專利名稱：基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測裝置，可應用于疾病治療診斷和生物樣品(例如蛋白質、DNA以及抗體等)檢測領域，
背景技術：
人類對基因組的破譯、解讀和開發，以及對流行性疾病、血液和藥物的篩查等，都需要進行大量的平行檢測和分析。這些迫切要求分析科學用更低的消耗、更簡便的方法和設備、更快的速度提供更準確的有關物質成分與結構的信息。20世紀90年代初由瑞士的 Manz 和 Widmer 提出的以微機電加工技術(micro electromechanical systems, M EMS)為基礎的“微型全分析系統”(miniaturized total analysis system,或 micro totalanalysis system s, μ _TAS)正是在上述的新挑戰的情況下發展起來的一項分析技術。“微型全分析系統”的目的是通過化學分析設備的微型化與集成化，最大限度地把分析實驗室的功能轉移到便攜的分析設備中，甚至集成到微型芯片上。雖然近年來人們對微流控芯片的研究取得很大的進展，但是主要還是集中于對功能各異的微型化、集成化微流控芯片本身的研制。相比之下，與微流控芯片配套的微型集成化檢測系統的研制卻相對落后。這是由于芯片體積小，反應通道一般只有幾十微米寬，其分析試劑進樣量僅為皮納升級，而且分析檢測大多在秒級內完成，因此芯片對其檢測手段和裝置的要求有其特殊性。當前微流控分析中應用最廣泛、最有效的檢測是光譜檢測方法，而共聚焦式激光誘導熒光檢測是其中應用較為普遍的。然而，它雖然具有很高的靈敏度，但卻遠遠沒有達到微型化和集成化的要求。因為，由分離光、電器件構成的微流控芯片熒光檢測系統，存在體積大、成本高、布局復雜、性能的穩定和可靠性差、功耗大、速率受限等缺點。近十多年來，國外一些著名的大學、研究院所和公司，投入巨大的人力、物力和財力對微流控芯片熒光檢測系統的微型化和集成化進行了廣泛深入的研究，取得了一系列重要的研究成果。Joo等將一個LED、一個固態光電倍增管(SSPM)、聚電解質凝膠電極(PEGs)與玻璃微流控芯片組裝在一個長、寬、高為15X IOX IOcm3的微系統中，這個便攜式的微流控細胞計數器可以簡單而快速地用電阻抗和熒光兩種檢測方式區分細胞和微粒子。Chabinyc等設計了一種使用微型雪崩光電二極管(μ -APD)和PDMS微流控芯片相集成的熒光探測系統，μ -APD陣列在微流通道下面，與光纖垂直。由于μ -APD探測陣列與微流通道之間距離很近，這樣就可以不使用光學傳輸系統，從而大大減少了整個檢測系統的尺寸。Kuhn等設計出小型化的完全芯片整合電光學陷阱，其激發能水平比常規光學陷阱低5個數量級，并運用熒光檢測完成大腸桿菌DNA的光漂白動力學研究。上述微流控芯片檢測系統雖然很大程度上降低了系統的體積，但是沒有對激發光進行濾光處理，光源發出的光譜較寬，覆蓋了有用的熒光信號，影響了檢測的靈敏度和準確度。為了提高熒光檢測系統的靈敏度和準確度，Pais等在LED和H)兩者之間設置了相互正交的偏振片，有效率掉了激發光對檢測熒光的干擾，提高了檢測系統的信噪比。國內清華大學羅國安教授課題組以有機發光二級管(Organic Light Emitting Diode7OLEDHtS激發光源，組建了微流控芯片的微型化熒光檢測系統，并利用自制的濾光片來解決OLED發射光譜較寬的問題。然而上述方法采用分離的偏振片和濾光片，使檢測系統的體積較大、布局復雜、便攜性也較差，因此限制了整個系統的推廣和使用。光子晶體具有濾光能力強、體積小和易集成等優點，在生物樣品檢測領域中有著重要的應用前景。因此，如何在微流控芯片熒光檢測系統的LED激發光源和H)探測器頂部集成光子晶體濾波片，取代分離的激發光濾波片和發射光濾波片，過濾掉激發光對有用熒光信號的干擾，實現檢測系統的集成濾波功能，進一步提高系統的集成化和微型化，是本發明的創研動機。
發明內容
本發明針對上述問題，提供了一種基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統，該系統具有體積小、靈敏度高、便攜性強的特點。本發明解決問題采用的技術方案如下—種基于光子晶體濾波片的微流控芯片突光檢測系統，該系統的突光誘導激發光源是由光子晶體濾波片集成發光二極管(LED)構成，該系統的光電探測器是由光子晶體濾波片集成光電二極管(PD)構成。所述的光子晶體濾波片集成LED和H)結構是通過在襯底上，先生長一層2 μ m左右η型參雜III-V族半導體材料層,再生長一層反光層,然后生長有源層，其次生長一層200-300nm厚的p型參雜III-V族半導體材料層。在LED和H)上部即P型參雜πι-v族半導體材料層，利用刻蝕工藝制備光子晶體平板濾波片，通過光子晶體的光子禁帶特性，過濾掉激發光對有用熒光信號的干擾。