一種增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)。所述納流道棱鏡波導(dǎo)包括太赫茲多次衰減全反射(M?ATR)棱鏡1，規(guī)則排列的陣列式納流道2，蓋片3，太赫茲波耦合面4，所述陣列式納流道2設(shè)置于太赫茲M?ATR棱鏡1上下兩面，所述蓋片3用于密封納流道2，所述蓋片3與陣列式納流道結(jié)構(gòu)2接觸的一面設(shè)有與納流道2垂直的微流道31，所述微流道31上設(shè)有進(jìn)出樣孔32，所述太赫茲波耦合面4設(shè)置在太赫茲M?ATR棱鏡1兩端。利用本發(fā)明的納流道棱鏡波導(dǎo)，可在溶液環(huán)境下的生物分子的太赫茲光譜檢測中，增強(qiáng)生物分子的太赫茲特征吸收信號，提高特征光譜的信噪比。
【專利說明】
-種増強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo) 及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及太赫茲生物分子檢測技術(shù)，具體設(shè)及一種增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲 特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物分子的太赫茲光譜包含著豐富的物理和化學(xué)信息，能夠直接反映分子的低頻 振動，運(yùn)些振動直接關(guān)系著生物分子的空間構(gòu)象W及相應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)和生物功能。因此，太 赫茲光譜是一種有效的生物檢測技術(shù)。
[0003] 鑒于蛋白質(zhì)等生物分子只有在水環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)生命功能，檢測生理溶液中 活性生物分子的太赫茲光譜才更具有實(shí)際的意義。但是，水對太赫茲波的強(qiáng)吸收，一直是在 溶液環(huán)境中檢測生物分子太赫茲特征光譜的障礙。水分子的強(qiáng)極性導(dǎo)致的對太赫茲波的強(qiáng) 吸收，會掩蓋相對較弱的生物分子的吸收衰減信號；另外，相比晶格結(jié)構(gòu)的分子間振動，生 物分子在溶液中的振動模態(tài)更加多樣和隨機(jī)，運(yùn)使得很難在太赫茲光譜上觀測到明顯、穩(wěn) 定、復(fù)現(xiàn)性強(qiáng)的特征光譜。
[0004] 為了減弱水的背景吸收，同時(shí)對生物分子的振動模態(tài)做一定的約束，一些學(xué)者將 生物溶液注入到百納米級的陣列式流道中，并結(jié)合高光譜分辨率的太赫茲源，探測了緩沖 液中短鏈RNA、雙鏈DNA的太赫茲光譜，獲得了 10~20G化寬的特征吸收峰。上述結(jié)果表明納 流道能夠減小水與太赫茲波的作用，同時(shí)提供生物分子的受限環(huán)境，增強(qiáng)特征振動模態(tài)的 振子強(qiáng)度，是在溶液中檢測太赫茲特征光譜的一條行之有效的途徑。然而，上述方法中太赫 茲波束僅穿過百納米級厚度的流道忍片，運(yùn)樣太赫茲波與樣本的作用光程受納流道深度的 限制，運(yùn)使得溶液中生物分子的吸收信號相對緩沖液參照信號的動態(tài)范圍很低，需反復(fù)對 比樣本信號和參考信號才能確定特征吸收峰位。因此，如何提高太赫茲液相探測中特征信 號的信噪比，是太赫茲生物檢測技術(shù)亟待突破的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納 流道棱鏡波導(dǎo)及其制備方法，用W在液相環(huán)境的太赫茲生物檢測中，提高生物分子特征光 譜的信噪比。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明具體公開了如下的技術(shù)方案：
[0007] 1、一種增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)，所述納流道棱鏡 波導(dǎo)由陣列式納流道與太赫茲多次衰減全反射(M-ATR)棱鏡集成。
[000引優(yōu)選的，所述納流道棱鏡波導(dǎo)包括太赫茲M-ATR棱鏡1，規(guī)則排列的陣列式納流道 2，蓋片3，太赫茲波禪合面4，所述陣列式納流道2設(shè)置于太赫茲M-AT財(cái)賣鏡1上下兩面，所述 蓋片3用于密封納流道2,所述蓋片3與陣列式納流道結(jié)構(gòu)2接觸的一面設(shè)有與納流道2垂直 的微流道31，所述微流道31上設(shè)有進(jìn)出樣孔32，所述太赫茲波禪合面4設(shè)置在太赫茲M-ATR 棱鏡1兩端。
