[发明专利]一种基于光学检测的微流控芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测气体或液体样品的微流控芯片及包含所述微流控芯片的传感器，特别涉及一种基于光学检测的微流控芯片及其制备方法，可应用于生化分析、医学诊断和生物工程等领域。

背景技术

光学检测技术和微流控芯片技术的融合，催生了“光流控”(optofluidic)传感器(Nature Photon.，5(10)，591-597(2011))。利用光流控传感器对气体或液体样品进行分析检测，具有无标记、实时动态、及微量样品需求等优势。

目前，光流控传感器主要有三类：微环谐振腔传感器(Appl.Phys.Lett.，97，011105(2010))；表面等离子体共振传感器(Anal.Chem.，82(24)，10015-10020(2010))；以及Fabry-Pérot(FP)谐振腔传感器(Appl.Phys.Lett.，102，163701(2013))。其中，FP谐振腔传感器的检测精度最高(可达10^-8折射率单位)、制备工艺相对简单；但是，为了获得良好的光学性能，要求传感器中样品通道的表面平坦光滑；因此需要引入额外的腐蚀停止层，以避免通道的腐蚀制备过程中所导致的表面粗糙，这增加了工艺复杂度。此外，传感器通常由不同的材料组合而成，不同材料之间的热膨胀系数存在差异(简称“热失配”)，因此温度变化会导致传感器中的热应力发生变化，从而产生形变、降低器件的稳定性。

综上所述，如何简化样品通道的制备技术、并降低热失配，以实现高稳定性和高灵敏度的光流控传感器，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种样品通道表面平坦光滑、低热失配、高稳定性和高灵敏度的微流控芯片及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于光学检测的微流控芯片，包括上衬底层、下衬底层、夹层，所述夹层位于两个衬底层的中间，其特征在于：所述夹层设置有样品通道和进样孔，所述样品通道由夹层中穿透的凹槽结构和衬底表面构成。

所述的样品通道位于中间夹层，是由衬底表面和凹槽侧壁构成，样品通道的上下表面就是衬底表面；由于衬底表面无需刻蚀或腐蚀，因此可保持原有表面的平坦光滑度，相应的样品通道的上下表面也保持平坦光滑，具有良好的光学性能。

本发明涉及的微流控芯片，还可以具有以下附属技术特征：

所述夹层进样孔的深度小于或等于夹层的厚度。其中进样孔也是在中间夹层上腐蚀而成(图2右图)，进样孔的腐蚀深度h可以小于或等于夹层的厚度L，h的数值可以为L的数值的1倍、0.9倍、0.75倍、0.5倍、0.25倍、0.1倍，可视检测样品需求选择。当h小于L时，样品在样品通道内流动会产生紊流；因此，可以通过调节h的大小，来获得需要的紊流效果，从而影响光束传播方向(紊流使得通道内的液体折射率分布不均)、提高检测精度。

所述夹层和所述衬底采用同一种材料制备，从而消除热失配、提高器件稳定性。所述衬底设置进样孔，所述衬底进样孔与夹层进样孔连接。

所述衬底表面镀有反射膜，所述反射膜可以作为光学反射镜；因此所述样品通道的上下表面构成一个Fabry-Pérot光学谐振腔，其中谐振腔的腔长等于中间夹层的厚度。

所述反射膜为金属膜或介质膜中的一种；所述介质膜的反射膜是通过在衬底上交替生长不同折射率的介质薄膜而成，所述介质薄膜形成布拉格反射镜(DBR)；所述介质膜为Si/SiO2、TiO2/SiO2或GaAs/AlGaAs中的任一种。

本发明还涉及一种基于光学检测的微流控芯片的制备方法，主要包括以下步骤：

第一步：在夹层上制备凹槽结构和进样孔，所述凹槽结构穿透夹层；

第二步：将具有凹槽结构的夹层与上下两个衬底键合在一起，凹槽侧壁和衬底表面构成了样品通道。

所述的样品通道，其制备过程如图2、图3和图4所示：先在中间夹层上制备凹槽结构，该凹槽穿透中间夹层(因此无需控制刻蚀深度，也无需采用刻蚀停止层，从而可以采用化学刻蚀、激光切割或机械加工的方法来制备凹槽结构)(图2)；然后，将具有凹槽结构的中间夹层与上下两个衬底键合在一起(凹槽的上下表面为衬底表面)，从而构成了一个密闭的样品通道(图3和图4)；

其中，所述夹层进样孔的深度小于或等于夹层的厚度；在夹层上制备凹槽结构和进样孔的制备方法采用化学刻蚀、激光切割或机械加工中的一种。

其中，所述键合工艺是表面处理工艺或聚合物胶体粘接工艺中的一种，所述表面处理工艺是等离子体或化学溶液中的一种。