CN115267966B - 一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台 - Google Patents
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Abstract
一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台，涉及生物实体检测技术领域，双层波导平台中形成有两种不同材料组成的双层波导结构，双层波导结构作为光限制结构，双层波导平台同时还形成有纳米孔结构，纳米孔结构作为生物检测点，通过双层波导结构和纳米孔结构相互配合，当生物检测点中放置有分析物进行检测时，光被限制在双层波导平台中除波导之外的位置以实现减弱生物检测点中检测环境的荧光背景，同时增强光与分析物之间的相互作用。本发明的双层波导结构、纳米孔结构相较于狭缝波导均更容易制造，同样能实现将场限制在周围介质中，而不是波导材料内部，确保每次光波对单一分析物的检测贡献，从而确保生物传感器的检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及生物实体检测技术领域，具体涉及到一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台。
背景技术
生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。
生物传感器可采用集成光子学技术，通过制造紧凑、可扩展性和可靠性（可重复性）高的产品来帮助提高产量并节省大量时间和资源。这种生物传感器的应用可用于细胞计数、比色、光谱和荧光检测。
光波导是引导光波在其中传播的介质装置，由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构，又称介质光波导。光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面（薄膜）介质光波导和条形介质光波导。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。比如，薄膜波导与带状波导主要用于制作有源和无源的光波导元件，如激光器、调制器和光耦合器等。它们采用半导体薄膜工艺，适合于制成平面结构的集成光路(即光集成部件)。
在现有的生物传感器配合用于生物微粒检测时，也常使用到光波导作为光电集成配件，利用光波导可以使光波局限在有限区域内传播的性质，制造以光波导作为激发模式的便携式生物芯片。比如，公告号为CN210665507U一种高通量光波导生物传感芯片，便是光波导和生物传感器结合的证明。
众所周知，在生物检测领域，集成光波导可用于提供小型化且价格合理的检测系统。对于光波导这种涉及到光-分析物表面场强交互作用的应用场景而言，定位检测体积的大小对抑制检测环境中的荧光噪声具有一定的影响，一般的做法为将检测系统集成在尽可能小的占地面积中。此外，增加波导长度可以增加光-分析物相互作用长度，从而获得更高的信号功率，这样既方便又节省成本。
在图 1中，分别展示了(a) 条纹波导截面几何形状，(b) 基本TE 模式分布，(c)基本TM 模式分布，从而显示了矩形波导的横截面几何形状和单模波导的基本TE和TM 模式的模式分布，这种带状波导很好地将模式分布限制在波导介质内部，而不是结构表面。所以，光-分析物表面相互作用的激发功率也受到限制，因为从边缘到周围介质的光学模式的倏逝场呈指数衰减，根据材料的不同，仅延伸 80 至 200nm。
为了提高激发功率，一种众所周知的称为槽形波导的结构已被用于将场限制在周围介质中，而不是在波导内部。基于此，在光波导技术中还存在一种狭缝波导，狭缝波导的原理是在介质中实现相当大的场限制，间隙必须窄至10s nm，这是普通晶圆级光子光刻工具无法实现的，因此，这种结构的制造很困难。
另外，单粒子检测的挑战之一是来自多个分析物或整体背景的信号重叠。如图1所示的矩形波导，通过定位波导附近的场，可以将信号从多个分析物中分离出来，然而，由于同一个波导上可以沿着光的传播轴的方向自由地同时充满多个分析物，此时，分析物之间的激发功率会相互受到限制，波导很难保证一次只检测一个分析物的检测贡献，势必会影响检测的灵敏度以及检测效率。
