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CN111896498A - 一种多孔硅拼装式微腔生物传感器 - Google Patents

一种多孔硅拼装式微腔生物传感器 Download PDF

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CN111896498A CN202010776987.1A CN202010776987A CN111896498A CN 111896498 A CN111896498 A CN 111896498A CN 202010776987 A CN202010776987 A CN 202010776987A CN 111896498 A CN111896498 A CN 111896498A
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Abstract

本发明公开了一种多孔硅拼装式微腔生物传感器是由上下布拉格与微腔构成的一种常用的多孔硅生物传感器，在生物检测过程中，即使尺寸非常小的生物分子也只能进入到多孔硅表层1μm的深度，很难达到微腔层，导致实际多孔硅微腔的生物检测灵敏度低于理论值设计值。为解决这一问题，本发明公开了一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，其上部分布拉格反射镜和下半部分是分离的，上部分布拉格由基于石英玻璃基底的布拉格器件代替，微腔及下部分布拉格由多孔硅制备，于是生物分子可直接进入到微腔层。由于生物分子可以容易的进入到孔洞较大的微腔层，能引起较大的反射谱红移或角度谱移动，因而提高了多孔硅的灵敏度。

Description

一种多孔硅拼装式微腔生物传感器
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，具体领域为拼装式的多孔硅微腔生物传感器。
背景技术
多孔硅由于具有比表面积大，生物兼容性好，以及可以制备成各种结构的光学器件等特性，使得在生物传感器中得到了广泛应用。
多孔硅光学生物传感器根据检测机制的不同分为两种，一种是基于荧光标记的传感器，其主要特征是灵敏度高；另一种是基于折射率变化的传感器，其主要特征是生物分子免标记。目前已经报道的，基于折射率变化的有：表面光栅，布拉格，微腔等多种结构的多孔硅光学生物传感器。
多孔硅微腔(PSM)生物传感器，由两个完全相同的布拉格反射镜和中间缺陷层组成，其反射光谱缺陷峰有较高的透射率且透射峰半宽较窄，因此具有较高的灵敏度，被人们广泛应用于DNA，抗原抗体，酶等多种敏感元件材料的检测中。多孔硅微腔是利用生物分子进入多孔硅引起多孔硅层折射率变化，检测其引起的反射谱或角度谱的变化，进而达到生物检测的目的。
以往报道中的理论分析都是基于生物分子可以进入到所有层，引起多孔硅每一层折射率发生相同变化。然而，实验结果与理论有较大的差距，表现为反射谱缺陷态半高宽增加，且缺陷态反射率增大，意味着检测的灵敏度远远低于理论值。产生以上结果的原因是生物分子很难进入到多孔硅深层，一般只进入到多孔硅深度约1μm，即进入多孔硅部分区域，多孔硅光子晶体没有得到充分利用，而只有生物分子进入到微腔层及以下部分，才会引起折射率有较大的变化，由此造成实验和理论有较大的差异。结合图5，用转移矩阵法进行理论分析，假设生物分子进入到多孔硅，引起每层折射率改变0.01，我们研究了生物分子进入到多孔硅微腔前八层，微腔层及下半个布拉格反射镜前四层和所有层对反射谱的影响，反射谱分别红移0.28nm，3.5nm，5.09nm，红移量越大，灵敏度越高。
因此需要研发一种光学生物传感器，可以使生物分子直接进入到多孔硅微腔层及以下布拉格反射镜中，从而解决传统的多孔硅微腔中，生物分子只能进入到表面几层而造成器件灵敏度下降的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，包括上部分布拉格反射镜、微腔层及下部分布拉格反射镜，上部分布拉格反射镜为基于石英玻璃的布拉格器件，微腔层及下部分布拉格反射镜为多孔硅制备，上部分布拉格反射镜、微腔层及下部分布拉格反射镜是分离的，并由固定的夹具将上部分布拉格反射镜和微腔层及下部分布拉格反射镜部分拼装起来。