[0009] 優(yōu)選的，所述太赫茲波禪合面4面形精度小于500皿，表面粗糖度小于100皿，所述 波束禪合面傾斜角為波束入射角，波速入射角大小設(shè)置成大于臨界內(nèi)反射角。
[0010] 優(yōu)選的，所述納流道2寬500~800nm、深800~1200nm，相鄰兩通道的間距500~ 800nm。
[0011] 優(yōu)選的，所述微流道31有兩條并分別置于納流道2兩側(cè)，所述微流道31寬200~500 皿、深5~100皿，所述微流道31的長度能貫穿每一條納流道2。
[0012] 優(yōu)選的，所述進(jìn)樣孔32設(shè)置在每一條微流道31的兩端。
[0013] 2、所述增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)的制備方法，包括 W下步驟：
[0014] 1)通過熱氧化在娃棱鏡上表面形成厚度為800~1200nm的Si化層；
[001引2)在Si02層上刻蝕厚度與Si02層一致，寬度為500~800nm的規(guī)則排列的陣列式納 流道，相鄰兩通道的間距500~800nm;
[0016] 3)取玻璃片，采用濕法刻蝕在玻璃片對應(yīng)位置刻蝕出與納流道垂直的微流道，微 流道寬200~500皿、深5~100皿；
[0017] 4)通過激光打孔，在玻璃片的微流道兩頭打出進(jìn)出樣孔；
[0018] 5)通過陽極鍵合，將經(jīng)步驟2)制備的帶有陣列式納流道的娃棱鏡與步驟4)制備的 玻璃片鍵合，使微流道連通各條納流道，并形成密封的流道結(jié)構(gòu)；
[0019] 6)重復(fù)1~5的步驟，在娃棱鏡的下表面也形成同樣密封的流道結(jié)構(gòu)，即形成納流 道娃棱鏡；
[0020] 7)通過切削、拋光或者濕法刻蝕技術(shù)制作納流道娃棱鏡的波束禪合面，并設(shè)計(jì)波 束禪合面的入射角，即形成納流道棱鏡波導(dǎo)。
[0021] 優(yōu)選的，步驟3)所述玻璃片的厚度為400~1000皿。
[0022] 優(yōu)選的，所述波束禪合面面形精度小于500nm，表面粗糖度小于lOOnm，所述波束禪 合面傾斜角為波束入射角，波速入射角大小設(shè)置成大于臨界內(nèi)反射角。
[0023] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0024] 1、利用本發(fā)明的納流道棱鏡波導(dǎo)，可在太赫茲波段下，實(shí)現(xiàn)陣列式納流道與太赫 茲M-ATR結(jié)合的探測方式；
[0025] 2.利用本發(fā)明的納流道棱鏡波導(dǎo)，可在溶液環(huán)境下的生物分子的太赫茲光譜檢測 中，增強(qiáng)生物分子的太赫茲特征吸收信號，提高特征光譜的信噪比。為實(shí)現(xiàn)在生理狀態(tài)下對 活性生物分子太赫茲指紋峰的高信噪比探測提供支持。
【附圖說明】
[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖：
[0027] 圖1表示納流道棱鏡波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2表示納流道棱鏡波導(dǎo)的右視圖；
[0029] 圖3表示納流道棱鏡波導(dǎo)的俯視圖；
[0030] 圖4表示陣列式納流道集成太赫茲M-ATR，對吸收信號增強(qiáng)作用的原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例中未注明具體條 件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。
[0032] 選用電阻率大于1000 Ω . cm高阻娃為棱鏡材料，保證太赫茲的高透射。根據(jù)太赫 茲光斑大小，為了使盡可能多的能量禪合入娃棱鏡，擬選取5mm厚的娃片；
[0033] 棱鏡表面陣列式流道的側(cè)壁面采用氧化-光刻的方法形成。所W內(nèi)反射界面為娃- 二氧化娃、溶液界面。流道面用上述2個(gè)物質(zhì)折射率的加權(quán)平均值計(jì)算出有效介質(zhì)的折射 率，
[0034]
往 J
[003引上式中妨S化為Si化通道側(cè)壁的寬度，cos。功通道中溶液占據(jù)的寬度，P為陣列的周 期間距。在本例中nsoi = 1.0~1.5，nsi(、= 1.9--2.0,
[0036] 根據(jù)下式確定全內(nèi)反射的入射角，
[0037]
鱗
[0038] dp為太赫茲波的電場強(qiáng)度衰減至表面處的1/e時(shí)的特征穿透深度，λ為入射波波 長，Θ為入射角。在本例中nsi = 3.4~3.5，入射角的選取應(yīng)大于臨界角，本例中選55°。
