一種基于微納顆粒填充的光學(xué)微流控芯片生物傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供提出一種基于微納顆粒填充的光學(xué)微流控芯片生物傳感器，其特征是：通過在光學(xué)腔內(nèi)填充微納尺寸的小球，從而增加腔內(nèi)表面積和表面吸附量，以提高測(cè)試靈敏度；可以在腔內(nèi)填充兩種以及兩種以上尺寸的小球，來調(diào)節(jié)光學(xué)腔的表面積和球間距；適用于表面吸附物質(zhì)的折射率測(cè)試。
【專利說明】一種基于微納顆粒填充的光學(xué)微流控芯片生物傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微流控芯片中氣體和液體樣品(例如蛋白質(zhì)、DNA、抗原、抗體等)的折射率測(cè)試，可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)分析和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]有害氣體檢測(cè)在環(huán)境保護(hù)方面具有重要應(yīng)用，液體檢測(cè)則在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。微流控芯片可以作為承載氣體和液體樣品的理想通道；并且，其體積小，可以實(shí)現(xiàn)微量檢測(cè)，促進(jìn)分析儀器的微型化、集成化和便攜化。
[0003]折射率是反映氣體和液體性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，測(cè)試樣品的折射率就可以獲知樣品的類型和濃度等相關(guān)信息；并且光學(xué)傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)和響應(yīng)快的特點(diǎn)。因此，目前廣泛采用光學(xué)傳感器對(duì)微流控芯片中的樣品進(jìn)行折射率測(cè)量。Kobori等人(J.Am.Chem.Soc.，2004，126:557)利用表面等離子體共振傳感器(SPR)對(duì)雙鏈DNA進(jìn)行檢測(cè)。Liang等人(Appl.Phys.Lett.，2005，86:151122)利用光纖光柵傳感器對(duì)異丙醇的折射率進(jìn)行測(cè)量。Guo等人(Appl.Phys.Lett.，2011，98:041104)利用兩根光纖端面構(gòu)成的Fabry-Perot (FP)腔，對(duì)腔內(nèi)液體的折射率進(jìn)行測(cè)試。我們提出并實(shí)現(xiàn)了一種具有集成FP腔的微流控芯片傳感器(Appl.Phys.Lett.,2012,100:233705)，通過提高諧振腔的品質(zhì)因子，從而大幅提高傳感器的分辨率。
[0004]FP腔傳感器易于測(cè)試腔內(nèi)物質(zhì)的體折射率(即腔內(nèi)物質(zhì)的平均折射率)，但是不擅長(zhǎng)測(cè)試表面折射率(即類似SPR傳感器測(cè)試表面吸附物質(zhì)的折射率)。因此設(shè)計(jì)研發(fā)適用于測(cè)試表面折射率的FP腔傳感器，是本發(fā)明的創(chuàng)研動(dòng)機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在解決上述FP腔傳感器的表面折射率測(cè)試問題，提出“一種基于微納顆粒填充的光學(xué)微流控芯片生物傳感器”，通過在光學(xué)腔內(nèi)填充微納尺寸小球顆粒，增加腔內(nèi)表面積，從而增加表面吸附的待測(cè)物質(zhì)、提高測(cè)試靈敏度。
[0006]本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所不，光學(xué)腔內(nèi)填充小球后，光學(xué)腔的表面積從未填充時(shí)的LXWXH提高到填充后的LXWXH+NX Ji XD2 (其中L、W和H分別為矩形光學(xué)腔的長(zhǎng)度、寬度和高度，D為小球直徑，N為小球數(shù)量)。因此填充小球能大幅提高腔內(nèi)的表面積，從而提高測(cè)試靈敏度(注:由于球與球、球與平面的接觸為點(diǎn)接觸，其接觸面積很小，可以忽略不計(jì))。
