专利名称：基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测装置，可应用于疾病治疗诊断和生物样品(例如蛋白质、DNA以及抗体等)检测领域，
背景技术：
人类对基因组的破译、解读和开发，以及对流行性疾病、血液和药物的筛查等，都需要进行大量的平行检测和分析。这些迫切要求分析科学用更低的消耗、更简便的方法和设备、更快的速度提供更准确的有关物质成分与结构的信息。20世纪90年代初由瑞士的 Manz 和 Widmer 提出的以微机电加工技术(micro electromechanical systems, M EMS)为基础的“微型全分析系统”(miniaturized total analysis system,或 micro totalanalysis system s, μ _TAS)正是在上述的新挑战的情况下发展起来的一项分析技术。“微型全分析系统”的目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到微型芯片上。虽然近年来人们对微流控芯片的研究取得很大的进展，但是主要还是集中于对功能各异的微型化、集成化微流控芯片本身的研制。相比之下，与微流控芯片配套的微型集成化检测系统的研制却相对落后。这是由于芯片体积�。从νǖ酪话阒挥屑甘⒚卓恚浞治鍪约两拷鑫つ缮叮曳治黾觳獯蠖嘣诿爰赌谕瓿桑虼诵酒云浼觳馐侄魏妥爸玫囊笥衅涮厥庑浴５鼻拔⒘骺胤治鲋杏τ米罟惴骸⒆钣行У募觳馐枪馄准觳夥椒ǎ簿劢故郊す庥盏加饧觳馐瞧渲杏τ媒衔毡榈�。然而，它虽然具有很高的灵敏度，但却远远没有达到微型化和集成化的要求。因为，由分离光、电器件构成的微流控芯片荧光检测系统，存在体积大、成本高、布局复杂、性能的稳定和可靠性差、功耗大、速率受限等缺点。近十多年来，国外一些著名的大学、研究院所和公司，投入巨大的人力、物力和财力对微流控芯片荧光检测系统的微型化和集成化进行了广泛深入的研究，取得了一系列重要的研究成果。Joo等将一个LED、一个固态光电倍增管(SSPM)、聚电解质凝胶电极(PEGs)与玻璃微流控芯片组装在一个长、宽、高为15X IOX IOcm3的微系统中，这个便携式的微流控细胞计数器可以简单而快速地用电阻抗和荧光两种检测方式区分细胞和微粒子。Chabinyc等设计了一种使用微型雪崩光电二极管(μ -APD)和PDMS微流控芯片相集成的荧光探测系统，μ -APD阵列在微流通道下面，与光纤垂直。由于μ -APD探测阵列与微流通道之间距离很近，这样就可以不使用光学传输系统，从而大大减少了整个检测系统的尺寸。Kuhn等设计出小型化的完全芯片整合电光学陷阱，其激发能水平比常规光学陷阱低5个数量级，并运用荧光检测完成大肠杆菌DNA的光漂白动力学研究。上述微流控芯片检测系统虽然很大程度上降低了系统的体积，但是没有对激发光进行滤光处理，光源发出的光谱较宽，覆盖了有用的荧光信号，影响了检测的灵敏度和准确度。为了提高荧光检测系统的灵敏度和准确度，Pais等在LED和H)两者之间设置了相互正交的偏振片，有效率掉了激发光对检测荧光的干扰，提高了检测系统的信噪比。国内清华大学罗国安教授课题组以有机发光二级管(Organic Light Emitting Diode7OLEDHtS激发光源，组建了微流控芯片的微型化荧光检测系统，并利用自制的滤光片来解决OLED发射光谱较宽的问题。然而上述方法采用分离的偏振片和滤光片，使检测系统的体积较大、布局复杂、便携性也较差，因此限制了整个系统的推广和使用。光子晶体具有滤光能力强、体积小和易集成等优点，在生物样品检测领域中有着重要的应用前景。因此，如何在微流控芯片荧光检测系统的LED激发光源和H)探测器顶部集成光子晶体滤波片，取代分离的激发光滤波片和发射光滤波片，过滤掉激发光对有用荧光信号的干扰，实现检测系统的集成滤波功能，进一步提高系统的集成化和微型化，是本发明的创研动机。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统，该系统具有体积小、灵敏度高、便携性强的特点。本发明解决问题采用的技术方案如下—种基于光子晶体滤波片的微流控芯片突光检测系统，该系统的突光诱导激发光源是由光子晶体滤波片集成发光二极管(LED)构成，该系统的光电探测器是由光子晶体滤波片集成光电二极管(PD)构成。所述的光子晶体滤波片集成LED和H)结构是通过在衬底上，先生长一层2 μ m左右η型参杂III-V族半导体材料层,再生长一层反光层,然后生长有源层，其次生长一层200-300nm厚的p型参杂III-V族半导体材料层。在LED和H)上部即P型参杂πι-v族半导体材料层，利用刻蚀工艺制备光子晶体平板滤波片，通过光子晶体的光子禁带特性，过滤掉激发光对有用荧光信号的干扰。所述的III-V族半导体材料层可以是磷化镓(GaP)、镓铝砷(GaAlAs)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等材料，其内部结构具有单向导电性所述的有源层结构可以是n(n >= 4)个周期的InGaN/GaN量子阱或量子点结构。