[0039] 根據(jù)比爾-朗伯定律，太赫茲波每經(jīng)過一次內(nèi)反射，就會與納流道區(qū)域內(nèi)的生物溶 液作用，發(fā)生1次特征吸收，
[0040]
(3)
[0041] 上式中Eo和E分別為入射和出射娃棱鏡的太赫茲波強(qiáng)度，α為生物溶液特征吸收帶 的吸收系數(shù)，Ζ為流道中溶液的厚度，η為太赫茲波與流道中溶液作用的內(nèi)反射次數(shù)。由于Ζ 很小，僅為亞微米級，所W公式(3)可簡化為線性變化。本例設(shè)計(jì)10次內(nèi)發(fā)射，將特征吸收帶 的信噪比提高1個(gè)數(shù)量級。
[0042] 將娃棱鏡的上下表面都集成流道結(jié)構(gòu)，那么棱鏡的長度可根據(jù)全內(nèi)反射的次數(shù)由 下式確定
[0043] l=nd 1:an 目（4)
[0044] 上式中1為全內(nèi)反射娃棱鏡的長度，d為兩個(gè)反射面間的距離，Θ為入射角。那么使 入射光W55°入射，在5mm厚的棱鏡上全反射10次所需的最小棱鏡長度為7.2cm。納流道的長 度在10mm，W保證倏逝波完全投射在陣列式納流道區(qū)域，棱鏡的寬度可選為20mm，那么該尺 寸的忍片在4寸娃片上加工實(shí)現(xiàn)。
[0045] 實(shí)施例1
[0046] 納流道棱鏡波導(dǎo)的制備方式如下：
[0047] 1)通過熱氧化在娃棱鏡上表面形成厚度為800nm的Si化層；
[004引2)在Si化層上刻蝕厚度與Si化層一致，寬度為800nm的規(guī)則排列的陣列式納流道， 相鄰兩通道的間距800nm;
[0049] 3)取玻璃片，采用濕法刻蝕在玻璃片對應(yīng)位置刻蝕出與納流道垂直的微流道，微 流道寬400皿、深50皿；
[0050] 4)通過激光打孔，在玻璃片的微流道兩頭打出進(jìn)出樣孔；
[0051] 5)通過陽極鍵合，將經(jīng)步驟2)制備的帶有陣列式納流道的棱娃鏡與步驟4)制備的 玻璃片鍵合，使微流道連通各條納流道，并形成密封的流道結(jié)構(gòu)；
[0052] 6)重復(fù)1~5的步驟，在娃棱鏡的下表面也形成同樣密封的流道結(jié)構(gòu)，即形成納流 道娃棱鏡；
[0053] 7)通過切削技術(shù)制作納流道娃棱鏡的波束禪合面，并設(shè)計(jì)波束禪合面的入射角， 即形成納流道棱鏡波導(dǎo)。
[0054] 所制備的納流道棱鏡波導(dǎo)如圖1所示，其中1表示M-AT財(cái)賣鏡，2表示規(guī)則排列的陣 列式納流道，3表示蓋片，4表示太赫茲波禪合面，31表示微流道，32表示進(jìn)出樣孔。其中圖2、 3分別表示納流道棱鏡波導(dǎo)的右視圖和俯視圖。
[0055] 通過聚焦透鏡，將差頻連續(xù)太赫茲源發(fā)出的太赫茲光束聚焦到約5mm直徑，垂直投 射到娃棱鏡的太赫茲禪合斜面上，太赫茲波束會在棱鏡內(nèi)發(fā)生10次內(nèi)反射，每次發(fā)生內(nèi)反 射的倏逝波都會與棱鏡表面納流道結(jié)構(gòu)中的生物分子作用，增強(qiáng)特征吸收頻帶的強(qiáng)度，然 后從另一禪合面射出。
[0056] 如圖4所示，圖4表示本發(fā)明中陣列式納流道集成太赫茲M-ATR，對吸收信號增強(qiáng)作 用的原理示意圖；其中：1表示棱鏡波導(dǎo)、2表示陣列式納流道、3表示太赫茲波、4表示溶液、5 表示壁面、6表示倏逝波、7表示溶液中的生物分子。
[0057] 檢測λ-DNA溶液，其濃度約在1.化g/化左右。首先將流道內(nèi)通入緩沖液，將差頻連 續(xù)太赫茲源的分辨率調(diào)至幾百M(fèi)Hz,并在0.1-1.Ο??ζ波段掃頻，獲得該波段的參考信號Pr (V);然后將流道用去離子水清洗、干燥，充入待測的生物溶液，按照上述要求獲得樣本信號 Ps(v);最后阻斷太赫茲光路，測量儀器系統(tǒng)的背景噪聲信號Pb(v)。那么生物溶液相對參考 緩沖液的相對透過率可由下式獲得
[0化引
（沒I
[0059] 將Τ(ν)隨頻率V作圖，圖譜中出現(xiàn)明顯信號衰減的頻帶即為溶液中生物分子的特 征吸收峰。
[0060] 本實(shí)施例中運(yùn)用納流道棱鏡波導(dǎo)進(jìn)行10次衰減全反射，可將上述吸收峰的強(qiáng)度增 強(qiáng)1個(gè)數(shù)量級。
