一種光子集成陣列免標記光學生化傳感檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學傳感技術領域，具體涉及一種光子集成陣列免標記光學生化傳感 檢測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 光學生化傳感技術在重大疾病檢測、新型藥物創(chuàng)制、環(huán)境安全監(jiān)測等領域具有廣 闊的應用前景。光子集成光學生化傳感檢測技術基于光學波導微結構感知單元，結合波導 表面特異性生物敏感層固載工藝，通過光學參量（如波長、功率、偏振、相位等）的檢測獲得 生化樣品種類、濃度信息，在提高檢測靈敏度、降低傳感檢測系統(tǒng)成本、實現小型化等方面 極具優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Α?br>[0003] 對多目標生物分子的快速、高靈敏檢測是光子集成光學生化傳感檢測技術研發(fā)的 目標。高效的解調方案和消除光源不穩(wěn)定性及傳感芯片溫度敏感性是實現以上目標的關 鍵，人們對此進行了深入的研究。
[0004]在先技術[1] (A.Densmore，M.Vachon，D.-X.Xu,S.Janz，R.Ma，Y. Li,G.Lopinski,A.Delage,J.Lapointe,C.C.Luebbert,Q.Y.Liu,P.Cheben,and J.H.Schmid."Siliconphotonicwirebiosensorarrayformultiplexedreal-time andlabel-freemoleculardetection,''OpticsLetters, 2009, 34(23) :3598-3600)中，米 用螺旋臂馬赫一曾德干涉結構陣列進行了多目標生物分子免標記傳感，檢測解調方法是： 光源輸出光波的波長固定，檢測輸出端口的光功率，利用光功率與馬赫一曾德干涉結構兩 臂相位差的正弦函數關系，擬合得到相位改變量，解調獲得待測目標生物分子的濃度。盡管 采用了接近等長的螺旋臂來抑制環(huán)境溫度的影響，但是該方案是通過探測絕對光功率來解 調，檢測結果極易受到光源功率抖動的影響。
[0005]在先技術[2] (M.Iqbal,M.A.Gleeson，B.Spaugh，F.Tybor，W.G.Gunn,M. Hochberg,T.B.Jones,R.C.Bailey,andL.C.Gunn.''LabeI-freebiosensor arraysbasedonsiliconringresonatorsandhigh-speedoptical scanninginstrumentation,，'IEEEJ.ofSelectedTopicsinQuantum Electronics, 2010, 16(3) :654-661)中，米用波導微環(huán)陣列進行多目標分子的免標記傳感， 檢測解調方法是：通過高精度的機械裝置控制輸入、輸出光纖依次對準每個微環(huán)單元的輸 入、輸出波導光柵，然后掃描可調諧激光器的波長，接收端同步進行光電探測、采樣、擬合得 到微環(huán)輸出光波峰值波長，通過峰值波長的改變量來解調獲得待測生化樣品的濃度。隨著 陣列中微環(huán)數量的增加，該方案的操作復雜度和時間將極大增加。為了抑制環(huán)境溫度敏感 性，該傳感陣列中單獨設置參考微環(huán)監(jiān)測環(huán)境溫度變化，陣列結構復雜。為了避免可調諧激 光器掃描波長的不穩(wěn)定性，需要另外采用光學標準具來監(jiān)測光波長，增加了系統(tǒng)成本。
[0006]在先技術[3] (D.Duval,J.Osmond,S.Dante,C.Dominguez,L.M.Lechuga,"Grating couplersintegratedonMach-Zehnderinterferometricbiosensorsoperatingin thevisiblerange, "2013,IEEEPhotonicsJournal, 5(2):3700108)中，米用雙Y分支波 導構成馬赫-曾德干涉結構陣列進行多目標分子免標記傳感，檢測解調方法是：法布里珀 羅半導體激光器的尾纖輸出的光波通過波導光柵耦合進入馬赫-曾德干涉結構傳感單元， 經第一個Y分支波導分成兩路，分別進入傳感臂和參考比，然后經第二個Y分支波導匯合輸 出。檢測第二個Y分支波導輸出的光功率，通過光功率值擬合得到傳感臂的相位改變量，來 解調獲得待測生化樣品的濃度。采用波導光柵耦合結構在一定程度上降低了光源尾纖與波 導芯片對準的精度要求，有利于便攜式、小型化傳感檢測系統(tǒng)的實現。但是該方案采用絕對 光功率探測，極易受到光源功率抖動和環(huán)境溫度變化的影響。
【發(fā)明內容】
[0007] 本發(fā)明針對上述光學生化傳感檢測系統(tǒng)存在解調方法復雜、成本高、易受光源穩(wěn) 定性和環(huán)境溫度變化影響等問題，提出一種光子集成陣列免標記光學生化傳感檢測系統(tǒng)。 該傳感檢測系統(tǒng)包括：寬譜光源，微透鏡，光子集成芯片、微流控通道、微透鏡陣列，線陣光 電探測器和數據采集與處理單元傳感單元。
