[发明专利]一种生物检测装置

说明书

本发明的生物传感器包括光信号检测装置，包含一个光传感器像素阵列，所述阵列包括多个光传感器像素；一个光信号过滤层，包括多个重复的叠层，每个叠层包括两个具有不同折射率的材料层，用于过滤掉入射光信号中的其它光信号成分；一个金属纳米聚光单元阵列层，包括多个金属纳米聚光单元，用于将入射的光信号进行聚焦；一个光栅阵列层，包括多个微型光栅，用于对入射光信号进行约束；生物材料承载区，其包括多个样本集聚单元，每个样本集聚单元用于集聚生物材料的样本，生物材料的样本可产生光信号入射进光栅阵列层；样本集聚单元与微型光栅及金属纳米聚光单元在垂直方向上一一对应，并且对应于至少一个光传感器像素。

技术领域

本申请涉及生物化学检测装置，特别涉及一种基于CMOS图像传感器的生物检测装置。

背景技术

在体外诊断领域(in-vitro diagnostics,IVD)，利用生物荧光信号进行实时检测是很常用的一种技术手段。目前主流的检测技术，例如免疫检测技术、分子(核酸)检测技术(例如PCR)和基因测序技术中，都需要借助生物荧光信号进行实时定量检测、读取和分析。

在免疫检测领域，免疫荧光分析技术是目前生物医学检验中常用的快速分析技术，在微生物、病毒抗原或抗体检测、激素检测、肿瘤标志物检测、毒品(包括海洛因、吗啡、摇头丸、氯胺酮等)检测领域具有广阔的应用前景。在免疫荧光分析技术中，通常需要对免疫反应的物质进行荧光标记，然后通过检测其荧光强度来表征特异性免疫反应的强弱，进而得出待检测物的浓度情况。在分子检测领域，实时荧光定量PCR技术的出现，极大地简化了定量检测的过程，而且真正实现了对核酸的绝对定量。荧光定量PCR技术在核酸定量分析、基因表达差异分析、SNP检测、病原体检测等领域中已经有了广泛的应用。

由于体外诊断中的有效样本量通常很小，导致荧光信号的强度一般较弱。因此，目前市面上的荧光检测分析产品大都需要外置的光学探测元件(例如CMOS、CCD或PMT等)和定制的光路系统来实现对荧光信号的放大、读取和分析，这就额外增加了检测仪器的体积，增高了仪器成本，增加了检测所需的时间，因而不能满足部分医疗场景，尤其是基层医疗场景中对于便携、快速、低成本检测的需求。

为了实现产品小型化，通常采用的手段是精简外置光路、缩短液路或者减少流体体积。这些手段固然可以在一定程度上减小仪器的体积，但效果有限。

为了进一步提高集成度，现有检测技术采用CMOS图像传感器，将生物或化学物质直接固定在图像传感器芯片表面进行检测，并通过一定方式将生物或化学物质发出的荧光引导至图像传感器中的感光二极管(或者说光电二极管)，然后根据检测到的光信号强度和颜色来判断生物或化学物质的相应信息。

在基于CMOS图像传感器的荧光检测系统中，对最终成像效果影响最大的因素是信噪比。噪声的来源有两种，分别是由激发光引入的背景噪声，以及来源于相邻生物样本发出的荧光的串扰噪声。在激发光垂直入射情况下，为了消除背景噪声，一般的方式是，利用滤波结构滤除激发光等背景光波段。但现有技术中的滤波结构对背景噪声和串扰噪声滤除不足，需要进一步改善结构，以提升信号过滤效果。

另外，目前市面上基于光学传感器的生物检测仪器，大都仍然需要外置的光学探测元件和光路系统来对生物材料样本发出的光信号进行读取和分析，这就额外增加了仪器的体积和成本，同时增加了检测的时间，不适合对便携性和即时性有一定要求的应用场景。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明的一个实施例提供了一种用于检测生物材料所发出的光信号的生物传感器，其包括：

一个用于接受并检测入射光信号的光信号检测装置，其包括一个光传感器像素阵列，所述阵列包括多个光传感器像素；

设置在所述光传感器像素表面之上的一个光信号过滤层，包括多个重复的叠层，每个叠层包括两个具有不同折射率的材料层，用于过滤掉入射光信号中除所述生物材料所发出的光信号之外的其它光信号成分；