因此，针对上述内容中，由于狭缝波导制造难度较大，且现有利用矩形波导进行生物粒子检测存在弊端的问题，本发明提出一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台。
发明内容
针对现有技术所存在的不足，本发明目的在于提出一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台，具体方案如下：
一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台，所述双层波导平台中形成有两种不同材料组成的双层波导结构，所述双层波导结构作为光限制结构，所述双层波导平台同时还形成有处于所述双层波导结构上方的纳米孔结构，所述纳米孔结构作为生物检测点，通过双层波导结构和纳米孔结构相互配合，当生物检测点中放置有分析物进行检测时，光被限制在所述双层波导平台中除波导之外的位置以实现减弱所述生物检测点中检测环境的荧光背景，同时增强光与分析物之间的相互作用；
所述双层波导平台依次包括顶包层、第一波导层、第二波导层、底包层；
所述第一波导层、第二波导层构成所述双层波导结构，所述第二波导层的折射率大于所述第一波导层，且二者之间设有间隙；
所述顶包层上形成有多个纳米孔，所述纳米孔用于放置分析物微粒，多个纳米孔构成所述纳米孔结构；
所述第二波导层的朝向所述纳米孔的侧面全部或部分暴露于所述纳米孔中。
进一步的，所述分析物微粒处于所述纳米孔中时，所述分析物微粒对应的侧壁面和底部面为两种不同的表面化学性质的化学表面，以便于所述分析物微粒固定于所述纳米孔的孔底。
进一步的，所述双层波导结构具体为双层单膜波导结构，当光部分暴露于所述分析物微粒时，通过改变所述第二波导层、第一波导层上的光刻蚀刻形状，第二波导层、第一波导层的厚度，第二波导层、第一波导层之间的间隙宽度，以设计用于生物检测的场强定位。
进一步的，所述第一波导层的材料设置为SiN，所述第二波导层的材料设置为Al2O3、AlN、Nb2O5、ITO或TiO2，且所述顶包层、底包层的材料采用SiO2。
进一步的，所述第二波导层的厚度范围为10nm-200nm。
进一步的，所述第一波导层的厚度小于所述第二波导层，且所述第二波导层的一侧、第一波导层的一侧分别沿着相向的方向逐渐形成有过渡结构，通过改变所述过渡结构的锥度以及所述第一波导层、第二波导层之间的间距可实现所述第一波导层、第二波导层之间的耦合。
进一步的，所述双层波导平台可用于病毒、抗体、抗原、蛋白质、核苷酸的生物实体检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）双层波导平台配合用于生物检测时，纳米孔结构作为生物检测点，分析物置于纳米孔结构的槽中，当生物传感器工作时的双层波导平台受到光照后，双层波导结构作为光限制结构，使得入射光在传播过程中除正常一部分用于与分析物发生相互作用，其他非必要的光限制在波导材料之外，以减轻不需要的荧光背景，那部分出射光光波处于上方的纳米孔结构中时，由于该种将分析物固定在纳米孔结构的方式可以保证光-分析物相互作用的空间足够小，光-分析物之间的相互作用增强，确保每次光波对单一分析物的检测贡献，从而确保生物传感器的检测灵敏度。
另外，本发明的双层波导结构、纳米孔结构相较于狭缝波导均更容易制造，同样能实现将场限制在周围介质中，而不是波导结内部。
（2）入射光在双层波导结构中传播时，大部分入射光会被限制在第一波导层的底层传播，由于第二波导层的折射率大于第一波导层，且二者之间设有间隙，另一部分入射光在传播时，在经过第二波导层时限制较大，在其折射率更大的基础上，光在第二波导层中的传播损耗较小，而入射光在第一波导层的限制较少，在其折射率较小的基础上，光波更靠近第二波导层，同时，由于第二波导层作为单膜波导，内部的光部分暴露于纳米孔中的分析物，综合使得具有两种材料的双层波导平台可以用于减少定位检测区域中不需要的荧光背景，同时使得光-分析物的相互作用显著增强。
（3）双层波导结构具体作为双层单膜波导结构，可用于任何光或偏振的场定位和增强，第二波导层的几何参数决定了本发明中双层单膜波导结构与传统的矩形波导相比的传播损耗，因此，通过改变上下波导结构的尺寸及其间隙来修改不同模式分布下的剖面场强，比如，可将大部分基本TM 模式场和分析物检测区域定位到垂直轴上的几十纳米，提高场定位的稳定性；
