專利名稱：Led誘導(dǎo)光纖型集成pin光電探測器的微型熒光檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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本發(fā)明屬于微全分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種一體化集成激發(fā)光傳輸通道、濾光系統(tǒng)， 以及芯片式PIN光電探測器的微型熒光檢測器。
背景技術(shù)：
微全分析系統(tǒng)(^-TAS)又稱芯片實驗室(lab-on-a-chip)或微流控芯片，所涉及的 反應(yīng)過程通常在微米量級的幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)完成，因此，與傳統(tǒng)實驗室相比，對檢測器提出 了更高的要求，包括高靈敏度、快速響應(yīng)、微型化等。迄今為止，應(yīng)用于微流控芯片的 檢測技術(shù)已多達十幾種，其中以光學(xué)檢測法和電化學(xué)檢測法應(yīng)用最為廣泛。激光誘導(dǎo)熒 光(LIF)作為光學(xué)檢測法的典型代表，是目前靈敏度最高、應(yīng)用范圍最廣的檢測方法。 但是傳統(tǒng)的LIF檢測系統(tǒng)通常存在體積龐大、價格昂貴、功耗較高的缺點，在一定程度 上制約了微流控芯片的推廣和使用。為了開發(fā)體積小、便于攜帶、價格低廉的LIF檢測 系統(tǒng)，國內(nèi)外研究小組采用小型半導(dǎo)體激光器或LED作為激發(fā)光源，在一定程度上降低 了體積和成本，但是由于與通常LIF系統(tǒng)一樣在光源與檢測器之間需要加入聚光透鏡等 分離光學(xué)元件，距離集成化仍有相當(dāng)距離。另一方面，作為熒光檢測系統(tǒng)分離器件的激 發(fā)光濾色片與光電探測器的使用，增加了微流控芯片檢測點到探測器光敏面的距離，降 低了 LIF檢測系統(tǒng)的靈敏度。因此，若要減小熒光檢測器的體積，必須將相應(yīng)的光學(xué)系 統(tǒng)一體化集成。目前報道的光學(xué)系統(tǒng)集成方法，已有將激發(fā)用的發(fā)光二極管、平面光波 導(dǎo)管等直接加工于微流控芯片上，該方法可以達到微型化和集成化的目的，但需要精細 的芯片加工技術(shù)和昂貴的加工設(shè)備，使芯片成本大大提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種一體化集成激發(fā)光傳輸通道、濾光系統(tǒng)，以及芯片式PIN 光電探測器的微型熒光檢測器，熒光檢測系統(tǒng)的整體尺寸視具體微流控芯片尺寸而定， 其長、寬、高都在幾個厘米范圍內(nèi)。
本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢測器， 由激發(fā)光源、光纖傳輸系統(tǒng)、濾光系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)、微流控芯片和系統(tǒng)定位裝置組 成。從大功率LED發(fā)出的激發(fā)光直接耦合入多光束光纖，通過芯片管殼蓋板頂部的微流 控芯片檢測口照射到微通道末端的熒光檢測點，以激發(fā)微通道中的熒光物質(zhì)受激發(fā)出相應(yīng)波長的熒光；所產(chǎn)生的熒光通過加工于微流控芯片底部的發(fā)射光干涉濾色薄膜濾除雜 散光后，進入緊貼于其下的芯片式PIN光電檢測器中，轉(zhuǎn)化為電流信號，經(jīng)管殼腔體底 座的引腳輸出，再經(jīng)信號處理電路放大、濾波后轉(zhuǎn)化為電壓信號，傳輸至工作站或記錄 儀，完成被測樣品的測試分析。
所述激發(fā)光源采用大功率發(fā)光二極管，其與多光束光纖的入射端相結(jié)合，多光束光 纖的出射端固定在芯片管殼蓋板頂部的芯片檢測口處，可根據(jù)熒光試劑樣品的激發(fā)光譜 特性選擇不同峰值波長的發(fā)光二極管作為激發(fā)光光源。激發(fā)光傳輸通道采用5個芯徑為 100微米的單光纖通過外圍金屬套筒捆綁組合形成光纖束，可大大增強光纖耦合激發(fā)光 光強的能力。
所述濾光系統(tǒng)是厚度僅為2 3微米、可根據(jù)不同熒光試劑樣品的發(fā)射光譜特性設(shè)置 帶通范圍的發(fā)射光干涉濾色薄膜，通過薄膜加工工藝直接制作于微流控芯片底部，實現(xiàn) 濾光系統(tǒng)與微流控芯片的一體化集成。
所述光電檢測系統(tǒng)采用芯片式PIN光電探測器，其具有高靈敏度、快速響應(yīng)、光敏 面積與微流控芯片微通道尺寸相當(dāng)、光譜響應(yīng)曲線能覆蓋常用熒光試劑檢測范圍等特點， 通過與微流控芯片硅-玻璃鍵合的方式，實現(xiàn)檢測器與微流控芯片的一體化集成。
