CN112033931B - 一种光波导、其制造方法、包含其的生物传感系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光波导，其中所述光波导的顶部和底部为锥面，所述锥面与所述光波导主体部分一体成型。此外，还提供了上述光波导的制造方法、包含其的生物传感系统及其应用。本发明的光波导不但容易集成和小型化、易于构造、快速成型而且可提高检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，特别是涉及一种光波导、其制造方法、包含其的生物传感系统及其应用等领域。
背景技术
光波导是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导，可应用于光电集成器件或光纤传感器中。现有的光波导的应用中，为了实现聚光、分术等功能，多采用在光源和光波导之间设置额外的聚光镜、分束镜等光学器件，这产生难以集成或小型化的缺陷。而且，现有的光波导在传感器的应用中，没有考虑发生全反射时对入射角度的要求，导致检测精度不足。另外，现有的光波导多由石英玻璃构成，存在工艺复杂、不易构造、成型效率低的缺陷。
因此，急需一种不但容易集成和小型化、易于构造、快速成型而且可提高检测精度的光波导结构。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于：提供一种容易集成和小型化、易于构造、快速成型而且可提高检测精度的光波导结构、其制造方法、包含其的生物传感系统及其应用。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
在一个方面，本发明提供一种光波导，其中，所述光波导的顶部和底部为锥面，所述锥面与所述光波导主体部分一体成型。
在优选的实施方案中，所述光波导的顶部和底部为内凹的锥面。
在优选的实施方案中，所述光波导的材料为PMMA、PC、PS中的一种或多种，更优选PMMA或PC的聚合物，最优选为PMMA聚合物。
在优选的实施方案中，所述光波导为柱状体；更优选为圆柱体。
在优选的实施方案中，所述光波导的直径为微米量级，更优选100-500微米，最优选约200微米。
在优选的实施方案中，上述光波导可用于生物芯片，更优选用于局域表面等离子体激元共振生物芯片。
在优选的实施方案中，多个所述光波导集成在一起形成光波导阵列，所述光波导阵列用于生物芯片，更优选用于局域表面等离子体激元共振生物芯片。
在另一个方面，本发明提供制造上述光波导结构的方法，其包括：所述光波导通过3D打印一次成型。
在另一个方面，本发明提供一种生物传感系统，其包含上述的光波导结构。
在另一个方面，本发明提供上述光波导或包含其的生物传感系统用于流体样品检测中的用途。
本发明的有益效果在于：
1、使用一体成型的光波导结构，无需在光源和光波导之间设置额外的光学器件，使得光波导结构容易集成、小型化；
2、光波导顶部和底部采用锥面设计，不但可使光波导相关器件小型化，而且充分考虑了发生全反射时的入射角度，从而提高了样品的检测精度。
3、PMMA、PC等聚合物作为光波导的组成材料，可以通过3D打印一次成型，易于构造、可快速成型。
综上，本发明的光波导不但容易集成和小型化、易于构造、快速成型而且可提高检测精度。
附图说明
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例或实施方案旨在便于对本发明的理解，而非限制。
图1示出了本发明的光波导的结构的一个实施方案，其中光波导的顶部和底部为外凸的锥面；
图2示出了本发明的光波导的结构的一个实施方案，其中光波导的顶部和底部为内凹的锥面；
图3示出了本发明的光波导形成光波导阵列的示意性实施方案；
图4示出了光在示意性实施方案的光波导上的光路图。
图5示出了本发明的光波导的锥面角的一个实施方案。
具体实施方式
根据需要，本文公开了本发明的详细实施方案。然而，本领域技术人员应该理解，所公开的详细实施方案仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种适当的形式实施。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而是作为权利要求的基础和用于教导本领域技术人员在任何适当的布置、结构或系统中以各种方式实施本发明的基础。
参照图1至图2，示出了本发明的光波导的结构的优选实施方案，图1中光波导的顶部和底部为外凸的锥面；图2中光波导的顶部和底部为内凹的锥面。本发明的光波导的锥面结构与光波导主体部分一体成型，无需设置额外的光学器件。本领域技术人员应理解，图1至图2所示的锥面和光波导形状仅用于示意，而非限制。本发明的光波导也可以为其他合适的形状，其顶部和底部也可以为其他形状的锥面，只要能够将入射光的折射率精确测量即可。
参照图3，示出了本发明的光波导形成光波导阵列的示意性实施方案。本发明的光波导可以用于生物芯片中，优选可以用于局域表面等离子体激元共振生物芯片中。其中，光波导可以单个分开地置于生物芯片的基底中，可选地，还可以多个光波导形成一个光波导阵列置于生物芯片的基底中，例如图3所示的光波导阵列。本领域技术人员应理解，图3所示的光波导阵列的形状、光波导的数量以及其他特征均用于示意，而非限制。