（4）第二波导层的厚度可由工艺以及所需场强来决定，当第二波导层厚度较大（比如大于50nm时），若存在有较小的弯曲曲率的结构（比如弯曲曲率小于100um时），所述双层波导结构会产生较大的损耗，导致光辐射出波导结构中心外。因此当第二波导较厚时，需要一个过渡结构减小损耗。由于第二波导层的厚度较厚，可能会导致光在半径小于100um的弯曲除容易辐射，一般为了尽量减小弯曲接结构引起的传播损耗，需要将弯曲结构处的半径设置的很大，但是光子电路的占位面积与弯曲半径的平方呈正比例，所以大的曲率半径意味着大的电路面积，从而导致过多不必要的传播损耗，因此，通过设置过渡结构，可用于在需要时将光从第一波导层耦合传输至第二波导层上，更好地减小光的传播损耗。而且，第一波导层和第二波导层之间的光传输效率可通过改变过渡结构的锥度来改变。
（5）将分析物微粒固定在顶包层中的纳米孔时，由于纳米孔与顶包层侧壁保持着相同的表面化学性质，固定分析物微粒时可能会比较困难，而生物材料在特定区域的固定需要具有与其他表面不同的表面定位特性，因此，通过设置纳米孔结构和双层波导结构的相互配合，可以直接在纳米孔的底面和侧壁之间提供两种不同表面化学性质的化学表面，以便将分析物选择性地固定在某个区域，相较于仅在纳米孔的侧壁上添加另一种材料的制造过程来说，在双层波导结构中使用两种不同材料的波导是一种相对简单的制造方式。
优化的，纳米孔的顶部可以通过设置金属材料进行部分覆盖，从而阻挡或者反射光线实现场增强。
附图说明
图1为本发明的背景技术中矩形波导的的示意图；
图2为本发明的实施例中第一种双层波导平台的的示意图；
图3为本发明的实施例中第二种双层波导平台的的示意图；
图4为本发明的实施例中第三种双层波导平台的的示意图；
图5 厚度为 100nm 的 Al2O3层的弯曲损耗与弯曲半径的函数关系图；
图6为本发明的实施例中的过渡结构的展示图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
现有技术中，光波导由光透明介质（如石英玻璃）构成的传输光频电磁波的导行结构，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。不同类型的光波导的制造材料也不同，比如在平面光波导中，常用的材料有铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator,绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃。而平面光波导中，比如SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。可见光波导是一种多层结构。
正如我们在背景技术中介绍的，狭缝波导的场强模式已被用于基于拉曼光谱的设备和折射式非标定量传感器，然而，由于狭缝波导难以制造的特点，在生物传感器领域，不具备快速、批量生产的优点。
对此，本发明提出一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台，该种双层波导平台可用于生物实体检测，包括病毒、蛋白质、抗体、抗原、核苷酸方面的生物实体检测。借助该双层波导平台，可以使用荧光和拉曼光谱、折射法和比色法等检测方法。
背景技术中的这种矩形波导将模式分布限制在波导介质内部，而不是结构表面，所以，光-分析物表面相互作用的激发功率也受到限制，影响检测的灵敏度。而槽形波导，虽然可以用于将场限制在周围介质中，但对工艺要求非常高（比如要求线分辨率小于十几nm）。和槽形波导一样，由于硅的高非线性和双光子吸收性能，双层槽形波导是一种有吸引力的结构，因为光可以更多地限制在没有非线性效应的包层中（例如 SiO2），在其他非 TPA的波导材料（例如 SiN）的情况下，也可能产生荧光背景，因此，若将光限制在波导材料之外的地方，可以减轻不需要的荧光背景。
基于此，上述双层波导平台中形成有两种不同材料组成的双层波导结构，双层波导结构作为光限制结构，双层波导平台同时还形成有纳米孔结构，纳米孔结构作为生物检测点。
