专利名称：基于全反射的平面并行荧光生物检测芯片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于荧光生物检测的芯片结构，特别涉及一种基于全反射的平面并行荧光生物检测芯片及其制备方法。
背景技术：
近年来全反射荧光显微镜由于适合单分子水平近表面分子动力学研究，因而受到了广泛关注。全反射荧光显微镜的工作原理依赖于全反射产生的倏逝波。相对于传统的荧光显微镜来说，利用倏逝波激发荧光团，可以使背景噪音降到很小，从而使显微效果更加清晰。经对现有技术的文献检索发现，Thomas Bruns等2005年发表的“I1R Fluorescence Reader for Selective Detection of Cell Membranes，，(用于选择性探测细胞膜的全反射荧光读取器)，该文中描述的读取器实验探测了 T47D乳腺癌细胞，结构如下 一个96井(8X 12)的无底平板，通过无细胞毒性的粘合剂与一块2mm厚的具有较低吸收率的玻璃片黏结在一起，再在玻璃底座的两端横向黏结一个矩形截面的玻璃棒，用于入射光和出射光的耦合。具体检测步骤如下首先，带有单模光纤系统的气冷式氩离子激光器发出波长为488nm的激光，光束通过3个分光镜后便被均分成8束；接着该8束激光通过镜面反射后再折射进入玻璃棒，此时由玻璃棒进入d=2mm的玻璃底板的入射光角度为66° (玻璃折射率为1. 525，细胞质折射率为1. 37，两个井之间的距离s为9mm，θ = arctan (s/2d)= 66° )，大于玻璃和细胞质之间的临界角64° ；最后，光束进入玻璃底板之后经过23次全反射后从另一个玻璃棒射出，同时通过电荷耦合摄像机(CCD摄像机)进行各个井的荧光亮度观察。这种读取器的尺寸较大不利于集成，生物材料消耗较大，每次使用都需要对准，若在没对准的情况下光束经折射进入细胞质可能会对细胞产生某些影响，而且在用CCD摄像机观察时需要用滤波装置来减少背景噪音。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提出了一种基于全反射的平面并行荧光生物检测芯片及其制备方法，该芯片利于和微分析系统集成，不需要体激光源，生物材料消耗低，荧光背景噪音小，灵敏度高。本发明是通过以下技术方案实现的
本发明涉及的基于全反射的平面并行荧光生物检测芯片，包括光纤支撑，光纤，光纤阻止，透镜，棱镜和样品台。其中，样品台由玻璃片和PDMS (聚二甲基硅氧烷)芯片键合而成， 位于整个芯片的最上面。样品台的正下方是棱镜，在同一水平线上的是透镜，光纤阻止，以及光纤支撑，这些部件都由PDMS —体制得，简洁，紧凑。此外，光纤通过粘合剂粘在光纤支撑上。本发明所述的生物检测芯片，当激光经耦合进入单模光纤时，光束在光纤中传播， 出射后由透镜进行校正，到达空气/棱镜界面(水平夹角为7°，空气折射率为1，棱镜折射率为1.46)时发生折射，入射角为35. 3°，折射角为23. 3°。折射光随后到达棱镜/玻璃界面进一步折射，入射角为78°，折射角为69.97°，该折射角大于玻璃/水界面的全反射临界角61°，因此折射光线定会在界面发生全反射，折射光进入玻璃后在玻璃/水界面发生全反射。事实上，发生全反射时，并不是所有的光波都被反射回玻璃了，还是会有一部分波，即倏逝波会透出玻璃/水界面，穿透深度为100-300nm，该波能够激发荧光团驻留在介质/液体附近，既促使样品发出荧光又不至于照亮整个样品，从而大大减小荧光成像的背景干扰。本发明涉及的基于全反射的荧光生物检测芯片的制备方法，包括如下步骤 首先准备一块(100)硅片，然后热氧化生长一层二氧化硅薄膜，在此基片上涂布一层光
刻胶，将制作好的掩模板放在基片正上方，曝光、显影之后将掩模板的图案转移到基片上，