优选的，其制备的具体步骤如下：
S1、通过阳极电化学腐蚀法腐蚀第一层为微腔，下面为六周期布拉格反射镜结构的多孔硅器件；
S2、将步骤S1腐蚀好的多孔硅进行功能化，用于偶联生物；
S3、将步骤S2功能化后的多孔硅偶联上探针DNA，之后再将目标DNA滴加在多孔硅一半的区域，另一半用做对照，以减小拼装后空气缝对生物检测的影响；
S4、通过溅射镀膜方式，制备以石英为基底的六周期布拉格反射镜，高低折射率层分别由Al2O3和MgF2组成，折射率分别为1.58和1.37，厚度分别为100.16nm和115.51nm；
S5、将步骤S1、S2中制作好的多孔硅与以石英为基底的布拉格反射镜用固定的夹具拼装在一起，形成可拼装的微腔结构。
S6、使用角度谱法测量拼装式微腔的反射光强，由于生物分子进入多孔硅器件以后，每层的折射率均有增加，缺陷态中心波长增大，生物检测前，调节入射角至θ1，此时缺陷态波长与入射波波长相同，光强达到最小值，多孔硅微腔层中发生生物反应时折射率增加，再次调节入射光至θ2，使光强再次达到最小值，根据角度变化情况Δθ＝θ2-θ1可以得到所添加生物浓度的变化情况。
优选的，步骤1中的多孔硅满足以下公式：
nHdH＝nLdL＝λC/4
nCdC＝mλC/2
其中，nH，nL分别为布拉格反射镜的高低折射率，nC为微腔层的折射率；dH，dL分别为布拉格反射镜高低折射率层的厚度，dC为微腔层的厚度，λC为多孔硅微腔的中心波长，微腔层孔隙率较大，折射率较小，有利于生物分子进入。
m的值越大，缺陷态半高宽越窄，缺陷态中心波长不变，其品质因数Q(Q＝ω0/δω，ω0是谐振频率，δω是半高线宽)越高。考虑到实验中多孔硅微腔的制备、实验仪器的分辨率和拼装时的气缝等问题，微腔层厚度不是越大越好，我们选择最优值m＝2。
优选的，多孔硅中心波长为633nm，微腔层的厚度和折射率分别为560.16nm和1.13，下部分布拉格反射镜的高折射率层和低折射率层厚度分别为100.16nm和140.04nm，下部分布拉格反射镜的高折射率和低折射率折射率分别为1.58和1.13。
优选的，步骤2中，多孔硅功能化过程包括氧化、硅烷化和戊二醛三个过程。
优选的，步骤5中所述的多孔硅拼装微腔需要用固定的夹具进行拼装，在进行生物检测时，由于反射光谱仪样品室较小，拼装微腔不容易放置，且不能较好地控制入射光的角度，导致测量结果有一定偏差。因此我们采用步骤6中的角度谱法可以方便地对其进行生物检测，又可以控制入射光的角度。
优选的，步骤6中所述光学检测电路为光源通过光阑，经过两个透镜进行准直扩束，将半导体激光器发出的高斯光转变为近似的平面光，再经过另一个光阑，控制光斑大小,最后到拼装式微腔器件的表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，多孔硅拼装式微腔光学生物传感器可以使生物分子可以直接进入微腔层，解决多孔硅微腔在进行生物检测时，理论和实验灵敏度有较大差异的问题，并且能实现免标记，低成本的生物检测。
附图说明
图1为本发明中以石英为衬底制作的布拉格反射镜的反射谱图；
图2为本发明中拼装式微腔结构图；
图3为本发明中多孔硅拼装微腔的检测光路图；
图4为本发明中多孔硅拼装微腔检测时的入射角度Δθ与生物分子浓度Δn之间的关系；
图5为本发明中生物分子分别进入多孔硅微腔前八层、微腔层及下面布拉格的前四层和进入所有层的反射谱图；
图6为本发明中多孔硅拼装微腔检测时的入射角度Δθ与缺陷态波长的移动量Δλ之间的关系。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，包括上部分布拉格反射镜、微腔层及下部分布拉格反射镜，上部分布拉格反射镜为基于石英玻璃的布拉格器件，微腔层及下部分布拉格反射镜为多孔硅制备，上部分布拉格反射镜、微腔层及下部分布拉格反射镜是分离的，并由固定的夹具将上部分布拉格反射镜和微腔层及下部分布拉格反射镜部分拼装起来。