所述的反光层可以是金属层或分布式布拉格反射镜(DBR)，金属层包括Al、Ag、Au、Cu等金属层。所述的衬底可以采用晶体材料、有机材料，其中晶体材料包括硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、蓝宝石(Al2O3)等半导体衬底。所述的光子晶体的图案是矩形、方形、圆形、椭圆形；光子晶体孔宽度为20纳米至10微米，高度在60纳米至10厘米。周期性孔矩阵可以通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，如电子束曝光(E-beam lithography)、聚焦离子束曝光(Focus Ion Beam lithography)和反应离子束刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)等，其特点是底部平坦，空壁光滑，侧面形状不限。光子晶体滤波片集成LED和H)的制备过程是在衬底上通过生长工艺分别制备III-V族半导体材料基LED和H);然后在LED和H)上通过掩�：涂淌垂ひ辗直鹬票腹庾泳迤桨迓瞬ㄆ１痉⒚鞑馐韵低嘲ü庾泳逍痴袂籐ED平板式激发光源14、微流控芯片15、光纤16、光子晶体滤波片集成H) 17、高压电源 18和计算机控制系统19等组成。本发明的有益效果是I、本发明采用平板光子晶体作为滤波片，代替传统的分离滤波片，使滤波片可以与激发光源LED和探测器ro集成，进一步减少了微流控芯片荧光检测系统的尺寸，提高系统便携性。2、与现有的微流控芯片荧光检测系统中的滤波片相比，本发明利用光子晶体的光子禁带滤除激发光对有用荧光信号的干扰，进一步提高了系统的灵敏度和准确度。
图I为光子晶体滤波片集成LED激发光源和H)探测器制作流程示意图。图2为光子晶体滤波片集成LED激发光源和H)探测器示意图。图3是基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统示 意图。图中1衬底，2III-V族半导体材料η型层，3反光层，4III-V族半导体材料有源层，5111-V族半导体材料P型层，6沉积掩模，7光子晶体平板滤波片，8ΙΤ0层，9ρ型电极，IOn型电极，11光子晶体滤波片集成LED，12玻璃基片，13玻璃盖片，14光子晶体滤波片集成LED平板式光源，15微流控芯片，16光纤，17光子晶体滤波片集成PD，18高压电源，19计算机控制系统。
具体实施例方式为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。其中的薄膜生长技术包括蒸发、溅射、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、电子束蒸发(E-beam evaporation)或液相外延(LPE)等常用技术。其中的掩模工艺包括电子束曝光(E-beam lithography，EBL)、聚焦离子束曝光(Focus Ion Beam lithography, FIBL)等常用技术。其中的刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀，如酸法刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀(Reactive IonEtching, RIE)等常用工艺。首先，采用MOCVD技术在衬底I上制作LED器件先生长一层2 μ m左右的基于III-V族半导体材料的η型层2，再生长一层反光层3，然后生长基于III-V族半导体材料的有源层4，最后生长一层200-300nm厚的基于III-V族半导体材料的p型层5，外延片生长完成，如附图1(a)所示。然后，清洗外延片，进行沉积掩模6，其中6可以是3102等，如附图I (b)所示。再根据理论计算的结果，定义满足填充因子和刻蚀图形要求的光子晶体平板滤波片，并通过扫描式离子束曝光或聚焦离子束曝光将样本转换到掩模上，如附图1(c)所示。其中，理论计算可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。通过刻蚀工艺，在5材料上制备光子晶体平板滤波片7，如附图1(d)所示。然后，移除掩模6，去胶清洗，如附图1(e)示。再在光子晶体平板滤波片表面采用真空镀膜的方法制作一层250-300nm厚的ITO层8作为电流扩展层，如附图1(f)所示。然后，分别制备上P型电极9和下η型电极10并退火，光子晶体平板滤波片集成LED 11制备完成，如附图1(g)所示。最后，将光子晶体平板滤波片集成LED 11置放于玻璃基片12上，用玻璃盖片13进行封装，构成光子晶体滤波片集成LED平板式光源14，如附图2所示。其中，光子晶体滤波片集成ro 17的制作流程同上。