专利名称：光波导生物化学传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及生物电化学领域，具体涉及到一种光波导生物化学传感器，该种生物化学传感器的制备方法，以及基于该种光波导生物化学传感器的光波导特征模式检测系统。
背景技术：
生物化学检测在许多方面有着重要的应用需求，如食品科学、医学、药物学、环境学、地质学、生物学、国家安全以及生产安全等方面。现在，随着人们对于环境问题以及健康问题的日益关注，生物化学检测的重要性逐渐得到体现。较早期的生物化学传感器主要为荧光标记的传感器。这类传感器需要在检测前预先进行荧光标记，同时需要特殊的检测仪器进行检测，并且检测效果对于检测物质的量的依赖程度很大，造成检测步骤繁琐，检测效率不高。较新的光学生物化学传感器倾向于摒弃荧光标记的方法而转向免标记检测技术。目前主流的光学生物化学传感器有很大一部分基于微加工工艺，一般需要先在硅片表面氧化出一层二氧化硅薄膜层，然后通过微加工步骤如光刻、刻蚀等，最终形成需要的光波导结构。由于微加工步骤的加入，使得传感器的制作成本始终居高不下。相比之下，多孔硅光波导结构制备简单，不需要额外的微加工步骤，使得其制作成本相对于微加工类的光学传感器而言显得具有不小的成本优势。并且，由于多孔硅传感器的传感层往往为导波层，相对于利用包覆层传感的传感器而言，其传感效率显得更高。这些都使得对于多孔硅的光波导生物化学传感器的研究具有重要的应用意义
多孔硅光波导生物化学传感器制作过程简单，结构可调节程度大以兼容不同尺寸的待检测生物化学分子，多孔硅的纳米孔具有天然的对生物分子的选择性，基于多孔硅的生物化学传感器检测方式多样，能满足常见的生物化学检测任务。同时，多孔硅光波导传感器的传感效率对于检测物质的量基本无依赖性，设计合理的多孔硅光波导传感器能检测出浓度极小的目标物质，因此非常适用于微量的生物化学物质的检测和监测领域。

发明内容
有鉴于此，本发明的第一目的是提供一种光波导生物化学传感器，以解决现有技术的光学生物化学传感器制造成本高，检测繁琐的技术问题。。本发明的另一目的是提供一种基于上述光波导生物化学传感器的光波导特征模式检测系统，以解决现有技术光波导特征模式检测成本高，不方便的技术问题。本发明的再一目的是提供一种上述光波导生物化学传感器的制备方法。为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案一种光波导生物化学传感器，其包括棱镜、一硅基底层，嵌入在所述硅基底层中的多孔硅衬底层和多孔硅光波导层，所述多孔硅光波导层位于所述多孔硅衬底层外层，在所述棱镜和所述多孔硅光波导层之间设置有空气隙。
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依照本发明较佳实施例所述的光波导生物化学传感器，所述多孔硅光波导层的多孔率小于所述多孔硅衬底层的多孔率。本发明另提供一种光波导特征模式检测系统，包括激光光源、其发出的准单色光经一起偏器后射入一设置在角度测量平台上的光波导生物化学传感器，与该光波导生物化学传感器作用，反射出部分光线，一光强探测器监测在所述光波导生物化学传感器反射的光线强度后，记录在一光强/角度关系记录仪；其中，所述光波导生物化学传感器进一步包括棱镜、一硅基底层，嵌入在所述硅基底层中的多孔硅衬底层和多孔硅光波导层，所述多孔硅光波导层位于所述多孔硅衬底层外层，在所述棱镜和所述多孔硅光波导层之间设置有空气隙。较佳的，所述角度测量平台进一步包括内侧圆盘和外侧圆盘，所述外侧圆盘的角速度为所述内侧圆盘角速度的两倍。较佳的，所述多孔硅光波导层的多孔率小于所述多孔硅衬底层的多孔率。本发明再提供一种光波导生物化学传感器的制备方法，其包括 一基于掺杂硅片的多孔硅光波导样品制备步骤；
一表面特性修饰步骤；以及