然后利用BHF对基片进行刻蚀，去除二氧化硅。而后对此结构进行硅湿法刻蚀，使用的刻蚀液为TMAH (四甲基氢氧化铵)，主要对硅进行各向异性刻蚀，(111)晶面的刻蚀速率比较慢，因此侧面能形成54. 7°的倾角，从而形成了光纤支撑和棱镜结构。再通过微细加工工艺形成透镜窗口，具体步骤为首先沉积金属铝(Al)层并形成透镜窗口，接着进行DRIE (深度反应离子刻蚀)刻穿硅片。最后去除Al层，SiO2层，再用环氧胶将Si芯片与玻璃衬底结合在一起，便制成完整模具，采用PDMS进行转写，就得到该芯片的核心部件，光纤支撑，光纤阻止(Mopper)，透镜和棱镜。本发明与现有的荧光生物检测技术相比，将光纤支撑，光纤阻止，聚光透镜，棱镜四部分集成在一起，芯片体积小，利于和微分析系统集成；在MEMS技术领域来说，制作成本低，制得的硅模具可重复使用，只需用PDMS进行转写；不需要体激光源；生物材料消耗低， 荧光背景噪音小，灵敏度高，可用于分子水平的探测；可同时并行检测三个样品(可根据具体需要在模板制作时增减并行的光纤支撑)。
图1为本发明实施例中样品台部分的结构示意图； 图2为本发明实施例中样品台下方结构示意图3为本发明实施例的截面图； 图4为本发明实施例的工艺流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1-3所示，本实施例中的荧光生物检测芯片是由全反射产生的倏逝波来激发荧光反应的。具体结构包括光纤1，光纤支撑2，光纤阻止3，透镜4，棱镜5，样品台6。所述样品台6由玻璃片和PDMS芯片键合而成；样品台6位于整个芯片的最上面，样品台6的下面是位于同一水平面的棱镜5，透镜4，光纤阻止3，光纤支撑2，光纤1。其中，光纤1由粘合剂黏在光纤支撑2上，棱镜5，透镜4，光纤阻止3以及光纤支撑2材质都为PDMS，经由微加工工艺制得Si模，再由PDMS转写。整个芯片集成度高，结构紧凑，Si模可用于重复制
PDMS经转写复制了硅模具上的结构，接着键合两片100//m厚的玻璃片通过范德瓦耳斯力与其结合在一起，加强机械强度并作为样品台6，如图1所示。单模光纤嵌入外径为250//m的玻璃管并用胶粘在光纤支撑内，这样就避免了后续的对准工作。光纤阻止的宽度为115//m，便于光纤定位安装，如图2所示。图3为本实施例的截面图。本实施例完成的主要过程激光经分光器件分成三束耦合进入单模光纤，射出的光束由透镜校准，到达空气/棱镜界面发生折射，折射光到达棱镜/玻璃界面再次折射，折射光在玻璃/水(样品在水中)界面的入射角大于临界角，因此发生全反射，在全反射区域产生倏逝波激发水中的样品发生荧光反应，再由CCD摄像机7同时观察三个样品的荧光现象， 其中一个可以作为参照，对比观察另外两个。上述基于全反射的荧光生物检测芯片核心在制备芯片的PDMS中间层，另外包括两个步骤，玻璃片键合，光纤粘合。如图4所示，本实施例的PDMS中间层制备包括以下几个步骤
第一步准备一块(IOO)Si片，厚度为300//m。然后放入氧化炉中对硅片进行热氧化， 氧化炉的温度为1100摄氏度，氧化时间为5分钟，生成的二氧化硅薄膜厚度为600nm，如图 4(a)。第二步旋涂光刻胶3 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，厚度为l//m，利用事先做好的掩模板，采用电子束对基片进行曝光，电子束的电流为ΙΟρΑ，曝光时间为30sec，这样就把掩模板上的方腔图案(光纤对准和棱镜窗口)转移到基片上，再用BHF将窗口中的SiO2去除。 采用TMAH溶液(20%wt，90° C，电磁搅拌速率为250rpm)进行各向异性湿法刻蚀6小时，刻蚀深度为270// m。刻蚀速率约为0. 75// m Hiinm,较低的刻蚀速率使得<111>晶面非常平滑。清洗，去除刻蚀液和光刻胶，如图4(b，c)。光纤支撑即图中四个并排的槽长，宽分别为4mm，1mm，槽间距为115//m。棱镜长， 宽分另1J为8mm, 9mm。第三步沉积一层Al，光刻形成光纤阻止和透镜窗口，用BHF去除窗口中的Al和 Si02，如图 4(d)。