[0007]本發(fā)明所述的傳感器，當(dāng)待測(cè)物質(zhì)通過入口和出口(圖1)流經(jīng)光學(xué)腔時(shí)，待測(cè)物質(zhì)會(huì)吸附在光學(xué)腔內(nèi)壁和小球的表面上，引起整個(gè)光學(xué)腔內(nèi)物質(zhì)的平均折射率發(fā)生改變，從而改變透過光學(xué)腔的光波的強(qiáng)度和相位。因此通過測(cè)試光學(xué)腔的透射光波的強(qiáng)度或相位，就能獲知腔內(nèi)吸附物質(zhì)的折射率，從而得到待測(cè)物質(zhì)的成份和濃度等信息。
[0008]本發(fā)明所述的傳感器，在測(cè)試前可以先通入氣態(tài)或液體的有機(jī)物質(zhì)，在光學(xué)腔內(nèi)壁和小球的表面吸附上一層有機(jī)物質(zhì)，從而增加表面對(duì)待測(cè)物質(zhì)的吸附能力。[0009]本發(fā)明所述的小球，其材料優(yōu)選折射率接近1.33(即水的折射率)的固態(tài)物質(zhì)(如玻璃、石英和聚苯乙烯等材料)，從而降低由于小球的引入所導(dǎo)致的光散射問題。
[0010]本發(fā)明所述的傳感器，可以選擇多種直徑(圖2中的D和d)的小球組合來填充光學(xué)腔內(nèi)部。圖2所示的為兩種直徑小球的組合，用以調(diào)節(jié)和優(yōu)化球與球的間距，從而調(diào)節(jié)待測(cè)物質(zhì)在球表面的吸附量。
[0011]本發(fā)明所述的光學(xué)腔，其入口和出口尺寸可以小于球的直徑，以避免小球被流體帶到腔外(圖2);可以有多個(gè)出口和入口，讓流體分布更均勻(圖2)。
[0012]本發(fā)明所述的小球，可以通過加壓、加熱或表面修飾的方法，讓小球團(tuán)聚成一個(gè)塊體、不會(huì)分散開，從而提高測(cè)試穩(wěn)定度、并且避免小球被液體沖走。
[0013]本發(fā)明所述的光學(xué)腔出口和入口，可以設(shè)計(jì)成漸變的錐形結(jié)構(gòu)(圖3)，以獲得平穩(wěn)的液體流動(dòng)。
[0014]本發(fā)明中，光學(xué)腔內(nèi)部小球的排列方式除了有序排列、也可以是隨機(jī)和無序的，其增加表面積的機(jī)理和效果是一致的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]附圖，其被結(jié)合入并成為本說明書的一部分，示范了本發(fā)明的實(shí)施例，并與前述的綜述和下面的詳細(xì)描述一起解釋本發(fā)明的原理。
[0016]圖1為只填充一種小球的傳感器結(jié)構(gòu)。
[0017]圖2為填充兩種直徑小球和多個(gè)出入口的傳感器結(jié)構(gòu)。
[0018]圖3為進(jìn)出口為錐形的傳感器結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使得本發(fā)明的技術(shù)方案更加清晰，以下結(jié)合測(cè)試方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0020]例I
[0021]首先，在硅襯底上制備結(jié)構(gòu)如圖1所示的微流控芯片傳感器，其中小球的材料為玻璃。
[0022]其次，在光學(xué)腔中先通入水溶液，然后再通入待測(cè)物質(zhì)的水溶液；待測(cè)物質(zhì)會(huì)在腔內(nèi)壁和小球的表面上吸附，從而改變腔內(nèi)物質(zhì)的整體平均折射率、以及透過腔的光波的相位。
[0023]最后，通過測(cè)試透過光波的相位，獲知待測(cè)物質(zhì)的折射率和成份。
[0024]例2
[0025]首先，在玻璃襯底上制備結(jié)構(gòu)如圖2所示的微流控芯片傳感器，其中小球的材料為有機(jī)塑料。
