[发明专利]涂覆介质层的增强型光微流体传感装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度光微流体谐振传感装置和方法，尤其涉及一种微管内表面涂覆高折射率介质层的增强型光微流体传感装置和方法。

背景技术

基于光学折射率检测的无标记微流体生物传感器可直接测量分子相互作用，避免了荧光标记生物传感器需要专用荧光标记物、复杂的标记处理、因标记带来的生物活性减弱和对反应自身存在干扰等不利影响，在生命科学、医药研究等领域有着广泛应用前景。

光微谐振腔利用全反射将光完全约束在微腔内，形成驻波儿产生回音壁谐振模式(Whisper Gallery Mode,WGM)由于是全反射，泄露损耗非常小，因而能以很小的尺寸获得很高的Q值，Q值可高达10¹⁰。当附在微腔表面的待测物浓度变化引起折射率变化时，谐振腔的有效折射率将发生变化，从而引起谐振波长漂移。通过检测波长漂移，即可检测出待测物浓度变化。

然而上述传感技术中光与生物分子的有效作用距离较短，通常仅为光传输时的单向行程或者是较少次数的往复行程(驻波谐振)，回音壁谐振模（WGM）能提供高品质因数的光学行波谐振，使光与物质具有较长的有效作用距离，有利于实现高灵敏度传感，近年来研究人员基于WGM构建了多种无标记光微流体传感器。WGM谐振腔结构包括微球、微环、微盘和微管等。如果能进一步增加电场的作用深度，可进一步提高传感灵敏度。2006年I.Teraoka等基于该思路提出了在微球外面增加一层高折射率介质层提高传感灵敏度的设想并进行了理论分析(Iwao Teraoka,Stephen Arnold，“Enhancing the sensitivity of awhispering gallery mode microsphere sensor by a high-refractive-index surfacelayer，”Opt.Soc.Am,2006,7(7):1434～1441)，随后在掺氟二氧化硅微球上涂覆一层340nm厚的聚苯乙烯进行了折射率传感实验，使得传感灵敏度提高7倍(O.Gaathon,J.Culic-Viskota,M.Mihnev et al，“Enhancing sensitivity of a whispering gallerymode biosensor by subwavelength confinement，”Applied Physics Letters,2006,(10)10:223901-1～223901-3)。但其灵敏度分析仍是在微球自身表面进行的，而不是在涂覆层界面上。

相比于微球腔，微管将流体样品通道和光传感通道合二为一，是一种更方便实现的光微流体平台。2008年Y.Sun等针对化学蒸汽检测对微管的内表面或外表面涂覆聚合物的传感特性进行了仿真计算(Yuze Sun,Xu Dong Fan et al，“Analysis of ring resonatorsfor chemical vapor sensor development，”Optics Express,2008,7(7):10254～10267)，但与I.Teraoka等人的研究不同的是，该涂覆聚合物层充当化学蒸汽分子选择基底，聚合物通过吸收化学蒸汽分子后产生膨胀或收缩来改变聚合物层的厚度和折射率实现传感。由于待测物质与涂覆聚合物层产生化学作用，因此待检测对象受到限制，只适用于有限的单一气体，并且分析是针对壁厚为3μm的薄壁微管进行的，没有考虑厚壁微管，进一步限制了上述分析的适用性。

在生物和化学传感检测发展中，具有高灵敏度，同时又具有较广泛的检测对象是传感器得到迅速推广的前提，因此设计新型的光微流体传感器就很关键。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种微管内表面涂覆高折射率介质层的增强型光微流体传感装置和方法。本发明解决了传统微谐振传感灵敏度和适用范围的不足，可以进一步提高光微流体谐振传感中的检测灵敏度。