光纤阻止部分前端开口 115" m，内部开口 50°，圆弧曲率半径为450//m。透镜部分曲率半径为450// m,厚度为436// m，透镜中心距光纤支撑463// m,即透镜的焦距。第四步采用DRIE垂直刻穿微透镜和光纤阻止窗口。去除Al层和SiO2层，硅模具便制作完成，如图4(e)。第五步对模具进行PDMS转写，底板厚度为0. 5mm,固化剂和预聚物的重量比为 1:10，加热使PDMS变硬，脱模，便得到本发明的核心部件，光纤支撑，光纤阻止，透镜和棱镜如图4(f)。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种基于全反射的平面并行荧光生物检测芯片，其特征在于包括光纤支撑，光纤，光纤阻止，透镜，棱镜和样品台；其中所述样品台由玻璃片和PDMS芯片键合而成，位于整个芯片的最上面，样品台的下面是位于同一水平面的棱镜，透镜，光纤阻止，光纤支撑以及光纤，所述棱镜，透镜，光纤阻止以及光纤支撑都由PDMS —体制得；当激光经耦合进入单模光纤时，光束在光纤中传播，出射后由透镜进行校正，到达空气/棱镜界面时发生折射，折射光随后到达棱镜/玻璃界面进一步折射，折射光进入玻璃后在玻璃/水界面发生全反射，在全反射区域产生倏逝波激发水中的样品发生荧光反应。
2.根据权利要求1所述的基于全反射的平面并行荧光生物检测芯片，其特征在于，所述光纤由粘合剂黏在光纤支撑上。
3.根据权利要求1所述的基于全反射的平面并行荧光生物检测芯片，其特征在于， 所述光束到达空气/棱镜界面时，其中水平夹角为54. 7°，棱镜折射率为1. 46，入射角为 35.3°，折射角为23.3°。
4.根据权利要求1所述的基于全反射的平面并行荧光生物检测芯片，其特征在于，所述光束到达棱镜/玻璃界面进一步折射，入射角为78°，折射角为69. 97°。
5.一种基于全反射的平面并行荧光生物检测芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤首先准备一块(100)硅片，然后热氧化生长一层二氧化硅薄膜，在此基片上涂布一层光刻胶，将制作好的掩模板放在基片正上方，曝光、显影之后将掩模板的图案转移到基片上；然后利用BHF对基片进行刻蚀，去除二氧化硅，而后对此结构进行硅湿法刻蚀，从而形成了光纤支撑和棱镜结构；再通过微细加工工艺形成透镜窗口，首先沉积金属铝Al层并形成透镜窗口，接着进行 DRIE刻穿硅片；最后去除Al层，SiO2层，再用环氧胶将Si芯片与玻璃衬底结合在一起，便制成完整模具，用PDMS进行转写，得到该芯片的光纤支撑，光纤阻止，透镜和棱镜。
6.根据权利要求5所述的基于全反射的平面并行荧光生物检测芯片的制备方法，其特征在于，所述硅湿法刻蚀，是指使用的刻蚀液为四甲基氢氧化铵TMAH，对硅进行各向异性刻蚀，(111)晶面的刻蚀速率比较慢，侧面形成54. V的倾角。
全文摘要
本发明公开一种基于全反射的平面并行荧光生物检测芯片及其制备方法，该芯片中样品台由玻璃片和PDMS芯片键合而成，位于整个芯片的最上面，样品台的下面是位于同一水平面的棱镜，透镜，光纤阻止，光纤支撑以及光纤，所述棱镜，透镜，光纤阻止以及光纤支撑都由PDM一体制得；当激光经耦合进入单模光纤时，光束在光纤中传播，出射后由透镜进行校正，到达空气/棱镜界面时发生折射，折射光随后到达棱镜/玻璃界面进一步折射，折射光进入玻璃后在玻璃/水界面发生全反射，在全反射区域产生倏逝波激发水中的样品发生荧光反应。该芯片利于和微分析系统集成，不需要体激光源，生物材料消耗低，荧光背景噪音小，灵敏度高。
文档编号G01N21/64GK102410996SQ201110248090
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者廖哲勋, 李以贵, 罗晨晨, 罗江波 申请人:上海交通大学