双层波导平台配合用于生物检测时，纳米孔结构作为生物检测点，分析物置于纳米孔结构的槽中，当生物传感器工作时的双层波导平台受到光照后，双层波导结构作为光限制结构，使得入射光在传播过程中除正常一部分用于与分析物发生相互作用，其他非必要的光限制在波导结构中，以减轻不需要的荧光背景，那部分出射光光波处于上方的纳米孔结构中时，由于该种将分析物固定在纳米孔结构的方式可以保证光-分析物相互作用的空间足够小，通过双层波导结构和纳米孔结构相互配合，光-分析物之间的相互作用增强，确保每次光波对单一分析物的检测贡献，从而确保生物传感器的检测灵敏度。
详述来说，双层波导平台也是一种层结构，具体依次包括顶包层、第一波导层、第二波导层、底包层。第一波导层、第二波导层构成双层波导结构，第二波导层的折射率大于第一波导层，且二者之间设有间隙。顶包层上形成有多个纳米孔，纳米孔用于放置分析物微粒，多个纳米孔构成纳米孔结构。
双层波导结构具体作为双层单膜波导结构，可用于任何光或偏振的场定位和增强，入射光在双层波导结构中传播时，大部分入射光会被限制在第一波导层的底层传播，由于第二波导层的折射率大于第一波导层，且二者之间设有间隙，另一部分入射光在传播时，在经过第二波导层时限制较大，在其折射率更大的基础上，光在第二波导层中的传播损耗较小，而入射光在第一波导层的限制较少，在其折射率较小的基础上，光波更靠近第二波导层。
同时，第二波导层的朝向纳米孔的侧面全部或部分暴露于纳米孔中，分析物微粒处于纳米孔中时，分析物颗粒对应的的侧壁面和底部面为两种不同的表面化学性质的化学表面。由于第二波导层作为单膜波导，内部的光部分暴露于纳米孔结构中各个纳米孔中的分析物，综合使得具有两种材料的双层波导平台可以用于减少定位检测区域中不需要的荧光背景，同时使得光-分析物的相互作用显著增强。
现有技术中，纳米孔的形成通过蚀刻工艺实现，然而，对于小尺寸的纳米孔，制备过程中蚀刻金属的长宽比具有局限性。为减小制造难度，可以增加纳米孔的尺寸或减小金属层的厚度。因此，较大尺寸的纳米孔，会增加光-分析物相互作用体积，同时靠近波导芯层金属层就越薄。但由于附近有金属层，传播损耗增加，因此，纳米孔的尺寸需适宜。需要说明的是，多个间隔设置的纳米孔的设计使得双层波导平台类似于肋状波导的结构，这种形式能减轻传播损耗，由于蚀刻侧壁附近的模式对光的限制较少，从而减少了侧壁的散射。
将分析物微粒固定在顶包层中的纳米孔时，由于纳米孔与顶包层侧壁保持着相同的表面化学性质，固定分析物微粒时可能会比较困难，而生物材料在特定区域的固定需要具有与其他表面不同的表面定位特性，因此，通过设置纳米孔结构和双层波导结构的相互配合，可以直接在纳米孔的底面和侧壁之间提供两种不同表面化学性质的化学表面，以便将分析物很好地固定在纳米孔中。
当光部分暴露于分析物颗粒时，通过刻蚀加沉积的方法改变第二波导层、第一波导层上的光刻蚀刻形状，通过改变第二波导层、第一波导层的厚度，第二波导层、第一波导层之间的间隙宽度，以设计用于生物检测的场强定位。
第二波导层的材料设置为Al2O3、AlN、Nb2O5、ITO或TiO2，但不仅限于这些材料，本发明不做限制。第一波导层的材料采用SiN，本发明也不做限制，二者作为双层波导平台的芯层，顶包层、底包层的材料采用SiO2，二者作为双层波导平台的膜层。
第二波导层的厚度范围为10nm-200nm，经过优化实验，本发明中，第二波导层的厚度大于50nm，且第一波导层的厚度小于第二波导层。
本实施例中，双层波导平台根据第二波导层、第一波导层的厚度、宽度不同设置了三种不同的形式，每种双层波导平台分别展示了（a）具有不同材料的第一波导层、第二波导层的横截面；（b）具有用于生物实体检测的纳米孔的双层波导平台横截面（c）基本TE模式分布的横截面（d）基本 TM 模式分布的横截面。具体参见附图2、附图3、附图4。在附图中，材料1对应为第一波导层，材料2对应为第二波导层。需要说明的是，附图2中还展示了（e）当存在小曲率半径时，光有可能发生偏移并辐射到中心波导结构外的横截面，所以需要附图6所示的过渡结构需补充。
第二波导层的几何参数决定了本发明中双层单膜波导结构与传统的矩形波导相比的传播损耗，因此，通过改变上下波导结构（即第一波导层、第二波导层）的尺寸及其间隙来修改不同模式分布下的剖面场强，比如，可将大部分基本TM 模式场和分析物检测区域定位到垂直轴上的几十纳米，提高场定位的稳定性。
