一種增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導。所述納流道棱鏡波導包括太赫茲多次衰減全反射(M?ATR)棱鏡1，規(guī)則排列的陣列式納流道2，蓋片3，太赫茲波耦合面4，所述陣列式納流道2設置于太赫茲M?ATR棱鏡1上下兩面，所述蓋片3用于密封納流道2，所述蓋片3與陣列式納流道結(jié)構(gòu)2接觸的一面設有與納流道2垂直的微流道31，所述微流道31上設有進出樣孔32，所述太赫茲波耦合面4設置在太赫茲M?ATR棱鏡1兩端。利用本發(fā)明的納流道棱鏡波導，可在溶液環(huán)境下的生物分子的太赫茲光譜檢測中，增強生物分子的太赫茲特征吸收信號，提高特征光譜的信噪比。
【專利說明】
-種増強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導 及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設及太赫茲生物分子檢測技術(shù)，具體設及一種增強溶液中生物分子太赫茲 特征信號的納流道棱鏡波導及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物分子的太赫茲光譜包含著豐富的物理和化學信息，能夠直接反映分子的低頻 振動，運些振動直接關(guān)系著生物分子的空間構(gòu)象W及相應的化學性質(zhì)和生物功能。因此，太 赫茲光譜是一種有效的生物檢測技術(shù)。
[0003] 鑒于蛋白質(zhì)等生物分子只有在水環(huán)境下才能實現(xiàn)各項生命功能，檢測生理溶液中 活性生物分子的太赫茲光譜才更具有實際的意義。但是，水對太赫茲波的強吸收，一直是在 溶液環(huán)境中檢測生物分子太赫茲特征光譜的障礙。水分子的強極性導致的對太赫茲波的強 吸收，會掩蓋相對較弱的生物分子的吸收衰減信號；另外，相比晶格結(jié)構(gòu)的分子間振動，生 物分子在溶液中的振動模態(tài)更加多樣和隨機，運使得很難在太赫茲光譜上觀測到明顯、穩(wěn) 定、復現(xiàn)性強的特征光譜。
[0004] 為了減弱水的背景吸收，同時對生物分子的振動模態(tài)做一定的約束，一些學者將 生物溶液注入到百納米級的陣列式流道中，并結(jié)合高光譜分辨率的太赫茲源，探測了緩沖 液中短鏈RNA、雙鏈DNA的太赫茲光譜，獲得了 10~20G化寬的特征吸收峰。上述結(jié)果表明納 流道能夠減小水與太赫茲波的作用，同時提供生物分子的受限環(huán)境，增強特征振動模態(tài)的 振子強度，是在溶液中檢測太赫茲特征光譜的一條行之有效的途徑。然而，上述方法中太赫 茲波束僅穿過百納米級厚度的流道忍片，運樣太赫茲波與樣本的作用光程受納流道深度的 限制，運使得溶液中生物分子的吸收信號相對緩沖液參照信號的動態(tài)范圍很低，需反復對 比樣本信號和參考信號才能確定特征吸收峰位。因此，如何提高太赫茲液相探測中特征信 號的信噪比，是太赫茲生物檢測技術(shù)亟待突破的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納 流道棱鏡波導及其制備方法，用W在液相環(huán)境的太赫茲生物檢測中，提高生物分子特征光 譜的信噪比。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明具體公開了如下的技術(shù)方案：
[0007] 1、一種增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導，所述納流道棱鏡 波導由陣列式納流道與太赫茲多次衰減全反射(M-ATR)棱鏡集成。
[000引優(yōu)選的，所述納流道棱鏡波導包括太赫茲M-ATR棱鏡1，規(guī)則排列的陣列式納流道 2，蓋片3，太赫茲波禪合面4，所述陣列式納流道2設置于太赫茲M-AT財賣鏡1上下兩面，所述 蓋片3用于密封納流道2,所述蓋片3與陣列式納流道結(jié)構(gòu)2接觸的一面設有與納流道2垂直 的微流道31，所述微流道31上設有進出樣孔32，所述太赫茲波禪合面4設置在太赫茲M-ATR 棱鏡1兩端。
[0009] 優(yōu)選的，所述太赫茲波禪合面4面形精度小于500皿，表面粗糖度小于100皿，所述 波束禪合面傾斜角為波束入射角，波速入射角大小設置成大于臨界內(nèi)反射角。