發(fā)射光干涉濾色薄膜、芯片式PIN光電探測器與微流控芯片實現(xiàn)一體化集成。多光 束光纖激發(fā)光出射端距離微流控芯片僅為1 2毫米，通過加工于芯片管殼蓋板頂部的法 蘭盤定位；法蘭盤內(nèi)嵌于芯片管殼蓋板頂部的十字形凹槽內(nèi)，通過微調(diào)法蘭盤，控制激 發(fā)光出射光斑照射微流控通道熒光檢測點的位置。微流控芯片被封裝在芯片管殼蓋板和 芯片管殼腔體中固定。管殼腔體底座引腳用于芯片式PIN管的鍵合點壓焊封裝，管殼蓋 板與腔體的可拆裝式無縫隙封合屏蔽外界干擾光，實現(xiàn)樣品熒光的無干擾檢測。
本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點
本發(fā)明提出的LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢測器可根據(jù)不同的 熒光樣品選擇不同峰值波長的發(fā)光二極管作為激發(fā)光光源，并采用外圍金屬套筒捆綁組 合形成光纖束來增強光纖耦合激發(fā)光的能力，可有效提高熒光產(chǎn)生效率。將發(fā)射光干涉 濾色薄膜和芯片式PIN光電探測器，通過薄膜加工工藝和鍵合封裝技術(shù)， 一體化集成于 微流控芯片底部，實現(xiàn)了微型光學(xué)元件與微流控芯片的一體化集成。采用芯片管殼封裝 微流控芯片的方式，將多光束光纖固定于管殼蓋板； 一體化集成有發(fā)射光干涉濾色薄膜、 芯片式PIN光電探測器的微流控芯片置于管殼腔體中；芯片管殼蓋板與腔體可拆裝式無 縫隙封合可屏蔽外界干擾光。實現(xiàn)了微流控芯片檢測系統(tǒng)真正意義上的微型化和集成化。


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圖1 LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢測器示意圖； 圖2 LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢測器芯片管殼結(jié)構(gòu)圖； 圖3發(fā)射光干涉濾色薄膜對大功率LED發(fā)射光譜的影響效果圖； 圖4采用本發(fā)明獲得的玻璃基電泳芯片上1()4mol/L苯丙氨酸一FITC的電泳圖譜。
具體實施方式
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本發(fā)明提出的LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢測器結(jié)構(gòu)如圖1所 示大功率發(fā)光二極管1與多光束光纖2的入射端相結(jié)合，從大功率發(fā)光二極管l發(fā)出 的激發(fā)光直接耦合入多光束光纖2，多光束光纖2的出射端固定在芯片管殼蓋板3頂部， 并與微流控芯片的微通道末端位置對應(yīng)，通過加工于芯片管殼蓋板頂部的法蘭盤8實現(xiàn) 固定，法蘭盤內(nèi)嵌于蓋板頂部十字形凹槽內(nèi)，參見圖2,通過微調(diào)法蘭盤位置，使激發(fā) 光出射光斑覆蓋微流控微通道末端的熒光檢測點，多光束光纖2的激發(fā)光出射端距離微 流控芯片4僅為1 2毫米。玻璃基微流控芯片4底部通過薄膜加工工藝鍍有發(fā)射光干涉 濾色薄膜5，用于濾除大功率發(fā)光二極管1發(fā)出的激發(fā)光和其他雜散光，厚度僅為2 3 微米的濾光系統(tǒng)大大縮短了微通道中經(jīng)激發(fā)誘導(dǎo)產(chǎn)生的熒光信號與光電探測器的距離， 提高了系統(tǒng)靈敏度。芯片式PIN光電探測器6的光敏面正對微通道末端的熒光檢測點， 通過硅一玻璃鍵合的方式緊貼于發(fā)射光干涉濾色薄膜5。采用半導(dǎo)體加工工藝將芯片式 PIN光電探測器6的引出線焊盤與芯片管殼腔體7底座的引腳相連。通過上述薄膜加工 工藝、硅一玻璃鍵合工藝以及半導(dǎo)體壓焊封裝技術(shù)實現(xiàn)了微流控芯片與窄帶發(fā)射光干涉 濾色薄膜、芯片式PIN光電探測器以及芯片管殼腔體的一體化集成封裝。芯片式PIN光 電探測器接收濾除了雜散干擾光的熒光，將光強信號轉(zhuǎn)化為電流信號，經(jīng)管殼腔體底座 的引腳輸出，最后經(jīng)信號處理電路放大、濾波后轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出至工作站或記錄儀， 完成被測樣品的檢測分析。