所述的III-V族半導體材料層可以是磷化鎵(GaP)、鎵鋁砷(GaAlAs)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)等材料，其內部結構具有單向導電性所述的有源層結構可以是n(n >= 4)個周期的InGaN/GaN量子阱或量子點結構。所述的反光層可以是金屬層或分布式布拉格反射鏡(DBR)，金屬層包括Al、Ag、Au、Cu等金屬層。所述的襯底可以采用晶體材料、有機材料，其中晶體材料包括硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、藍寶石(Al2O3)等半導體襯底。所述的光子晶體的圖案是矩形、方形、圓形、橢圓形；光子晶體孔寬度為20納米至10微米，高度在60納米至10厘米。周期性孔矩陣可以通過干法或者濕法刻蝕工藝實現，如電子束曝光(E-beam lithography)、聚焦離子束曝光(Focus Ion Beam lithography)和反應離子束刻蝕(Reactive Ion Etching，RIE)等，其特點是底部平坦，空壁光滑，側面形狀不限。光子晶體濾波片集成LED和H)的制備過程是在襯底上通過生長工藝分別制備III-V族半導體材料基LED和H);然后在LED和H)上通過掩模和刻蝕工藝分別制備光子晶體平板濾波片。本發明測試系統包括光子晶體諧振腔LED平板式激發光源14、微流控芯片15、光纖16、光子晶體濾波片集成H) 17、高壓電源 18和計算機控制系統19等組成。本發明的有益效果是I、本發明采用平板光子晶體作為濾波片，代替傳統的分離濾波片，使濾波片可以與激發光源LED和探測器ro集成，進一步減少了微流控芯片熒光檢測系統的尺寸，提高系統便攜性。2、與現有的微流控芯片熒光檢測系統中的濾波片相比，本發明利用光子晶體的光子禁帶濾除激發光對有用熒光信號的干擾，進一步提高了系統的靈敏度和準確度。
圖I為光子晶體濾波片集成LED激發光源和H)探測器制作流程示意圖。圖2為光子晶體濾波片集成LED激發光源和H)探測器示意圖。圖3是基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統示 意圖。圖中1襯底，2III-V族半導體材料η型層，3反光層，4III-V族半導體材料有源層，5111-V族半導體材料P型層，6沉積掩模，7光子晶體平板濾波片，8ΙΤ0層，9ρ型電極，IOn型電極，11光子晶體濾波片集成LED，12玻璃基片，13玻璃蓋片，14光子晶體濾波片集成LED平板式光源，15微流控芯片，16光纖，17光子晶體濾波片集成PD，18高壓電源，19計算機控制系統。
具體實施例方式為使得本發明的技術方案的內容更加清晰，以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式
。其中的薄膜生長技術包括蒸發、濺射、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)、電子束蒸發(E-beam evaporation)或液相外延(LPE)等常用技術。其中的掩模工藝包括電子束曝光(E-beam lithography，EBL)、聚焦離子束曝光(Focus Ion Beam lithography, FIBL)等常用技術。其中的刻蝕工藝包括濕法刻蝕和干法刻蝕，如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應離子束刻蝕(Reactive IonEtching, RIE)等常用工藝。首先，采用MOCVD技術在襯底I上制作LED器件先生長一層2 μ m左右的基于III-V族半導體材料的η型層2，再生長一層反光層3，然后生長基于III-V族半導體材料的有源層4，最后生長一層200-300nm厚的基于III-V族半導體材料的p型層5，外延片生長完成，如附圖1(a)所示。然后，清洗外延片，進行沉積掩模6，其中6可以是3102等，如附圖I (b)所示。再根據理論計算的結果，定義滿足填充因子和刻蝕圖形要求的光子晶體平板濾波片，并通過掃描式離子束曝光或聚焦離子束曝光將樣本轉換到掩模上，如附圖1(c)所示。其中，理論計算可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。通過刻蝕工藝，在5材料上制備光子晶體平板濾波片7，如附圖1(d)所示。然后，移除掩模6，去膠清洗，如附圖1(e)示。再在光子晶體平板濾波片表面采用真空鍍膜的方法制作一層250-300nm厚的ITO層8作為電流擴展層，如附圖1(f)所示。然后，分別制備上P型電極9和下η型電極10并退火，光子晶體平板濾波片集成LED 11制備完成，如附圖1(g)所示。最后，將光子晶體平板濾波片集成LED 11置放于玻璃基片12上，用玻璃蓋片13進行封裝，構成光子晶體濾波片集成LED平板式光源14，如附圖2所示。