其应用方法的具体步骤如下：
S1.制备多孔硅，采用<100>晶向的P型掺硼单晶硅片，其厚度为420±10μm，电阻率为0.03-0.06Ω·cm。将硅片在超声仪中分别用丙酮、无水乙醇和去离子水彻底清洗10min，去除表面杂质后进行干燥。将干燥后的硅片放在由聚四氟乙烯制成的反应槽中，将40％的氢氟酸和无水乙醇按照1:1的比例配成的溶液，倒入腐蚀槽中作为电解液，交替改变电流密度和腐蚀时间，高折射率层电流密度设定为60mA/cm2,腐蚀时间为1.2s，低折射率层电流密度设定为110mA/cm2,腐蚀时间为1.0s，微腔层电流密度设定为110mA/cm2,腐蚀时间为4.0s，为了及时补充氟离子浓度，在每一介质层形成后停顿3s，将腐蚀好的多孔硅用去离子水反复冲洗，并在氮气环境中干燥。介质层总数为13层，第一层为微腔，下面是六周期布拉格反射镜，如图2所示，200，202为上下布拉格反射镜，201为微腔层，203，204分别为多孔硅低折射率层和高折射率层。
S2.多孔硅的功能化，将步骤1中得到的多孔硅放在浓度为40％的过氧化氢溶液中，在60℃的真空干燥箱中3h，取出后用去离子水反复冲洗，并在空气环境下干燥。将氧化处理后的多孔硅浸泡在浓度为5％的ATPES溶液(由氨基丙基三乙氧基硅烷、甲醇和去离子水按照1:10:10混合而成)中，1小时后取出用大量去离子水反复冲洗，以除去残留的ATPES溶液，在空气环境中干燥后，放入100℃的真空干燥箱中烘烤10min。将经过硅烷化处理的多孔硅放入2.5％的戊二醛溶液(由戊二醛和去离子水按照1:19的比例配制而成)中1h，取出后为除去多余的戊二醛，用磷酸缓冲液和去离子水反复冲洗，多孔硅中心波长为633nm，微腔层的厚度和折射率分别为560.16nm和1.13，下部分布拉格反射镜的高折射率层和低折射率层厚度分别为100.16nm和140.04nm，下部分布拉格反射镜的高折射率和低折射率折射率分别为1.58和1.13。
S3.DNA生物探针固定和目标DNA的偶联，用微量移液器将40μL，40μM的DNA滴到多孔硅表面，放入37℃的恒温箱中静置2h后取出，用磷酸缓冲液和去离子水反复冲洗，在空气环境干燥，为了封闭未反应的醛基，将多孔硅放入浓度为3M的乙醇胺盐酸盐溶液中，在37℃恒温箱中静置1h，取出后用磷酸缓冲液和去离子水反复冲洗，在空气环境中干燥。用微量移液器将10μL的目标DNA只在多孔硅表面的一半滴加，另一半用作对照实验，以减小空气缝对拼装微腔在进行生物检测时的影响，将其放置在温度为37℃的恒温箱中1h，取出后用磷酸缓冲液反复冲洗，然后干燥。
S4.制备以石英为衬底的布拉格反射镜，主要由MgF2和Al2O3薄膜交替制作，共有6周期12层，MgF2和Al2O3的折射率分别为1.37和1.58，厚度分别为115.51nm和100.16nm，图1为反射谱图，结合图2，205为以石英为衬底的布拉格反射镜，206，207由MgF2和Al2O3组成。
S5.用固定的夹具将制作好的多孔硅与布拉格反射镜拼装在一起，形成可拼装的微腔结构，结合图2，205为以石英为基底的布拉格反射镜，209为腐蚀的多孔硅，208为空气缝。
S6.用角度谱法进行生物检测，将多孔硅拼装微腔放置在反射角度谱检测光路中；结合图3，图3中用氦氖激光器作光源300，激光通过光阑301，经过两个透镜302和303进行准直扩束，经过光阑304时，控制光斑大小，将拼装微腔放置在带刻度的旋转台305中央，用探测器306接受其反射光。图4为入射角度Δθ与生物分子浓度Δn之间的关系，由此可知，斜率越小，器件灵敏度越高，所以在入射角度较小时，进行检测更有利。
由于生物分子只能进入到多孔硅深度约1μm的地方，假设生物分子进入到微腔层及下半个布拉格的前四层，引起每层折射率改变0.01，得到它的反射谱图，如图5，反射谱红移3.5nm，其值远高于生物分子进入到上半个布拉格反射镜前八层，略低于生物分子进入到所有层的红移量。并且由图4和图6可知，生物分子浓度Δn越大，角度变化量Δθ越大，缺陷峰的移动量Δλ也越大。由此看出，让生物分子直接进入到多孔硅微腔及以下布拉格反射镜，能有效地解决传统的微腔因生物分子只能进入到表面几层而造成器件灵敏度下降的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，其特征在于：包括上部分布拉格反射镜、微腔层及下部分布拉格反射镜，上部分布拉格反射镜为基于石英玻璃的布拉格器件，微腔层及下部分布拉格反射镜为多孔硅制备，上部分布拉格反射镜、微腔层及下部分布拉格反射镜是分离的，并由固定的夹具将上部分布拉格反射镜和微腔层及下部分布拉格反射镜部分拼装起来。
