 所述的金屬光子晶體為一維金屬光子晶體或二維金屬光子晶體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器，其特征在于 所述的一維金屬光子晶體的周期為150nm 550nm;所述的二維金屬光子晶體 兩個方向的周期均為150nm 550腿。
專利摘要本實(shí)用新型為一種波導(dǎo)耦合金屬光子晶體生物傳感器，用于生物分子的濃度和生物活性分子特異反應(yīng)的高靈敏度傳感。本實(shí)用新型包括基底、波導(dǎo)層以及備在波導(dǎo)層上的金屬光子晶體，檢測時，光源發(fā)出的光以一定角度照射在金屬光子晶體上，光檢測器檢測經(jīng)過波導(dǎo)層和基底的透射光的消光光譜，或者檢測通過金屬光子晶體的反射光的消光光譜，然后在金屬光子晶體上固定受體后再將試料溶液流經(jīng)金屬光子晶體的表面，此時再用檢測器檢測此時通過波導(dǎo)層和基底的透射光的消光光譜，或者檢測通過金屬光子晶體的反射光的消光光譜，對兩次消光光譜作二次消光光譜計算，實(shí)現(xiàn)對配體濃度的定量檢測。本實(shí)用新型具有靈敏度高、成本低、制備和使用方法簡單等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01N33/553GK201434868SQ20092010604
公開日2010年3月31日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者劉紅梅, 張新平 申請人:北京工業(yè)大學(xué)