参照图4，示出了光在示意性实施方案的光波导上的光路图。本领域技术人员应理解，该光路图只是示意，并不限制光必须从下方入射，也可以从上方入射、下方出射。
参照图5，示出了本发明的光波导的锥面角的一个实施方案。其中为进入角，为入射角，A为锥面角。/> 其中n1是空气折射率，n2是聚合物光波导的折射率。在已知入射角/>的情况下，通过上述关系式，可以得到进入角/>和锥面角A。本领域技术人员应理解，附图所示的进入角、入射角和锥面角仅用于示意，而非限制。
本发明的光波导由聚合物材料制成，可以采用3D技术打印一体成型，易于构造、快速成型。
下面以光波导在一种生物芯片中的应用作为示例，来说明光波导的不同锥面角或不同入射角会影响生物芯片检测样品的精度。
本实施例用于证实不同入射角或锥面角对流体样品浓度测量精度的影响。本实施例中测量样品浓度的原理在于：使用光照射光波导阵列时，会激发氮化钛纳米立方体表面等离子体共振。通过相移设备可对径向和环向偏振分量进行移相，由此得出两个偏振方向的差分相位值。已知差分相位值的大小与氮化钛纳米立方体周边的折射率相关，而折射率又与受体捕获的靶标物(本实施例中为流体样品)的浓度有关，每种生物靶标物的分子不同，其折射率也不同，因此通过测量的差分相位值或基于此计算的差分相位变化值可以得到不同流体样品的测量浓度。
示例性检测方法如下：
以顶部和底部均为内凹锥面的光波导作为生物芯片的光接收装置，以光波导侧表面分散并固定的氮化钛纳米立方体作为光波导激发表面等离子体共振部分，以633纳米激光作为激发光。应理解，本实施例中所用的方法步骤、结构、布置、波长、物质等均为示例，本领域技术人员能够根据待测的流体样品及检测目的等进行调整。
(1)按照常规方法进行功能化吸附、创建基线值、建立标定曲线；
(2)将固定浓度为10±0.1pM的IgG抗体引入生物芯片，通过激发光激发氮化钛纳米立方体表面共振；
(3)采用直准的633nm激发光以下表中不同的入射角照射光波导，通过液晶相移设备得到差分相位变化值，代入通过标定曲线建立的线性关系式中，可以得到样品的测量浓度，具体见下表。
(4)将样品的固定浓度与以不同入射角入射时得到的样品的测量浓度比较，可以得出不同入射角对测量精度的影响。
由上表可知，本实施例表明本发明的光波导当采用不同的入射角(对应光波导的不同锥面角)时对样品的测量精度有不同影响，本领域技术人员可以根据所采用的激发光的波长和光波导的表面等离子体共振部分的物质的不同，来选择光波导的不同锥面角或激发光的不同入射角，以实现对待测样品的精确测量。
综上，本发明的光波导由于采用锥面结构，不但容易集成和小型化而且可提高检测精度，另外，本发明的光波导由聚合物材料构成，易于构造、快速成型。
应当理解，虽然上文已经详细描述了优选实施方案，但是本发明不限于这里描述和示出的材料、结构和特征的布置，这些描述仅仅是本发明的示例性优选实施方案，其可以以各种等同的形式实现。
Claims (16)
1.一种光波导，其特征在于，所述光波导的顶部和底部为锥面，所述锥面与所述光波导主体部分一体成型，所述光波导的材料为PMMA、PC、PS中的一种或多种，其中，所述锥面为内凹的锥面，以及所述光波导的激发表面等离子体共振部分为氮化钛纳米立方体。
2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导的材料为PMMA或PC的聚合物。
3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述光波导的材料为PMMA聚合物。
4.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导为柱状体。
5.根据权利要求4所述的光波导，其特征在于，所述光波导为圆柱体。
6.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导的直径为微米量级。
7.根据权利要求6所述的光波导，其特征在于，所述光波导的直径为100-500微米。
8.根据权利要求6所述的光波导，其特征在于，所述光波导的直径为200微米。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导用于生物芯片。
10.根据权利要求9所述的光波导，其特征在于，所述光波导用于局域表面等离子体激元共振生物芯片。
11.根据权利要求1-8中任一项所述的光波导，其特征在于，多个所述光波导集成在一起形成光波导阵列，所述光波导阵列用于生物芯片。
12.根据权利要求11所述的光波导，其特征在于，所述光波导阵列用于局域表面等离子体激元共振生物芯片。
13.制造权利要求1-8中任一项所述的光波导的方法，其特征在于，包括：所述光波导通过3D打印一次成型。
14.一种生物传感系统，其特征在于，包含权利要求1-8中任一项所述的光波导。
15.权利要求1-8中任一项所述的光波导用于流体样品检测中的用途。
16.权利要求14所述的生物传感系统用于流体样品检测中的用途。
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