使用實例在玻璃基電泳芯片的分離通道末端，采用LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電 探測器的微型熒光檢測器對異硫氰酸熒光素(FITC)標(biāo)記的苯丙氨酸進行了檢測。在含 十字形微通道的玻璃基電泳芯片上，以pH-10、 10mmol/L硼砂溶液為緩沖體系，負壓進 樣nL級不同濃度的FITC標(biāo)記苯丙氨酸樣品，進樣時間為10s，分離場強為300V/cm。 選用中心波長為470nm藍光大功率LED作為激發(fā)光源，濾光系統(tǒng)采用中心波長為520nm、 帶寬為15nm、厚度僅為3pm的帶通發(fā)射光干涉濾色薄膜，可將藍光大功率LED發(fā)出的激發(fā)光完全濾除，而讓絕大部分熒光信號通過(峰值透過率為92%)。圖3所示為該發(fā)射 光干涉濾色薄膜對藍光大功率LED發(fā)射光譜的影響效果圖，藍光大功率LED光譜曲線 為a，帶通發(fā)射光干涉濾色薄膜透過率曲線為b，激發(fā)光經(jīng)濾色系統(tǒng)后的光譜曲線為c。 圖4所示為采用本發(fā)明LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢測器測得的苯 丙氨酸電泳譜圖，測試結(jié)果表明，該一體化集成微型熒光檢測器對FITC標(biāo)記的苯丙氨酸 濃度檢出限達到10—6moI/L。
通過上述實例說明LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢測器在沒有采 用二向棱鏡、透鏡組等復(fù)雜光學(xué)器件和結(jié)構(gòu)的前提下，完成了待測化學(xué)樣品的分離檢測， 而且本發(fā)明大大簡化了儀器結(jié)構(gòu)，減小了系統(tǒng)體積，長、寬、高尺寸都在厘米范圍內(nèi)， 真正實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)的一體化集成。
權(quán)利要求
1. LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢測器，由激發(fā)光源、光纖傳輸系統(tǒng)、濾光系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)、微流控芯片和系統(tǒng)定位裝置組成；其特征在于所述激發(fā)光源采用大功率發(fā)光二極管(1)，光纖傳輸系統(tǒng)采用多光束光纖(2)，濾光系統(tǒng)采用發(fā)射光干涉濾色薄膜(5)，光電檢測系統(tǒng)采用芯片式PIN光電探測器(6)，系統(tǒng)定位裝置采用芯片管殼蓋板(3)和芯片管殼腔體(7)；所述微流控芯片(4)封裝在芯片管殼蓋板(3)和芯片管殼腔體(7)中；所述大功率發(fā)光二極管(1)與多光束光纖(2)的入射端相結(jié)合，多光束光纖(2)的出射端固定在芯片管殼蓋板(3)頂部與微流控芯片(4)微通道末端對應(yīng)位置，并使出射光斑覆蓋微流控芯片的微通道末端的熒光檢測點；所述發(fā)射光干涉濾色薄膜(5)通過薄膜加工工藝制作在微流控芯片(4)的底部；所述芯片式PIN光電探測器(6)的光敏面正對微流控芯片(4)微通道末端熒光檢測點，通過硅—玻璃鍵合的方式緊貼于發(fā)射光干涉濾色薄膜(5)底面，芯片式PIN光電探測器(6)的引出線焊盤與芯片管殼腔體底座的引腳相連，引出檢測信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢測器， 其特征在于所述多光束光纖(2)采用5個芯徑為100微米的單光纖通過外圍金屬套筒 捆綁組合形成光纖束。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢 測器，其特征在于多光束光纖(2)的出射端通過加工于芯片管殼蓋板(3)頂部的法 蘭盤(8)定位，法蘭盤內(nèi)嵌于芯片管殼蓋板頂部十字形凹槽內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢測器， 其特征在于所述多光束光纖(2)的激發(fā)光出射端距離微流控芯片(4) 1 2毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開一種適用于玻璃基微流控芯片的通用型LED誘導(dǎo)光纖型集成PIN光電探測器的微型熒光檢測器，其激發(fā)光源采用大功率發(fā)光二極管，采用多光束光纖相結(jié)合的傳輸模式導(dǎo)入芯片檢測窗。濾光系統(tǒng)為膜厚僅為2～3微米的發(fā)射光干涉濾色薄膜；光電檢測器選用毫米級尺寸、能覆蓋常用熒光試劑檢測范圍的芯片式PIN光電探測器；通過合理選擇激發(fā)光光源和設(shè)計發(fā)射光干涉濾色薄膜的中心波長和光譜帶寬，可實現(xiàn)不同熒光樣品的檢測。將發(fā)射光干涉濾色薄膜、芯片式PIN光電探測器與微流控芯片一體化集成，通過專門設(shè)計的管殼蓋板與腔體的可拆裝式無縫隙封合，屏蔽外界干擾光，實現(xiàn)芯片微管道中樣品熒光信號的無干擾檢測。本發(fā)明適用于生物、環(huán)境、食品等檢測技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號G01N21/64GK101441177SQ200810237219
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者溢 徐, 煒 曾, 溫中泉, 溫志渝, 顧雯雯 申請人:重慶大學(xué)