[0061] 最后說明的是，W上優(yōu)選實(shí)施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通 過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可W在 形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)，其特征在于，所述納 流道棱鏡波導(dǎo)由陣列式納流道與太赫茲多次衰減全反射(M-ATR)棱鏡集成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)， 其特征在于，所述納流道棱鏡波導(dǎo)包括太赫茲M-ATR棱鏡（1)，規(guī)則排列的陣列式納流道 ⑵，蓋片(3)，太赫茲波耦合面(4)，所述陣列式納流道⑵設(shè)置于太赫茲M-ATR棱鏡（1)上下 兩面，所述蓋片(3)用于密封納流道(2)，所述蓋片（3)與陣列式納流道結(jié)構(gòu)（2)接觸的一面 設(shè)有與納流道(2)垂直的微流道(31)，所述微流道(31)上設(shè)有進(jìn)出樣孔(32)，所述太赫茲波 耦合面(4)設(shè)置在太赫茲M-ATR棱鏡（1)兩端。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)， 其特征在于，所述太赫茲波耦合面(4)面形精度小于500nm，表面粗糙度小于lOOnm，所述波 束耦合面傾斜角為波束入射角，波速入射角大小設(shè)置成大于臨界內(nèi)反射角。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)， 其特征在于，所述納流道（2)寬500~800nm、深800~1200nm，相鄰兩通道的間距500~ 800nm〇5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)， 其特征在于，所述微流道(31)有兩條并分別置于納流道(2)兩側(cè)，所述微流道(31)寬200~ 500μπι、深5~100μπι，所述微流道(31)的長度能貫穿每一條納流道(2)。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)， 其特征在于，所述進(jìn)樣孔(32)設(shè)置在每一條微流道(31)的兩端。7. 權(quán)利要求1~6任一項(xiàng)所述增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo) 的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 通過熱氧化在硅棱鏡上表面形成厚度為800~1200nm的Si02層； 2) 在Si02層上刻蝕厚度與Si02層一致，寬度為500~800nm的規(guī)則排列的陣列式納流道， 相鄰兩通道的間距500~800nm; 3) 取玻璃片，采用濕法刻蝕在玻璃片對應(yīng)位置刻蝕出與納流道垂直的微流道，微流道 寬 200 ~500ym、深5 ~100μπι; 4) 通過激光打孔，在玻璃片的微流道兩頭打出進(jìn)出樣孔； 5) 通過陽極鍵合，將經(jīng)步驟2)制備的帶有陣列式納流道的硅棱鏡與步驟4)制備的玻璃 片鍵合，使微流道連通各條納流道，并形成密封的流道結(jié)構(gòu)； 6) 重復(fù)1~5的步驟，在硅棱鏡的下表面也形成同樣密封的流道結(jié)構(gòu)，即形成納流道硅 棱鏡； 7) 通過切削、拋光或者濕法刻蝕技術(shù)制作納流道硅棱鏡的波束耦合面，并設(shè)計(jì)波束耦 合面的入射角，即形成納流道棱鏡波導(dǎo)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)的制備 方法，其特征在于，步驟3)所述玻璃片的厚度為400~ΙΟΟΟμπι。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述增強(qiáng)溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導(dǎo)的制備 方法，其特征在于，所述波束耦合面面形精度小于500nm，表面粗糙度小于100nm，所述波束 耦合面傾斜角為波束入射角，波速入射角大小設(shè)置成大于臨界內(nèi)反射角。
【文檔編號】G01N21/01GK106066303SQ201610349861
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月24日 公開號201610349861.X, CN 106066303 A, CN 106066303A, CN 201610349861, CN-A-106066303, CN106066303 A, CN106066303A, CN201610349861, CN201610349861.X
【發(fā)明人】張明焜, 魏東山, 楊忠波, 夏良平, 顏?zhàn)R涵, 湯明杰, 施長城, 崔洪亮, 杜春雷
【申請人】中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院