[0010] 優(yōu)選的，所述納流道2寬500~800nm、深800~1200nm，相鄰兩通道的間距500~ 800nm。
[0011] 優(yōu)選的，所述微流道31有兩條并分別置于納流道2兩側(cè)，所述微流道31寬200~500 皿、深5~100皿，所述微流道31的長度能貫穿每一條納流道2。
[0012] 優(yōu)選的，所述進樣孔32設置在每一條微流道31的兩端。
[0013] 2、所述增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導的制備方法，包括 W下步驟：
[0014] 1)通過熱氧化在娃棱鏡上表面形成厚度為800~1200nm的Si化層；
[001引2)在Si02層上刻蝕厚度與Si02層一致，寬度為500~800nm的規(guī)則排列的陣列式納 流道，相鄰兩通道的間距500~800nm;
[0016] 3)取玻璃片，采用濕法刻蝕在玻璃片對應位置刻蝕出與納流道垂直的微流道，微 流道寬200~500皿、深5~100皿；
[0017] 4)通過激光打孔，在玻璃片的微流道兩頭打出進出樣孔；
[0018] 5)通過陽極鍵合，將經(jīng)步驟2)制備的帶有陣列式納流道的娃棱鏡與步驟4)制備的 玻璃片鍵合，使微流道連通各條納流道，并形成密封的流道結(jié)構(gòu)；
[0019] 6)重復1~5的步驟，在娃棱鏡的下表面也形成同樣密封的流道結(jié)構(gòu)，即形成納流 道娃棱鏡；
[0020] 7)通過切削、拋光或者濕法刻蝕技術(shù)制作納流道娃棱鏡的波束禪合面，并設計波 束禪合面的入射角，即形成納流道棱鏡波導。
[0021] 優(yōu)選的，步驟3)所述玻璃片的厚度為400~1000皿。
[0022] 優(yōu)選的，所述波束禪合面面形精度小于500nm，表面粗糖度小于lOOnm，所述波束禪 合面傾斜角為波束入射角，波速入射角大小設置成大于臨界內(nèi)反射角。
[0023] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0024] 1、利用本發(fā)明的納流道棱鏡波導，可在太赫茲波段下，實現(xiàn)陣列式納流道與太赫 茲M-ATR結(jié)合的探測方式；
[0025] 2.利用本發(fā)明的納流道棱鏡波導，可在溶液環(huán)境下的生物分子的太赫茲光譜檢測 中，增強生物分子的太赫茲特征吸收信號，提高特征光譜的信噪比。為實現(xiàn)在生理狀態(tài)下對 活性生物分子太赫茲指紋峰的高信噪比探測提供支持。
【附圖說明】
[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖：
[0027] 圖1表示納流道棱鏡波導的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2表示納流道棱鏡波導的右視圖；
[0029] 圖3表示納流道棱鏡波導的俯視圖；
[0030] 圖4表示陣列式納流道集成太赫茲M-ATR，對吸收信號增強作用的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。實施例中未注明具體條 件的實驗方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。
[0032] 選用電阻率大于1000 Ω . cm高阻娃為棱鏡材料，保證太赫茲的高透射。根據(jù)太赫 茲光斑大小，為了使盡可能多的能量禪合入娃棱鏡，擬選取5mm厚的娃片；
[0033] 棱鏡表面陣列式流道的側(cè)壁面采用氧化-光刻的方法形成。所W內(nèi)反射界面為娃- 二氧化娃、溶液界面。流道面用上述2個物質(zhì)折射率的加權(quán)平均值計算出有效介質(zhì)的折射 率，
[0034]
往 J
[003引上式中妨S化為Si化通道側(cè)壁的寬度，cos。功通道中溶液占據(jù)的寬度，P為陣列的周 期間距。在本例中nsoi = 1.0~1.5，nsi(、= 1.9--2.0,
[0036] 根據(jù)下式確定全內(nèi)反射的入射角，
[0037]
鱗
[0038] dp為太赫茲波的電場強度衰減至表面處的1/e時的特征穿透深度，λ為入射波波 長，Θ為入射角。在本例中nsi = 3.4~3.5，入射角的選取應大于臨界角，本例中選55°。
[0039] 根據(jù)比爾-朗伯定律，太赫茲波每經(jīng)過一次內(nèi)反射，就會與納流道區(qū)域內(nèi)的生物溶 液作用，發(fā)生1次特征吸收，