一光波导特征模式监测系统的搭建步骤。依照本发明较佳实施例所述的制备方法，所述制备步骤进一步包括7. 1 待腐蚀硅片的准备；7. 2 使用电化学腐蚀制备多孔硅光波导结构；7. 3 腐蚀后处理。依照本发明较佳实施例所述的制备方法，所述表面特性修饰步骤中进一步包括 8. 1 表面氧化处理；8. 2 表面特异性探针修饰。依照本发明较佳实施例所述的制备方法，所述步骤7. 1进一步包括用硅片刀将掺杂硅片切割之后对其进行清洗，并晾干；所述步骤7. 2中使用的腐蚀溶液为氢氟酸溶液； 所述步骤7. 3中腐蚀结束后移除腐蚀参与溶液，清洗腐蚀槽，冲洗多孔硅光波导样品。依照本发明较佳实施例所述的制备方法，所述步骤8. 1中氧化处理包括干法氧化或湿法氧化。由于采用了以上的技术特征，使得本发明相比于现有技术，具有如下的优点和积极效果
第一、本发明提供的光波导生物化学传感器制备简单，无需微加工，通过简单地控制电流源施加的电流大小以及电流脉冲施加时间，就可以很方便地制备出所需要的多孔硅光波导结构，并且相比于基于微加工技术的光波导传感器，多孔硅光波导生物化学传感器无需额外的微加工步骤，从而避免了微加工步骤引入的额外的制备成本，有效地控制了整个传感器的制备成本。第二、本发明提供的多孔硅光波导生物化学传感器使用导波层作为传感层，与传统的使用包覆层传感的光波导传感器相比，目标分子与光场的相互作用更大，能够得到更高的检测灵敏度。第三、免标记，检测方便。本发明传感器无需荧光标记，避免了复杂的检测装置。第四、兼容性好，选择特异性出众。多孔硅材料的孔径可以通过改变腐蚀电流密度进行调节，不同的孔径对目标分子具有天然的选择性，同时，多孔硅表面可以很方便地进行表面修饰，从而能得到更加突出的选择特异性。
当然，实施本发明内容的具体实施例，并不一定同时达到以上全部的技术效果。


图1是本发明提供的一种光波导生物化学传感器的结构图2是基于上述光波导生物化学传感器的光波导模式监测系统的构架图； 图3是本发明提供的一种上述传感器的制备方法流程图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。如图1所示，本发明提供的基于多孔硅材料的光波导生物化学传感器的结构示意图，该种光波导生物化学传感器整体位于同一块掺杂硅片上，主要包括五层结构，从上往下依次为棱镜7、空气隙8、光波导层9、衬底层10和硅基底层11。其中光波导层9的多孔率要小于衬底层10，从而确保光波导层9的等效折射率比衬底层10为大，使得此双层结构能成为一个光波导结构。通过分别控制各层多孔硅层的腐蚀时间来调整各层多孔硅的厚度。棱镜7用于将自由空间的激光光源耦合入光波导，而棱镜7与多孔硅光波导之间的空气隙8通常选择较薄，以使得外界激光能顺利隧穿空气隙进入光波导，同时，空气隙的引入又使得光波导层9的光场束缚能力增强，从而使传感器能获得更高的传感效率。通常， 空气隙8的厚度控制在0. Imm到Immm量级。在结构制备完成后还需要对多孔硅表面进行特异性处理。通过安装特定的探针分子，实现传感过程中对目标分子的特异性捕获于结合，从而改变多孔硅层内的成分，最终表现为各层多孔硅介质折射率的改变，使得光波导模式角度发生变化，实现生物化学信号到光学信号的转换。如图2所示，本发明提供的光波导特征模式检测系统基于上述的光波导生物化学传感器，激光光源1、其发出的准单色光经一起偏器2后射入一设置在角度测量平台3上的光波导生物化学传感器4，与该光波导生物化学传感器作用4，反射出部分光线，一光强探测器5监测在所述光波导生物化学传感器4反射的光线强度后，记录在一光强/角度关系记录仪6。激光光源1发出的准单色光经过起偏器2得到所需要的光波，与多孔硅光波导生物化学传感器4相作用，同步旋转角度测量平台3可以以一定的角速度旋转，也可以在适当的角度处静止，光强探测器5记录下不同角度的反射光强，得到的数据传递到光强-角度关系记录仪汇总得到反射角谱，也可以在模式角度附件监测反射光强的变化。对传感器在引入样品溶液前后两次记录角谱或者反射光强，并将其相互进行比较，即可判断样品中是否含有目标分子。