[0026]其次，在光學(xué)腔中先通入葡聚糖等溶液，葡聚糖分子會(huì)吸附在腔內(nèi)壁和小球的表面，以提高腔內(nèi)壁和小球表面的吸附能力；然后再通入含有待測(cè)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)溶液，待測(cè)物質(zhì)會(huì)在腔內(nèi)壁和小球的表面上吸附，從而改變腔內(nèi)物質(zhì)的整體平均折射率、以及透過腔的光波的強(qiáng)度。
[0027]最后，通過測(cè)試透過光波的強(qiáng)度，獲知待測(cè)物質(zhì)的折射率和濃度。[0028]例3
[0029]首先，在有機(jī)塑料襯底上制備結(jié)構(gòu)如圖3所示的微流控芯片傳感器，其中小球的材料為石英。
[0030]其次，在光學(xué)腔中先通入空氣，然后再通入含有酒精成份的空氣；酒精會(huì)在腔內(nèi)壁和小球的表面上吸附，從而改變腔內(nèi)物質(zhì)的整體平均折射率、以及透過腔的光波的相位。[0031 ] 最后，通過測(cè)試透過光波的相位，獲知酒精的濃度。
[0032]綜上所述，本發(fā)明提供的光學(xué)微流控芯片生物傳感器，通過在腔內(nèi)填充小球，有效增加腔內(nèi)的表面積和待測(cè)物質(zhì)的吸附量，從而大幅提高測(cè)試靈敏度。
[0033]以上所述是本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實(shí)例，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想所做的等效變換，只要其所運(yùn)用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說明。
【權(quán)利要求】
1.一種基于微納顆粒填充的光學(xué)微流控芯片生物傳感器，其特征是:通過在光學(xué)腔內(nèi)填充微納尺寸的小球，從而增加腔內(nèi)表面積和表面吸附量，以提高測(cè)試靈敏度；可以在腔內(nèi)填充兩種以及兩種以上尺寸的小球，來調(diào)節(jié)光學(xué)腔的表面積；適用于表面吸附物質(zhì)的折射率測(cè)試。
2.權(quán)利要求1所述的傳感器，當(dāng)待測(cè)物質(zhì)流經(jīng)光學(xué)腔時(shí)，待測(cè)物質(zhì)會(huì)吸附在光學(xué)腔內(nèi)壁和小球的表面上，引起整個(gè)光學(xué)腔內(nèi)物質(zhì)的平均折射率發(fā)生改變，從而改變透過光學(xué)腔的光波強(qiáng)度和相位。
3.權(quán)利要求1所述的光學(xué)腔，在測(cè)試前可以先通入氣態(tài)或液體的有機(jī)物質(zhì)，在光學(xué)腔內(nèi)壁和小球的表面吸附上一層有機(jī)物質(zhì)，從而增加表面對(duì)待測(cè)物質(zhì)的吸附能力。
4.權(quán)利要求1所述的光學(xué)腔，其入口和出口尺寸可以小于球的直徑，以避免小球被流體帶到腔外。
5.權(quán)利要求1所述的光學(xué)腔，可以有多個(gè)出口和入口，讓流體分布更均勻。
6.權(quán)利要求1所述的光學(xué)腔，其出口和入口可設(shè)計(jì)成錐形，使流體分布更均勻。
7.權(quán)利要求1所述的小球，可以通過加壓、加熱或表面修飾的方法，讓小球團(tuán)聚成一個(gè)塊體，從而提高測(cè)試穩(wěn)定度并避免小球被流體沖走。
8.權(quán)利要求1所述的傳感器，光學(xué)腔內(nèi)小球的排列方式可以是有序排列、也可以是隨機(jī)和無序的排列。
【文檔編號(hào)】G01N21/17GK103913436SQ201310019563
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2013年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月9日
【發(fā)明者】黃輝, 渠波, 吳海波, 劉蓬勃 申請(qǐng)人:黃輝, 渠波, 吳海波