[0040]
(3)
[0041] 上式中Eo和E分別為入射和出射娃棱鏡的太赫茲波強度，α為生物溶液特征吸收帶 的吸收系數(shù)，Ζ為流道中溶液的厚度，η為太赫茲波與流道中溶液作用的內(nèi)反射次數(shù)。由于Ζ 很小，僅為亞微米級，所W公式(3)可簡化為線性變化。本例設計10次內(nèi)發(fā)射，將特征吸收帶 的信噪比提高1個數(shù)量級。
[0042] 將娃棱鏡的上下表面都集成流道結(jié)構(gòu)，那么棱鏡的長度可根據(jù)全內(nèi)反射的次數(shù)由 下式確定
[0043] l=nd 1:an 目（4)
[0044] 上式中1為全內(nèi)反射娃棱鏡的長度，d為兩個反射面間的距離，Θ為入射角。那么使 入射光W55°入射，在5mm厚的棱鏡上全反射10次所需的最小棱鏡長度為7.2cm。納流道的長 度在10mm，W保證倏逝波完全投射在陣列式納流道區(qū)域，棱鏡的寬度可選為20mm，那么該尺 寸的忍片在4寸娃片上加工實現(xiàn)。
[0045] 實施例1
[0046] 納流道棱鏡波導的制備方式如下：
[0047] 1)通過熱氧化在娃棱鏡上表面形成厚度為800nm的Si化層；
[004引2)在Si化層上刻蝕厚度與Si化層一致，寬度為800nm的規(guī)則排列的陣列式納流道， 相鄰兩通道的間距800nm;
[0049] 3)取玻璃片，采用濕法刻蝕在玻璃片對應位置刻蝕出與納流道垂直的微流道，微 流道寬400皿、深50皿；
[0050] 4)通過激光打孔，在玻璃片的微流道兩頭打出進出樣孔；
[0051] 5)通過陽極鍵合，將經(jīng)步驟2)制備的帶有陣列式納流道的棱娃鏡與步驟4)制備的 玻璃片鍵合，使微流道連通各條納流道，并形成密封的流道結(jié)構(gòu)；
[0052] 6)重復1~5的步驟，在娃棱鏡的下表面也形成同樣密封的流道結(jié)構(gòu)，即形成納流 道娃棱鏡；
[0053] 7)通過切削技術(shù)制作納流道娃棱鏡的波束禪合面，并設計波束禪合面的入射角， 即形成納流道棱鏡波導。
[0054] 所制備的納流道棱鏡波導如圖1所示，其中1表示M-AT財賣鏡，2表示規(guī)則排列的陣 列式納流道，3表示蓋片，4表示太赫茲波禪合面，31表示微流道，32表示進出樣孔。其中圖2、 3分別表示納流道棱鏡波導的右視圖和俯視圖。
[0055] 通過聚焦透鏡，將差頻連續(xù)太赫茲源發(fā)出的太赫茲光束聚焦到約5mm直徑，垂直投 射到娃棱鏡的太赫茲禪合斜面上，太赫茲波束會在棱鏡內(nèi)發(fā)生10次內(nèi)反射，每次發(fā)生內(nèi)反 射的倏逝波都會與棱鏡表面納流道結(jié)構(gòu)中的生物分子作用，增強特征吸收頻帶的強度，然 后從另一禪合面射出。
[0056] 如圖4所示，圖4表示本發(fā)明中陣列式納流道集成太赫茲M-ATR，對吸收信號增強作 用的原理示意圖；其中：1表示棱鏡波導、2表示陣列式納流道、3表示太赫茲波、4表示溶液、5 表示壁面、6表示倏逝波、7表示溶液中的生物分子。
[0057] 檢測λ-DNA溶液，其濃度約在1.化g/化左右。首先將流道內(nèi)通入緩沖液，將差頻連 續(xù)太赫茲源的分辨率調(diào)至幾百MHz,并在0.1-1.Ο??ζ波段掃頻，獲得該波段的參考信號Pr (V);然后將流道用去離子水清洗、干燥，充入待測的生物溶液，按照上述要求獲得樣本信號 Ps(v);最后阻斷太赫茲光路，測量儀器系統(tǒng)的背景噪聲信號Pb(v)。那么生物溶液相對參考 緩沖液的相對透過率可由下式獲得
[0化引
（沒I
[0059] 將Τ(ν)隨頻率V作圖，圖譜中出現(xiàn)明顯信號衰減的頻帶即為溶液中生物分子的特 征吸收峰。
[0060] 本實施例中運用納流道棱鏡波導進行10次衰減全反射，可將上述吸收峰的強度增 強1個數(shù)量級。