其中，光子晶體濾波片集成ro 17的制作流程同上。光源14的體積大小與微流控芯片15相近,通過調節加在P型電極9和η型電極10之間的電壓，光源14發出具有一定強度的相應波長激發光，用于誘發熒光。通過改變LED有源層4的材料和參雜，可以制出具有藍光、綠光、紅光和紫外光的光源11。如圖3所示，本發明測試系統主要由光子晶體諧振腔LED平板式激發光源14、微流控芯片15、光纖16、光子晶體濾波片集成H) 17、高壓電源18和計算機控制系統19等組成。光子晶體平板濾波片7可以將激發光源11發出的激發光中覆蓋檢測區域的雜散光濾掉，微流控芯片15上由激發光11產生的熒光信號，通過光纖16傳遞到另一端的光子晶體濾波片集成ro 17接受放大，其中接收端的干擾光將會被集成于ro頂部的光子晶體濾波片濾除，最后傳輸至計算機19，由計算機19記錄并進行數據處理。微流控芯片15上的樣品池和緩沖溶液池連接到高壓電源上，高壓電源18同時與計算機19連接，用來控制微流控芯片15上的電泳進樣及分離操作。綜上所述，本發明提供的光子晶體濾波片集成LED激發光源和H)探測器可以將分離的濾波片與LED和H)集成，該方法可以顯著縮小系統體積，提高微流控芯片熒光檢測系統的便攜性和集成性。同時，光子晶體濾波片良好的限光性，可以有效的濾除激發光對熒光信號的干擾，從而提高系統的靈敏度和準確度。以上所述是本發明應用的技術原理和具體實例，依據本發明的構想所做的等效變換，只要其所運用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明的范圍內，特此說明。
權利要求
1.一種基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統，包括激發光源、微流控芯片、光纖、光電探測器、高壓電源和計算機；其特征在于所述激發光源采用光子晶體濾波片集成發光二極管(LED)，所述光電探測器采用光子晶體濾波片集成光電二極管(ro)，光子晶體濾波片集成LED激發光源和H)探測器結構是在襯底上先生長一層2 μ m的基于III-V族半導體材料的η型層，再生長一層反光層,然后生長一層基于III-V族半導體材料的有源層，最后生長一層200-300nm厚的基于III-V族半導體材料的p型層；最后通過刻蝕工藝，在P型層刻蝕出平板光子晶體濾波片圖樣。
2.根據權利要求I所述的基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統，其特征在于，所述的III-V族半導體材料層是內部結構具有單向導電性的磷化鎵、鎵鋁砷、砷化鎵、氮化鎵。
3.根據權利要求I所述的基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統，其特征在于，所述的光子晶體的圖案是矩形、方形、圓形、橢圓形；光子晶體孔寬度為20納米至10微米，高度在60納米至10厘米。
4.根據權利要求I所述的基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統，其特征在于，所述的有源層結構是η個周期的InGaN/GaN量子阱或量子點結構，其中η不小于4。
5.根據權利要求I或2或3或4所述的基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統，其特征在于，反光層是金屬層或分布式布拉格反射鏡(DBR)。
6.根據權利要求I或2或3或4所述的基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統，其特征在于，所述的襯底采用晶體材料、有機材料。
7.根據權利要求5所述的基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統，其特征在于，金屬層的金屬是指Al、Ag、Au、Cu。
8.根據權利要求6所述的基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統，其特征在于，晶體材料包括硅、砷化鎵、磷化銦、藍寶石。
全文摘要
一種基于光子晶體濾波片的微流控芯片熒光檢測系統，包括集成有光子晶體濾波片的發光二極管(LED)激發光源、微流控芯片、光纖、集成有光子晶體濾波片的光電探測器等。其通過在微流控芯片熒光檢測系統的LED激發光源和光電探測器的頂部集成光子晶體濾波片，取代分離的激發光濾波片和發射光濾波片，對激發光源中覆蓋熒光區域的干擾光進行濾除。本發明實現了濾波片與LED激發光源和光電探測器的集成，進一步提高了檢測系統的便攜性和集成度。
文檔編號G01N21/01GK102628805SQ20121012606
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月26日 優先權日2012年4月26日
發明者曹暾 申請人:大連理工大學