2.根据权利要求1的一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，其特征在于：其应用方法的具体步骤如下：
S1、通过阳极电化学腐蚀法腐蚀第一层为微腔，下面为六周期布拉格反射镜结构的多孔硅器件；
S2、将步骤S1腐蚀好的多孔硅进行功能化，用于偶联生物；
S3、将步骤S2功能化后的多孔硅偶联上探针DNA，之后再将目标DNA滴加在多孔硅一半的区域，另一半用做对照，以减小拼装后空气缝对生物检测的影响；
S4、通过溅射镀膜方式，制备以石英为基底的六周期布拉格反射镜，高低折射率层分别由Al2O3和MgF2组成，折射率分别为1.58和1.37，厚度分别为100.16nm和115.51nm；
S5、将步骤S1、S2中制作好的多孔硅与以石英为基底的布拉格反射镜用固定的夹具拼装在一起，形成可拼装的微腔结构；
S6、使用角度谱法测量拼装式微腔的反射光强，由于生物分子进入多孔硅器件以后，每层的折射率均有增加，缺陷态中心波长增大，生物检测前，调节入射角至θ1，此时缺陷态波长与入射波波长相同，光强达到最小值，多孔硅微腔层中发生生物反应时折射率增加，再次调节入射光至θ2，使光强再次达到最小值，根据角度变化情况Δθ＝θ2-θ1可以得到所添加生物浓度的变化情况。
3.根据权利要求2的一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，其特征在于：步骤1中的多孔器件硅满足以下公式：
nHdH＝nLdL＝λC/4
nCdC＝mλC/2
其中，nH，nL分别为布拉格反射镜的高低折射率，nC为微腔层的折射率；dH，dL分别为布拉格反射镜高低折射率层的厚度，dC为微腔层的厚度，λC为多孔硅微腔的中心波长，微腔层孔隙率较大，折射率较小，有利于生物分子进入；
m的值越大，缺陷态半高宽越窄，缺陷态中心波长不变，其品质因数Q(Q＝ω0/δω，ω0是谐振频率，δω是半高线宽)越高；考虑到实验中多孔硅微腔的制备、实验仪器的分辨率和拼装时的气缝等问题，微腔层厚度不是越大越好，选择最优值m＝2。
4.根据权利要求2的一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，其特征在于：多孔硅中心波长为633nm，微腔层的厚度和折射率分别为560.16nm和1.13，下部分布拉格反射镜的高折射率层和低折射率层厚度分别为100.16nm和140.04nm，下部分布拉格反射镜的高折射率和低折射率折射率分别为1.58和1.13。
5.根据权利要求2的一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，其特征在于：步骤2中，多孔硅功能化过程包括氧化、硅烷化和戊二醛三个过程。
6.根据权利要求2的一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，其特征在于：步骤5中所述的多孔硅拼装微腔需要用固定的夹具进行拼装，在进行生物检测时，由于反射光谱仪样品室较小，拼装微腔不容易放置，且不能较好地控制入射光的角度，导致测量结果有一定偏差，因此采用步骤6中的角度谱法可以方便地对其进行生物检测，又可以控制入射光的角度。
7.根据权利要求2的一种多孔硅拼装式微腔生物传感器，其特征在于：步骤6中所述光学检测电路为光源通过光阑，经过两个透镜进行准直扩束，将半导体激光器发出的高斯光转变为近似的平面光，再经过另一个光阑，控制光斑大小,最后到拼装式微腔器件的表面。
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