[0061] 最后說明的是，W上優(yōu)選實施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通 過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，可W在 形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導，其特征在于，所述納 流道棱鏡波導由陣列式納流道與太赫茲多次衰減全反射(M-ATR)棱鏡集成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導， 其特征在于，所述納流道棱鏡波導包括太赫茲M-ATR棱鏡（1)，規(guī)則排列的陣列式納流道 ⑵，蓋片(3)，太赫茲波耦合面(4)，所述陣列式納流道⑵設置于太赫茲M-ATR棱鏡（1)上下 兩面，所述蓋片(3)用于密封納流道(2)，所述蓋片（3)與陣列式納流道結(jié)構(gòu)（2)接觸的一面 設有與納流道(2)垂直的微流道(31)，所述微流道(31)上設有進出樣孔(32)，所述太赫茲波 耦合面(4)設置在太赫茲M-ATR棱鏡（1)兩端。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導， 其特征在于，所述太赫茲波耦合面(4)面形精度小于500nm，表面粗糙度小于lOOnm，所述波 束耦合面傾斜角為波束入射角，波速入射角大小設置成大于臨界內(nèi)反射角。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導， 其特征在于，所述納流道（2)寬500~800nm、深800~1200nm，相鄰兩通道的間距500~ 800nm〇5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導， 其特征在于，所述微流道(31)有兩條并分別置于納流道(2)兩側(cè)，所述微流道(31)寬200~ 500μπι、深5~100μπι，所述微流道(31)的長度能貫穿每一條納流道(2)。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導， 其特征在于，所述進樣孔(32)設置在每一條微流道(31)的兩端。7. 權(quán)利要求1~6任一項所述增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導 的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 通過熱氧化在硅棱鏡上表面形成厚度為800~1200nm的Si02層； 2) 在Si02層上刻蝕厚度與Si02層一致，寬度為500~800nm的規(guī)則排列的陣列式納流道， 相鄰兩通道的間距500~800nm; 3) 取玻璃片，采用濕法刻蝕在玻璃片對應位置刻蝕出與納流道垂直的微流道，微流道 寬 200 ~500ym、深5 ~100μπι; 4) 通過激光打孔，在玻璃片的微流道兩頭打出進出樣孔； 5) 通過陽極鍵合，將經(jīng)步驟2)制備的帶有陣列式納流道的硅棱鏡與步驟4)制備的玻璃 片鍵合，使微流道連通各條納流道，并形成密封的流道結(jié)構(gòu)； 6) 重復1~5的步驟，在硅棱鏡的下表面也形成同樣密封的流道結(jié)構(gòu)，即形成納流道硅 棱鏡； 7) 通過切削、拋光或者濕法刻蝕技術(shù)制作納流道硅棱鏡的波束耦合面，并設計波束耦 合面的入射角，即形成納流道棱鏡波導。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導的制備 方法，其特征在于，步驟3)所述玻璃片的厚度為400~ΙΟΟΟμπι。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述增強溶液中生物分子太赫茲特征信號的納流道棱鏡波導的制備 方法，其特征在于，所述波束耦合面面形精度小于500nm，表面粗糙度小于100nm，所述波束 耦合面傾斜角為波束入射角，波速入射角大小設置成大于臨界內(nèi)反射角。
【文檔編號】G01N21/01GK106066303SQ201610349861
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月24日 公開號201610349861.X, CN 106066303 A, CN 106066303A, CN 201610349861, CN-A-106066303, CN106066303 A, CN106066303A, CN201610349861, CN201610349861.X
【發(fā)明人】張明焜, 魏東山, 楊忠波, 夏良平, 顏識涵, 湯明杰, 施長城, 崔洪亮, 杜春雷
【申請人】中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院