[发明专利]一种基于二元光学器件的阵列化表面等离子共振传感器芯片

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于二元光学器件的阵列化表面等离子共振传感器芯片，即采用二元光学器件实现入射光线的角向汇聚和反射光线准直，从而实现多角度反射光的反射率的检测，进一步可以确定共振角。属于生化传感器技术领域。

背景技术

表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，即SPR)生物传感器是通过某种耦合方式用入射光在金属和电介质的界面上激发表面等离子波(Surface Plasmon Wave，即SPW)来实现信息转换的。以棱镜耦合结构为例，当入射光入射到棱镜与金属膜的分界面上时，一般会发生全反射，在金属膜内产生的消逝波传播深度非常有限，全部光能均反射回棱镜。然而当入射光的波长与入射角满足一定条件时，反射光强会大幅度地减弱。这是因为此时发生了表面等离子共振，即一部分能量通过金属膜内的消逝波在另一界面，即金属与敏感膜(固定有探针分子)的界面上激发产生了SPW，或者说消逝波与表面等离子波发生了共振。此时对应的入射光波长为共振波长，对应的入射角为共振角。共振波长和共振角与敏感膜的介电常数及厚度有关。因此当待测生物分子与探针分子发生相互作用时，相应的共振波长或者共振角就会发生变化。通过检测这种变化就可以得到待测生物分子与探针分子相互作用的信息。由此可以实现特定生物分子的识别、分子浓度以及分子反应动力学参数的测定等。

SPR传感器的工作原理决定了这种传感器与传统生物检测手段相比具有明显的技术优势，如可实现实时、动态、无污染检测，样品无需标记和纯化，检测周期短，灵敏度高等。因此SPR传感器在疫苗研制、疾病诊断和治疗、药物靶标、药物开发、基因测序、案件侦破、环境监测、食品安全检验以及兴奋剂检测等众多领域具有非常广阔的应用前景。自从1983年SPR传感技术第一次被用于生物检测领域，作为检测生物分子相互作用的一种方法，引起了越来越多国内外科研工作者的广泛关注，已经成为生物传感技术领域的研究热点。有人预测，在不久的将来，SPR传感器必将成为生物检测领域最重要的技术。

目前SPR传感器采用的结构包括衍射光栅结构、光学波导结构、光纤耦合结构以及棱镜耦合结构等。其中，棱镜耦合结构具有结构简单、易于实现等优点，特别是与其它结构比较，棱镜耦合结构的灵敏度最高，因此被广泛采用。然而，这种结构也存在一些明显的不足：结构松散，体积较大，不易小型化；如直接在棱镜表面制备传感薄膜，则每次检测都需更换棱镜，从而增加检测成本；如将传感薄膜制备于玻璃基片，再用光学匹配液将传感基片与棱镜粘合，则又会增加操作难度；这种结构存在多处机械界面，对机械调节的精度要求很高；同时单通道结构还存在检测效率低、检测精度差等缺点。这就需要对SPR传感器的结构进行研究，实现SPR传感系统的小型化、便携化、多通道阵列化和易用化；同时应该设法降低检测成本，提高系统的稳定性；而且采用的结构应该便于批量生产。

针对被广泛采用的棱镜耦合结构SPR传感器存在的不足，本发明提出一种基于二元光学器件的阵列化表面等离子共振传感器芯片。具体来讲，就是用一个集成有两组二元光学器件、镜面反射膜(可选)和传感膜阵列的SPR传感芯片替代传统的棱镜、聚焦光路、玻璃基片以及传感薄膜。这种芯片的工作原理与棱镜耦合结构相似，采用这种结构，既能保持棱镜耦合SPR传感器高灵敏度的特点，又弥补了棱镜耦合结构存在的缺陷。采用集成化的传感芯片，可以使系统结构紧凑，实现系统的小型化；而且避免了原有的机械界面，便于调节使用；传感芯片可以使用有机材料一次成型，便于批量生产，并且芯片成本也随之降低；这种结构便于实现多通道、阵列化检测，提高检测效率，如果引入参考通道，还可以提高特异性检测的灵敏度。总之，这种新颖的集成化结构具有明显的技术优势，而且符合SPR传感系统小型化、仪器化的发展趋势。