此线偏光通过棱镜耦合进入光波导，通常情况下大部分被反射出去被光强探测器所探测到，但是在特定角度亦即波导模式角度下，大部分入射光被束缚在波导结构中使得光强探测器探测到的光强在此角度下急剧下降，从而反射角谱出现尖锐的特征谷。入射角的改变通过同步旋转角度测量平台完成，角度测量平台3分为外侧圆盘和内侧圆盘，其中内侧圆盘以恒定的角速度旋转以改变激光入射角，外侧圆盘以两倍于内侧圆盘的角速度沿相同方向旋转以跟踪反射光。反射光强与角度的关系通过光强-角度关系记录仪进行记录成图。当目标分子进入到传感器中与探针分子发生特异性结合使得多孔硅各层折射率发生改变时，反射角谱的特征谷的位置会发生偏移，从而实现指示作用，具体实现方式如下转动同步旋转角度测量平台，找到此多孔硅光波导结构的模式角度。将检测平台入射角固定在此角度下，在引入目标分子前后两次记录此角度下的反射光强，比较反射光强的变化，亦可实现指示作用。并且此系统还可根据实际检测情况进行改进以形成新的适用性更佳的检测方式。如图3所示，本发明同时提供一种上述传感器的制备方法，其包括如下的步骤
5301一基于掺杂硅片的多孔硅光波导样品制备步骤；
5302一表面特性修饰步骤；以及
5303一光波导特征模式监测系统的搭建步骤。其中，所述制备步骤S301进一步包括
7.1 待腐蚀硅片的准备，使用的硅片为掺杂单晶硅片，使用硅片刀切割成2cmX2cm见方的样品，依次使用去离子(DI)水和95%分析纯酒精冲洗硅片表面，并使用高纯氮气吹干以备腐蚀。7. 2 使用电化学腐蚀制备多孔硅光波导结构；腐蚀溶液使用41. 2%的分析纯氢氟酸水溶液与95%分析纯酒精按适当体积比配制而成。腐蚀过程在聚四氟乙烯腐蚀槽内完成，其中使用钼丝作为阳极、使用铝片连接硅片作为阴极。通过计算机控制电流源施加电流脉冲，从而控制电化学腐蚀过程以制备出合适的多孔硅多层膜结构。多孔硅光波导生物化学传感器各层所要求的厚度以及多孔率预先通过仿真程序进行分析验证。实验结果显示多孔硅的多孔率与电化学腐蚀的电流密度有关，并且多孔硅膜的厚度与腐蚀时间以及腐蚀电流密度都有关。通过试探性腐蚀实验确定多孔硅多孔率、 腐蚀厚度与腐蚀电流参数的关系，从而各层腐蚀所需的电流脉冲参数可以根据上述两种关系的关系曲线得以确定。7. 3 腐蚀后处理。腐蚀过程结束后移去腐蚀残余溶液，用酒精冲洗腐蚀槽。用酒精以及DI水冲洗制备形成的多孔硅光波导样品，并用高纯氮气吹干备用。表面特性修饰步骤S302中进一步包括
8.1 表面氧化处理；
制备完成的多孔硅样品主要是疏水的硅氢键，如果待检测物质以水溶液形式存在，则需要对表面进行氧化亲水处理。同时，表面氧化也有利于多孔硅表面的稳定化。可以使用的氧化方式包括干法氧化以及湿法氧化。具体操作步骤如下
干法氧化向高温氧化炉中持续通入氧气，加温至合适温度并保持。将多孔硅光波导样品投入高温氧化炉氧化一段时间，取出冷却备用。
湿法氧化可以使用DMSO溶液，将多孔硅光波导样品在氧化溶液中浸泡一段时间，清洗后用高压氮气吹干备用。8. 2 表面特异性探针修饰，具体可以以下述实施例为参考 具体步骤如下
1)取40微升99 %纯度的3-氨基丙基三乙氧基硅烷 (3-aminopropyltriethoxysilane)与500微升的DI水以及480微升的甲醇配制成溶液，取 100微升配制好的溶液滴到多孔硅表面，使之能完全覆盖腐蚀出的多孔硅区域(2cm2)。在潮湿的环境中培养20分钟，然后用DI水浸泡，之后用氮气吹干并在100°C环境下烘烤10分钟。2)取50微升50%浓度的戊二醛(glutaraldehyde)与950微升HEPES缓冲液混合配制成溶液，同样取100微升溶液滴到多孔硅表面。3)用乙醛(aldehyde)与胺(amine)类物质反应制成khiff base溶液，并取1微升浓度为5M的氰基硼氢化钠(sodium cyanoborohydride)溶液(溶剂为IM Aldrich公司的NaOH溶液)滴入其中以形成稳定的培养液，之后将多孔硅浸入此培养液中培养2小时。4)将培养过的多孔硅片用缓冲液进行冲洗，之后在缓冲溶液中浸泡1小时。然后再用一种附加的缓冲液冲洗多孔硅以去除没有与多孔硅壁结合的探针分子，最后用氮气将多孔硅吹干。以下简述一种具体应用在DNA序列的特异性检测中的应用，具体步骤如下