从附图2-4可以看出，在保证第二波导层的朝向纳米孔的侧面全部或部分暴露于纳米孔中的前提下，通过调整间隙宽度，具有两种材料的双层波导结构可以使光与分析物的相互作用显着增强。该间隙宽度的范围为0到250nm均可，越小，纳米孔中的场强越大，但同时损耗越高，所以实际环境下可调一个平衡值使得场强和损耗符合设定需求。
当第二波导层的厚度较厚，可能会导致光在半径小于100um的弯曲处容易辐射出如图2(e)所示的效果且增大曲率损耗，如图5所示，图5为厚度为 100nm 的 Al2O3层的弯曲损耗与弯曲半径的函数关系，可知，随着弯曲半径的增大，弯曲损耗呈递减的趋势，为了尽量减小弯曲接结构引起的传播损耗，需要弯曲结构处的半径更大。
由于光子电路的占位面积与弯曲半径的平方呈正比例，因此，如图6所示，第二波导层的一侧、第一波导层的一侧分别沿着相向的方向逐渐形成有过渡结构，通过改变过渡结构的锥度以及第一波导层、第二波导层之间的间隔可实现第一波导层、第二波导层之间的耦合，第一波导层与第二波导层之间的间隔可在50nm到500nm纳米之间，间隔越小，耦合效率越高，但是需要的锥度角越小，从而导致尺寸越大，所以实际环境下可调一个间隔和锥度之间的平衡值以符合设定需求。通过设置过渡结构，可用于在需要时将光从第一波导层耦合传输至第二波导层上，更好地减小光的传播损耗。而且，第一波导层和第二波导层之间的光传输效率可通过改变过渡结构的锥度来改变，举例来说，其中的一个组合为第一波导层的单侧锥度角2.32度，第二波导层的单侧锥度角为0.22度。锥度角越小，造成的损耗越低，但同时需要的长度越长，也就是尺寸越大，需要取平衡值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于生物检测的易于制造的双层波导平台，其特征在于，所述双层波导平台中形成有两种不同材料组成的双层波导结构，所述双层波导结构作为光限制结构，所述双层波导平台同时还形成有处于所述双层波导结构上方的纳米孔结构，所述纳米孔结构作为生物检测点，通过双层波导结构和纳米孔结构相互配合，当生物检测点中放置有分析物进行检测时，光被限制在所述双层波导平台中除波导之外的位置以实现减弱所述生物检测点中检测环境的荧光背景，同时增强光与分析物之间的相互作用；
所述双层波导平台依次包括顶包层、第一波导层、第二波导层、底包层；
所述第一波导层、第二波导层构成所述双层波导结构，所述第二波导层的折射率大于所述第一波导层，且二者之间设有间隙；
所述顶包层上形成有多个纳米孔，所述纳米孔用于放置分析物微粒，多个纳米孔构成所述纳米孔结构；
所述第二波导层的朝向所述纳米孔的侧面全部或部分暴露于所述纳米孔中。
2.根据权利要求1所述的用于生物检测的易于制造的双层波导平台，其特征在于，所述分析物微粒处于所述纳米孔中时，所述分析物微粒对应的侧壁面和底部面为两种不同的表面化学性质的化学表面，以便于所述分析物微粒固定于所述纳米孔的孔底。
3.根据权利要求1所述的用于生物检测的易于制造的双层波导平台，其特征在于，所述双层波导结构具体为双层单膜波导结构，当光部分暴露于所述分析物微粒时，通过改变所述第二波导层、第一波导层上的光刻蚀刻形状，第二波导层、第一波导层的厚度，第二波导层、第一波导层之间的间隙宽度，以设计用于生物检测的场强定位。
4.根据权利要求2-3任意一项所述的用于生物检测的易于制造的双层波导平台，其特征在于，所述第一波导层的材料设置为SiN，所述第二波导层的材料设置为Al2O3、AlN、Nb2O5、ITO或TiO2，且所述顶包层、底包层的材料采用SiO2。
5.根据权利要求2-3任意一项所述的用于生物检测的易于制造的双层波导平台，其特征在于，所述第二波导层的厚度范围为10nm-200nm。
6.根据权利要求5所述的用于生物检测的易于制造的双层波导平台，其特征在于，所述第一波导层的厚度小于所述第二波导层，且所述第二波导层的一侧、第一波导层的一侧分别沿着相向的方向逐渐形成有过渡结构，通过改变所述过渡结构的锥度以及所述第一波导层、第二波导层之间的间距可实现所述第一波导层、第二波导层之间的耦合。
7.根据权利要求1所述的用于生物检测的易于制造的双层波导平台，其特征在于，所述双层波导平台可用于病毒、抗体、抗原、蛋白质、核苷酸的生物实体检测。
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