一種手持式高通量生物傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于疾病篩查和流行病的預(yù)防領(lǐng)域的生物傳感器，特別涉及一種利用 表面等離子模式的手持式高通量生物傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 有效的診斷和檢查對(duì)于疾病篩查和流行病的預(yù)防是至關(guān)重要的。目前大多數(shù)的醫(yī) 療檢查手段都是耗時(shí)且伴隨價(jià)格昂貴的化學(xué)過程，尤其在發(fā)展中國(guó)家，急切需要一種有效 的、易操作的檢測(cè)手段。
[0003] 生物傳感器（biosensor)是對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè) 的儀器，是由生物敏感材料作識(shí)別元件（如酶、抗體、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)睦砘?換能器（如氧電極、光敏管等）及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。
[0004] 但是，目前，生物傳感器的廣泛應(yīng)用仍面臨著一些困難，如活性強(qiáng)、選擇性高的生 物傳感元件的選擇；信號(hào)檢測(cè)器的使用壽命的提高；信號(hào)轉(zhuǎn)換器的使用壽命的提高；生物 響應(yīng)的穩(wěn)定性和生物傳感器的微型化、便攜式等問題。
[0005] 本發(fā)明利用表面等離子諧振技術(shù)，無需復(fù)雜、耗時(shí)、昂貴的化學(xué)反應(yīng)過程，解決了 利用化學(xué)反應(yīng)的生物傳感器的一系列難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種手持式高通量生物傳感器，該傳感器系統(tǒng)由周期金屬納米線陣列 組成大視場(chǎng)表面等離子體芯片，具有高吞吐量、緊湊、重量輕的特點(diǎn)，無需專業(yè)人員即可操 作。
[0007] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] 一種手持式高通量生物傳感器，包括殼體、LD照明光源、孔徑光闌、計(jì)算芯片成像 傳感平臺(tái)，所述的殼體內(nèi)部形成暗室結(jié)構(gòu)，所述的LD照明光源、孔徑光闌、計(jì)算芯片成像傳 感平臺(tái)在暗室中依次排列構(gòu)成傳感系統(tǒng)，所述的計(jì)算芯片成像傳感平臺(tái)包括表面等離子芯 片和CCD圖像傳感器，所述的表面等離子芯片是由玻璃基底的金屬膜層上制作的至少一個(gè) 微陣列像素組成，所述的微陣列像素上面可附著被測(cè)的單層或雙層蛋白質(zhì)膜層，每個(gè)微陣 列像素由周期的金屬納米線陣列組成，每個(gè)微陣列像素的在X方向和Y方向均為分立單元， 相鄰的微陣列像素單元間無金屬膜間隔，所述的表面等離子芯片作為傳感芯片，CCD圖像傳 感器作為探測(cè)元件，CCD圖像傳感器直接貼裝在表面等離子芯片的玻璃基底的背面，CCD圖 像傳感器用來記錄微陣列像素的金屬納米線結(jié)構(gòu)的衍射圖像，通過分析衍射圖像得到被測(cè) 蛋白質(zhì)膜層的濃度或分子間相互作用的信息。
[0009] 所述的殼體為分體式，包括端蓋、筒體、壓板，底板，所述的端蓋、筒體、壓板、底板 各部分采用銷連接或螺紋連接在一起，內(nèi)部形成暗室；所述的LD照明光源和孔徑光闌安裝 在端蓋內(nèi)，筒體的中部為圓形空腔，底板設(shè)有容納凹槽，壓板將計(jì)算芯片成像傳感平臺(tái)固定 在容納凹槽內(nèi)，壓板中部開設(shè)有與圓形空腔大小的通孔，照明光源發(fā)出的光透過孔徑光闌， 通過圓形空腔、通孔照在計(jì)算芯片成像傳感平臺(tái)上。
[0010] 所述的LD照明光源為半導(dǎo)體激光器LD照明光源，激光為TM偏振模式。
[0011] 所述的半導(dǎo)體激光器LD照明光源的峰值控制在638nm，帶寬為12nm。
[0012] 所述的半導(dǎo)體激光器LD照明光源采用的為中心波長(zhǎng)638nm的發(fā)光二極管，慢軸發(fā) 散角為7. 5度，快軸剩余發(fā)散角10度，所述的孔徑光闌的孔徑dl = 2_，與半導(dǎo)體激光器LD 照明光源的激光發(fā)光面的距離LI = 10mm，所述的孔徑光闌與表面等離子芯片的距離達(dá)L2 =4cm，當(dāng)半導(dǎo)體激光器LD照明光源的激光傳輸IOmm的距離到達(dá)2mm孔徑光闌時(shí)，慢軸光 完全通過，快軸光發(fā)射角較大的部分被遮住，只有中心部分通過，當(dāng)再傳輸4cm到達(dá)表面等 離子芯片時(shí)，照明光斑約為直徑為d2 = 7mm的圓形區(qū)域，均勻有效的照明區(qū)域?yàn)?mmX5mm〇