[0008] 所述光子集成芯片包括：IXN多模波導光分路單元，N個級聯(lián)雙波導微環(huán)傳感單 兀，N個光學信號處理單兀。
[0009]所述IXN多模波導光分路單元的輸出波導與N個級聯(lián)雙波導微環(huán)傳感單元依次 通過L形波導連接；
[0010] 所述N個級聯(lián)雙波導微環(huán)傳感單元依次與N個光學信號處理單元依次通過直波導 連接；
[0011] 所述每個級聯(lián)雙波導微環(huán)傳感單元由第一直波導、第一微環(huán)、第二微環(huán)和第二直 波導依次耦合構成，第一微環(huán)的半徑大于第二微環(huán)的半徑；
[0012] 所述每個光學信號處理單元由1X2光波導分路器、第一拱形波導、第二拱形波導 和2X2光波導耦合器依次相連構成，第一拱形波導的長度大于第二拱形波導的長度；
[0013] 所述N個傳感單元微環(huán)波導表面分別固載N種不同種類的特異性生物分子敏感 層；
[0014] 所述微流控通道覆蓋于N個傳感單元上；
[0015] 所述寬譜光源與微透鏡通過光纖連接；
[0016] 所述線陣光電探測器與數據采集與處理單元傳感單元通過電纜連接。
[0017] 所述光子集成陣列免標記光學生化傳感檢測系統(tǒng)，按照以下步驟進行傳感檢測：
[0018] a.寬譜光源輸出的光波經微透鏡耦合進入IXN多模波導光分路單元等分為N路， 然后分別經過L形波導進入N個傳感單元，光波在傳感單元的微環(huán)波導中傳播，倏逝波與波 導上包層的生物分子發(fā)生相互作用。
[0019] b.傳感單元微環(huán)波導表面固載不同種類的特異性生物分子敏感層，生物分子敏感 層捕獲微流控通道輸送的待測樣品溶液中與其特異性匹配的目標分子，實現免標記傳感； 捕獲目標分子前后波導上包層的折射率不同，導致光波在微環(huán)中傳輸的有效折射率不同， 引起傳感單元輸出光波波長的改變。
[0020] c.傳感單元輸出的光波經直波導進入光學信號處理單元后，由1X2光分路器分 成兩路，分別進入第一拱形波導和第二拱形波導，第一拱形波導和第二拱形波導的長度不 同，兩路光波傳輸產生相位差，然后進入2X2波導f禹合器f禹合輸出，兩端口輸出光功率分 別是相位差的正弦平方函數和余弦平方函數。傳感單元輸出光波波長的改變經光學信號處 理單元轉換為兩端口輸出光功率的變化。
[0021] d.光學信號處理單元輸出的光波經微透鏡陣列聚焦進入線陣光電探測器進行光 電轉換，電信號經電纜進入數據采集與處理單元；在數據采集與處理單元中，對每個光學信 號處理單元輸出兩路光信號轉換的電信號進行比值處理，信號功率比值為余切平方函數。 每個光學信號處理單元輸出兩路光信號功率的變化轉換為信號功率比值的變化，基于此構 建"樣品濃度一光波長一功率比值"解調函數。
[0022] e.依據"樣品濃度--光波長--功率比值"解調函數，通過每個光學信號處理單 元輸出兩端口信號功率比值的改變量和與光學信號處理單元對應的傳感單元微環(huán)波導表 面的特異性生物分子敏感層類型，獲得待測樣品溶液中含有的與敏感層特異性匹配的目標 分子的種類和濃度。N個傳感單元微環(huán)波導表面分別固載N種不同種類的特異性生物分子 敏感層，一次送樣即實現多目標分子的聯(lián)檢功能。
[0023] 由于采用了上述技術方案，本發(fā)明提供的光子集成陣列免標記光學生化傳感檢測 系統(tǒng)具有以下突出的有益效果：
[0024] (1)本發(fā)明中傳感單元與光學信號處理單元級聯(lián)處于光子集成芯片上，二者對環(huán) 境溫度響應特性相同，光學信號處理單元進行信號處理的同時抵消了溫度改變對傳感單元 輸出光波波長漂移的影響，避免了額外設置參考通道監(jiān)測環(huán)境溫度變化的復雜結構。
[0025] (2)本發(fā)明中光學信號處理單元將傳感單元輸出光波波長的改變轉換為兩端口輸 出光功率的變化，構建"樣品濃度--光波長--功率比值"解調函數，只需探測兩端口功 率比值的變化即解調得到待測目標分子的濃度，解調方法和數據處理簡便，功率比值檢測 消除了光源功率抖動的影響。
[0026] (3)本發(fā)明中IXN多模干涉光分路單元將寬譜光波分路同時傳輸至N個傳感單元 和N個光學信號處理單元，經微透鏡陣列進入線陣光電探測器進行光電轉換，然后進行數 據處理，實現了多目標生物分子的同時聯(lián)檢，效率高；寬譜光源和線陣光電探測器構成檢測 系統(tǒng)成本低。
【附圖說明】
[0027] 圖1本發(fā)明光子集成陣列免標記光學生化傳感檢測系統(tǒng)結構示意圖。
[0028] 圖2單個傳感單元結構示意圖。
[0029] 圖3單個光學信號處理單元結構示意圖。
[0030] 圖4溫度恒定時"波長--功率比值"關系曲線。
[0031] 圖5溫度改變時"波長--功率比值"關系曲線，
[0032] 圖中：1寬譜光源；2微透鏡；3光子集成芯片；4微流控通道；
[0033]5微透鏡陣列；6線陣光電探測器；7數據采集與處理單元；
[0034] 81XN多模波導光分路器；