1)按照具体实施方式
所描述的方法先检测未滴加样品的多孔硅光波导生物化学传感器的反射角谱。2)向多孔硅光波导滴加100 ？ L浓度为50 ？ M的DNA样品溶液，在常温(22°C ) 下在潮湿环境中培养1小时。3)将多孔硅光波导样品在缓冲液中用缓冲液冲洗，并在缓冲液中浸泡20分钟，之后再次用缓冲液冲洗，并用高纯氮气吹干。4)重复步骤1)，测量与样品作用后的反射角谱。5)分析结果。本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式
。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
权利要求
1.一种光波导生物化学传感器，其特征在于，包括棱镜、一硅基底层，嵌入在所述硅基底层中的多孔硅衬底层和多孔硅光波导层，所述多孔硅光波导层位于所述多孔硅衬底层外层，在所述棱镜和所述多孔硅光波导层之间设置有空气隙。
2.如权利要求1所述的光波导生物化学传感器，其特征在于，所述多孔硅光波导层的多孔率小于所述多孔硅衬底层的多孔率。
3.一种光波导特征模式检测系统，其特征在于，包括激光光源、其发出的准单色光经一起偏器后射入一设置在角度测量平台上的光波导生物化学传感器，与该光波导生物化学传感器作用，反射出部分光线，一光强探测器监测在所述光波导生物化学传感器反射的光线强度后，记录在一光强/角度关系记录仪；其中，所述光波导生物化学传感器进一步包括棱镜、一硅基底层，嵌入在所述硅基底层中的多孔硅衬底层和多孔硅光波导层，所述多孔硅光波导层位于所述多孔硅衬底层外层，在所述棱镜和所述多孔硅光波导层之间设置有空气隙。
4.如权利要求3所述的光波导特征模式检测系统，其特征在于，所述角度测量平台进一步包括内侧圆盘和外侧圆盘，所述外侧圆盘的角速度为所述内侧圆盘角速度的两倍。
5.如权利要求3所述的光波导特征模式检测系统，其特征在于，所述所述多孔硅光波导层的多孔率小于所述多孔硅衬底层的多孔率。
6.一种光波导生物化学传感器的制备方法，其特征在于，包括一基于掺杂硅片的多孔硅光波导样品制备步骤；一表面特性修饰步骤；以及一光波导特征模式监测系统的搭建步骤。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备步骤进一步包括7. 1:待腐蚀硅片的准备；7. 2 使用电化学腐蚀制备多孔硅光波导结构；7.3:腐蚀后处理。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述表面特性修饰步骤中进一步包括8.1 表面氧化处理；8.2:表面特异性探针修饰。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤7. 1进一步包括用硅片刀将掺杂硅片切割之后对其进行清洗，并晾干；所述步骤7. 2中使用的腐蚀溶液为氢氟酸溶液；所述步骤7. 3中腐蚀结束后移除腐蚀参与溶液，清洗腐蚀槽，冲洗多孔硅光波导样品。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤8.1中氧化处理包括干法氧化或湿法氧化。
全文摘要
本发明提供一种光波导生物化学传感器、制备方法以及基于这种传感器的光波导特征模式检测系统，光波导生物化学传感器包括棱镜、一硅基底层，嵌入在所述硅基底层中的多孔硅衬底层和多孔硅光波导层，所述多孔硅光波导层位于所述多孔硅衬底层外层，在所述棱镜和所述多孔硅光波导层之间设置有空气隙。本发明具有采用多孔硅作为传感材料，该材料具有表面积高、制备成本低、结构参数可调节性大、响应速度快、温度适应性好、目标分子兼容性好、测量精度高等特点，是生物化学传感的理想材料。
文档编号G01N21/47GK102410991SQ20111022004
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者潘胜非, 祝永新, 荣国光 申请人:上海交通大学