[0013] 所述的表面等離子芯片的微陣列像素在X方向?yàn)橐痪S像素陣列，Y方向?yàn)槎鄠€(gè)此 一維像素陣列的排列。
[0014] 所述的表面等離子芯片周期陣列衍射圖樣采用SP(-1，0)表面等離子模式，CCD圖 像傳感器記錄的表面等離子模式即為SP(-1，0)模式的衍射圖案。
[0015] 所述的表面等離子芯片是由厚H = Imm的玻璃基底12和厚h = 50nm金屬膜層上 制作的至少一個(gè)微陣列像素，每個(gè)微陣列像素尺寸長(zhǎng)LX寬D= 100 μ mX 100 μ m，由線寬d =150nm、周期T = 300nm的金屬納米線陣列組成，所述的LD照明光源的峰值控制在638nm， 帶寬為12nm。
[0016] 本發(fā)明制作的微陣列像素是分立的金屬納米線結(jié)構(gòu)，限制熱傳導(dǎo)，提高納米結(jié)構(gòu) 的光熱效應(yīng)；光熱效應(yīng)產(chǎn)生的特定溫度梯度場(chǎng)，在進(jìn)行蛋白質(zhì)膜層樣本分析時(shí)，結(jié)合金屬納 米線陣列結(jié)構(gòu)的光學(xué)作用力和熱作用力，提高納米粒子的操控效率，能夠探測(cè)的分子層厚 度可小到納米量級(jí)。本生物傳感系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、無透鏡集成芯片成像、無化 學(xué)反應(yīng)過程、無標(biāo)記探測(cè)的特點(diǎn)。
【附圖說明】：
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018] 圖1是本發(fā)明的表面等離子體芯片立體示意圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明的表面等離子體芯片橫截面示意圖（A-A);
[0020] 圖3是本發(fā)明的表面等離子體芯片陣列結(jié)構(gòu)平面示意圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明的表面等離子體芯片陣列結(jié)構(gòu)立體示意圖；
[0022] 圖5是本發(fā)明的表面等離子體芯片納米線周圍溫度梯度橫截面示意圖；
[0023] 圖6是本發(fā)明的表面等離子體芯片納米線周圍溫度梯度平面示意圖；
[0024] 圖7是本發(fā)明的無透鏡計(jì)算芯片成像傳感平臺(tái)原理圖；
[0025] 圖8是本發(fā)明的手持式高通量生物傳感器的分解圖；
[0026] 圖9是本發(fā)明的手持式高通量生物傳感器的照明原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 表面等離子體（Surface Plasmons，SPs)是指在金屬表面存在的自由振動(dòng)的電子 與光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿ā?br>[0028] 表面等離子體共振是一種物理光學(xué)現(xiàn)象。它利用光在玻璃與金屬薄膜界面處發(fā)生 全內(nèi)反射時(shí)滲透到金屬薄膜內(nèi)的消逝波，引發(fā)金屬中的自由電子產(chǎn)生表面等離子體，在入 射角或波長(zhǎng)為某一適當(dāng)值的條件下，表面等離子體與消逝波的頻率與波數(shù)相等，二者將發(fā) 生共振，入射光被吸收，使反射光能量急劇下降，在反射光譜上出現(xiàn)反射強(qiáng)度最低值，此即 為共振峰。吸收的光子能一部分轉(zhuǎn)換為金屬離子的內(nèi)能，從而產(chǎn)生了光熱效應(yīng)。
[0029] 光熱效應(yīng)是由于金屬對(duì)光的吸收作用，當(dāng)金屬吸收光后，部分會(huì)轉(zhuǎn)換為焦耳熱，從 而光能轉(zhuǎn)換為熱能，即光熱效應(yīng)。光熱效應(yīng)引起的納米線周期溫度場(chǎng)。這一溫度場(chǎng)將使納 米粒子產(chǎn)生特定運(yùn)動(dòng)。通過設(shè)計(jì)特定的納米結(jié)構(gòu)和分析納米結(jié)構(gòu)的溫度梯度及溫度梯度下 納米粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將有助于納米粒子的探測(cè)和操控。
[0030] 在進(jìn)行蛋白質(zhì)膜層樣本分析時(shí)，傳統(tǒng)的對(duì)納米粒子的操控的研宄主要利用為光學(xué) 作用力，而熱作用力卻被忽略。光學(xué)作用力是指光與金屬納米線結(jié)構(gòu)的相互作用發(fā)生諧振 后產(chǎn)生的力。熱作用力則是指金屬納米線結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈吸收光后，產(chǎn)生的熱效應(yīng)。因?yàn)闊嵝?yīng) 產(chǎn)生的溫度變化通常只有幾度，所以常