一种多通道微环传感器及其制备和使用方法
阅读说明：本技术 一种多通道微环传感器及其制备和使用方法 (Multi-channel micro-ring sensor and preparation and use methods thereof ) 是由 吕晓庆 黄北举 张欢 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种多通道微环传感器及其制备和使用方法,包括传感衬底、波导微环、涂层裸露传感区域和光纤阵列,所述波导微环采用标准流片工艺制作于传感衬底上,所述波导微环包括一个输入波导、两个输出波导和一个微环；本发明将传统需要微流通道才能达到的多参数检测目的,改善为使用parylene C薄膜疏水作用和微点样仪结合,使特异性蛋白一步法固定在微环表面,简化了芯片制备和修饰流程,且传统使用微流通道,芯片尺寸不能太小,而本发明不依赖于微流通道的方法有利于缩小芯片尺寸,达到更高的集成度,同时利用parylene C薄膜一步法固定特异性抗体,检测完成之后,parylene C可去除,使芯片循环使用,降低了成本。(The invention discloses a multi-channel micro-ring sensor and a preparation and use method thereof, wherein the multi-channel micro-ring sensor comprises a sensing substrate, a waveguide micro-ring, a coating exposed sensing area and an optical fiber array, wherein the waveguide micro-ring is manufactured on the sensing substrate by adopting a standard flow sheet process, and comprises an input waveguide, two output waveguides and a micro-ring; the invention uses parylene C film hydrophobic effect and micro-spotting instrument to combine, fixes the specific protein on the surface of micro-ring, simplifies the chip preparation and decoration process, and uses parylene C film one-step method to fix the specific antibody, after the detection, parylene C can be removed, the chip can be used circularly, and reduces the cost.)
技术领域
本发明涉及半导体器件、微纳加工和生物传感技术领域，尤其涉及一种多通道微环传感器及其制备和使用方法。
背景技术
生物传感器是一类可检测生物信号的器件，广泛应用于生物医学、健康医疗、环境监测、药物检测、国防安全、农药残留等，在众多传感器中，光学传感器以其无需标记、高灵敏度、高集成度等优势得到研究者的关注，其中，微环生物传感器是基于光的耦合理论的光传感器件，具有体积小、灵敏度高、易便携、易集成、与CMOS工艺兼容等优点；
微环传感器具有灵敏度高、集成度高等优点，微环结构由流片工艺制作，其中包括电子束曝光工艺，在数毫米的芯片上集成众多微环结构，当用于血液、尿液等体液中多种生物标志物传感检测时，微环器件的应用受到限制，其原因是，传感器中常用实现多通道检测的途径是与微流控芯片集成，微流控芯片的结构在数十微米到数百微米之间，尺寸的差异导致高集成度的微环结构与微流控芯片难以有效集成；
微环传感器实现光信号的输入和输出依靠光纤耦合，即光波由光纤耦合进入波导，再由输出波导耦合到输出光纤，波导与光纤的耦合是微环传感结构重要的环节，常规实验室测试平台需要加入三维移动台不断调节光纤的位置，使光纤和波导的耦合光栅精确对准，实现耦合，这个对准所需时间长，在实际传感测试中，为了尽量保持酶的生物活性，每一步的测试时间越短越好，这就需要设计芯片时，直接让芯片上波导和光纤对准，耦合，在后续测试过程中就不需要再对准，缩短测试时间，保留酶的生物活性，但以上工艺加工的微环传感芯片往往价格昂贵，因此，本发明提出一种多通道微环传感器及其制备和使用方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种多通道微环传感器及其制备和使用方法，该方法使用paryleneC薄膜疏水作用和微点样仪结合，使特异性蛋白一步法固定在微环表面，简化了芯片制备和修饰流程，缩小了芯片面积，提高了芯片集成度，同时使芯片可循环使用。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种多通道微环传感器，包括传感衬底、波导微环、涂层裸露传感区域和光纤阵列，所述波导微环采用标准流片工艺制作于传感衬底上，所述波导微环包括一个输入波导、两个输出波导和一个微环，所述光纤阵列镶嵌在石英材料中，所述波导微环的输入波导和输出波导分别和光纤阵列中的输入光纤阵列和输出光纤阵列对准连接，并采用紫外固化胶粘接，实现耦合。
一种多通道微环传感器的制备方法，先在衬底上制备微环结构，再在微环结构上蒸镀paryleneC膜，最后在微环结构上覆盖保护层并露出paryleneC膜覆盖微环区域。
进一步改进在于：所述微环微环结构是在SOI衬底上，经过电子束光刻EBL和反应离子刻蚀RIE工艺制备获得。
一种多通道微环传感器的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：