光源14的体积大小与微流控芯片15相近,通过调节加在P型电极9和η型电极10之间的电压，光源14发出具有一定强度的相应波长激发光，用于诱发荧光。通过改变LED有源层4的材料和参杂，可以制出具有蓝光、绿光、红光和紫外光的光源11。如图3所示，本发明测试系统主要由光子晶体谐振腔LED平板式激发光源14、微流控芯片15、光纤16、光子晶体滤波片集成H) 17、高压电源18和计算机控制系统19等组成。光子晶体平板滤波片7可以将激发光源11发出的激发光中覆盖检测区域的杂散光滤掉，微流控芯片15上由激发光11产生的荧光信号，通过光纤16传递到另一端的光子晶体滤波片集成ro 17接受放大，其中接收端的干扰光将会被集成于ro顶部的光子晶体滤波片滤除，最后传输至计算机19，由计算机19记录并进行数据处理。微流控芯片15上的样品池和缓冲溶液池连接到高压电源上，高压电源18同时与计算机19连接，用来控制微流控芯片15上的电泳进样及分离操作。综上所述，本发明提供的光子晶体滤波片集成LED激发光源和H)探测器可以将分离的滤波片与LED和H)集成，该方法可以显著缩小系统体积，提高微流控芯片荧光检测系统的便携性和集成性。同时，光子晶体滤波片良好的限光性，可以有效的滤除激发光对荧光信号的干扰，从而提高系统的灵敏度和准确度。以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。
权利要求
1.一种基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统，包括激发光源、微流控芯片、光纤、光电探测器、高压电源和计算机；其特征在于所述激发光源采用光子晶体滤波片集成发光二极管(LED)，所述光电探测器采用光子晶体滤波片集成光电二极管(ro)，光子晶体滤波片集成LED激发光源和H)探测器结构是在衬底上先生长一层2 μ m的基于III-V族半导体材料的η型层，再生长一层反光层,然后生长一层基于III-V族半导体材料的有源层，最后生长一层200-300nm厚的基于III-V族半导体材料的p型层；最后通过刻蚀工艺，在P型层刻蚀出平板光子晶体滤波片图样。
2.根据权利要求I所述的基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统，其特征在于，所述的III-V族半导体材料层是内部结构具有单向导电性的磷化镓、镓铝砷、砷化镓、氮化镓。
3.根据权利要求I所述的基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统，其特征在于，所述的光子晶体的图案是矩形、方形、圆形、椭圆形；光子晶体孔宽度为20纳米至10微米，高度在60纳米至10厘米。
4.根据权利要求I所述的基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统，其特征在于，所述的有源层结构是η个周期的InGaN/GaN量子阱或量子点结构，其中η不小于4。
5.根据权利要求I或2或3或4所述的基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统，其特征在于，反光层是金属层或分布式布拉格反射镜(DBR)。
6.根据权利要求I或2或3或4所述的基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统，其特征在于，所述的衬底采用晶体材料、有机材料。
7.根据权利要求5所述的基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统，其特征在于，金属层的金属是指Al、Ag、Au、Cu。
8.根据权利要求6所述的基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统，其特征在于，晶体材料包括硅、砷化镓、磷化铟、蓝宝石。
全文摘要
一种基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统，包括集成有光子晶体滤波片的发光二极管(LED)激发光源、微流控芯片、光纤、集成有光子晶体滤波片的光电探测器等。其通过在微流控芯片荧光检测系统的LED激发光源和光电探测器的顶部集成光子晶体滤波片，取代分离的激发光滤波片和发射光滤波片，对激发光源中覆盖荧光区域的干扰光进行滤除。本发明实现了滤波片与LED激发光源和光电探测器的集成，进一步提高了检测系统的便携性和集成度。
文档编号G01N21/01GK102628805SQ20121012606
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月26日 优先权日2012年4月26日
发明者曹暾 申请人:大连理工大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