波导阵列和光纤阵列耦合后，测试原始光谱λ0，蒸镀paryleneC的掩膜版与微环衬底对准，微环孔分别对准衬底上的对应的微环区域，称取paryleneC底物并采用化学气相沉积的方式蒸镀parylene C薄膜，得到paryleneC膜，再测试蒸镀paryleneC薄膜后微环的光谱λ1；
步骤二：
揭下掩膜版，在芯片表面涂覆一层保护层，均匀地在蒸完paryleneC的芯片上悬涂光刻胶，用掩膜版覆盖涂完胶的芯片；
步骤三
用微阵列点样仪将特异性抗体点在paryleneC区域，在parylene C薄膜的物理吸附能力下，特异性抗体被吸附在微环上，测试光谱抗体光谱λ2；
步骤四
清洗未结合的抗体，加入待测蛋白，待反应结束后测试光谱λ3；步骤五
对传感芯片进行清洗，循环步骤一至步骤四进行下一次传感测试，使传感芯片重复使用。
进一步改进在于：所述步骤一中，波导阵列的间距根据光纤阵列的间距而设置，且与光纤阵列间距相同。
进一步改进在于：所述步骤二中，所述掩膜版材料优选PDMS，蒸镀paryleneC薄膜后，使用AFM测试其厚度。
进一步改进在于：所述步骤五中，传感芯片清洗的具体步骤为：先将使用完的传感芯片浸泡丙酮，去除PMMA，再浸泡四氢呋喃，去除paryleneC，使芯片回归到原始状态。
本发明的有益效果为：本发明将传统需要微流通道才能达到的多参数检测目的，改善为使用paryleneC薄膜疏水作用和微点样仪结合，使特异性蛋白一步法固定在微环表面，简化了芯片制备和修饰流程，且传统使用微流通道，芯片尺寸不能太小，而本发明不依赖于微流通道的方法有利于缩小芯片尺寸，达到更高的集成度，同时利用paryleneC薄膜一步法固定特异性抗体，检测完成之后，paryleneC可去除，使芯片循环使用，降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的多通道微环传感器结构示意图；
图2是本发明的多通道微环传感器制备流程示意图；
图3是本发明实施例中的微环结构示意图；
图4是本发明实施例中的蒸镀paryleneC的掩膜版结构示意图；
图5是本发明实施例中利用AFM测试厚度的结果图；
图6是本发明实施例中的测试光谱图。
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作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1，本实施例提供了一种多通道微环传感器，包括传感衬底100、波导微环101、涂层裸露传感区域102和光纤阵列103，自上而下由硅衬底层、微环波导层、paryleneC(聚氯代对二甲苯)薄膜层、保护层构成，所述波导微环101采用标准流片工艺制作于传感衬底100上，所述波导微环101包括一个输入波导、两个输出波导和一个微环，双波导更有利于光谱稳定，所述光纤阵列103镶嵌在石英材料中，所述波导微环101的输入波导和输出波导分别和光纤阵列中的输入光纤阵列和输出光纤阵列对准连接，并采用紫外固化胶粘接，实现耦合。
参见图2，本实施例还提供了一种多通道微环传感器的制备方法，其特征在于：先在衬底200上制备微环结构201，再在微环结构201上蒸镀paryleneC膜202，最后在微环结构201上覆盖保护层203并露出paryleneC膜覆盖微环区域，以单个微环为例，微环结构如图3所示，该微环是采用微电子所180nm的硅光产品线，在SOI衬底上，经过电子束光刻EBL，反应离子刻蚀RIE工艺制备获得，该微环芯片由光耦合器、微环、直通端和下载端组成，微环的半径20μm，微环与直通端间隙为250nm，脊型波导的高度为70nm，宽度450nm。
本实施例还提供了一种多通道微环传感器的使用方法，即多通道检测方法，包括以下步骤：
步骤一：
波导阵列的间距根据光线阵列的间距而设置，与光线阵列间距相同，波导阵列和光纤阵列耦合后，测试原始光谱λ0，蒸镀paryleneC的掩膜版(如图4所示)与微环衬底对准，八个微环孔分别对准衬底上的八个微环区域，蒸镀paryleneC薄膜，称取0.05gparyleneC底物，采用化学气相沉积的方式蒸镀，得到厚度为20nm的parylene C膜，掩膜版材料优选PDMS(聚二甲基硅氧烷)，因为其柔软，和衬底之间通过范德瓦耳斯力黏贴，且揭下PDMS后，衬底不留痕迹，测试蒸镀paryleneC薄膜后微环的光谱λ1，蒸镀paryleneC薄膜后，使用AFM测试其厚度，为24.732nm，如图5所示；
步骤二：
揭下掩膜版，在芯片表面涂覆一层保护层，以电子书曝光胶PMMA为例，均匀地在蒸完paryleneC的芯片上悬涂光刻胶，用掩膜版覆盖涂完胶的芯片，掩膜版图形如图4所示，中间空洞是曝光区域，由于PMMA是正胶，曝光区域在显影时会溶解，暴露出下层的parylene C薄膜，paryleneC膜不会被丙酮腐蚀，芯片的其他区域被PMMA保护；
步骤三
用整个区域只有paryleneC薄膜覆盖的微环传感区域是裸露的，用微阵列点样仪将特异性抗体点在八个paryleneC区域，在parylene C薄膜的物理吸附能力下，特异性抗体被吸附在微环上，测试光谱抗体光谱λ2；
步骤四
清洗未结合的抗体，加入待测蛋白，待反应结束后测试光谱λ3；步骤五
为了实现微环的重复利用，先将使用完的传感芯片浸泡丙酮，去除PMMA，再浸泡四氢呋喃，去除parylene，芯片回归到原始状态，循环步骤一至步骤四进行下一次传感测试，使传感芯片重复使用。
实施例中整个流程测试光谱如图6所示，1-1代表微环的原始光谱λ0，1-2代表蒸完paryleneC膜的光谱λ1，1-3代表偶联特异性抗体的光谱λ2，1-4代表抗原抗体特异性结合后的光谱λ3。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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