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1、(10)申请公布号 CN 103913436 A (43)申请公布日 2014.07.09 CN 103913436 A (21)申请号 201310019563.0 (22)申请日 2013.01.09 G01N 21/41(2006.01) G01N 21/17(2006.01) (71)申请人 黄辉 地址 116024 辽宁省大连市高新区凌工路 2 号创新园大厦 A1226 室 申请人 渠波 吴海波 (72)发明人 黄辉 渠波 吴海波 刘蓬勃 (54) 发明名称 一种基于微纳颗粒填充的光学微流控芯片生 物传感器 (57) 摘要 本发明提供提出一种基于微纳颗粒填充的光 学微流控芯片生物传感。
2、器， 其特征是 ： 通过在光 学腔内填充微纳尺寸的小球， 从而增加腔内表面 积和表面吸附量， 以提高测试灵敏度 ； 可以在腔 内填充两种以及两种以上尺寸的小球， 来调节光 学腔的表面积和球间距 ； 适用于表面吸附物质的 折射率测试。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103913436 A CN 103913436 A 1/1 页 2 1. 一种基于微纳颗粒填充的光学微流控芯片生物传感器， 其特征是 ： 通过在光学腔内 填充微纳尺寸。
3、的小球， 从而增加腔内表面积和表面吸附量， 以提高测试灵敏度 ； 可以在腔内 填充两种以及两种以上尺寸的小球， 来调节光学腔的表面积 ； 适用于表面吸附物质的折射 率测试。 2. 权利要求 1 所述的传感器， 当待测物质流经光学腔时， 待测物质会吸附在光学腔内 壁和小球的表面上， 引起整个光学腔内物质的平均折射率发生改变， 从而改变透过光学腔 的光波强度和相位。 3. 权利要求 1 所述的光学腔， 在测试前可以先通入气态或液体的有机物质， 在光学腔 内壁和小球的表面吸附上一层有机物质， 从而增加表面对待测物质的吸附能力。 4. 权利要求 1 所述的光学腔， 其入口和出口尺寸可以小于球的直径， 。
4、以避免小球被流 体带到腔外。 5. 权利要求 1 所述的光学腔， 可以有多个出口和入口， 让流体分布更均匀。 6. 权利要求 1 所述的光学腔， 其出口和入口可设计成锥形， 使流体分布更均匀。 7. 权利要求 1 所述的小球， 可以通过加压、 加热或表面修饰的方法， 让小球团聚成一个 块体， 从而提高测试稳定度并避免小球被流体冲走。 8. 权利要求 1 所述的传感器， 光学腔内小球的排列方式可以是有序排列、 也可以是随 机和无序的排列。 权 利 要 求 书 CN 103913436 A 2 1/3 页 3 一种基于微纳颗粒填充的光学微流控芯片生物传感器 技术领域 0001 本发明涉及微流控芯片。
5、中气体和液体样品(例如蛋白质、 DNA、 抗原、 抗体等)的折 射率测试， 可应用于环境监测、 化学分析和生物医学等领域。 背景技术 0002 有害气体检测在环境保护方面具有重要应用， 液体检测则在生物医学领域有着重 要应用。微流控芯片可以作为承载气体和液体样品的理想通道 ； 并且， 其体积小， 可以实现 微量检测， 促进分析仪器的微型化、 集成化和便携化。 0003 折射率是反映气体和液体性质的一个重要参数， 测试样品的折射率就可以获知样 品的类型和浓度等相关信息 ； 并且光学传感器具有抗干扰能力强和响应快的特点。因此， 目前广泛采用光学传感器对微流控芯片中的样品进行折射率测量。Kobori。
6、 等人 (J.Am. Chem.Soc.， 2004， 126 ： 557) 利用表面等离子体共振传感器 (SPR) 对双链 DNA 进行检测。 Liang 等人 (Appl.Phys.Lett.， 2005， 86 ： 151122) 利用光纤光栅传感器对异丙醇的折射 率进行测量。Guo 等人 (Appl.Phys.Lett.， 2011， 98 ： 041104) 利用两根光纤端面构成的 Fabry-Perot(FP) 腔， 对腔内液体的折射率进行测试。我们提出并实现了一种具有集成 FP 腔的微流控芯片传感器 (Appl.Phys.Lett.， 2012， 100 ： 233705)， 通。
7、过提高谐振腔的品质因 子， 从而大幅提高传感器的分辨率。 0004 FP 腔传感器易于测试腔内物质的体折射率 ( 即腔内物质的平均折射率 )， 但是不 擅长测试表面折射率 ( 即类似 SPR 传感器测试表面吸附物质的折射率 )。因此设计研发适 用于测试表面折射率的 FP 腔传感器， 是本发明的创研动机。 发明内容 0005 本发明旨在解决上述 FP 腔传感器的表面折射率测试问题， 提出 “一种基于微纳颗 粒填充的光学微流控芯片生物传感器” ， 通过在光学腔内填充微纳尺寸小球颗粒， 增加腔内 表面积， 从而增加表面吸附的待测物质、 提高测试灵敏度。 0006 本发明的传感器结构如图 1 所示， 。
8、光学腔内填充小球后， 光学腔的表面积从未填 充时的 LWH 提高到填充后的 LWH+ND2( 其中 L、 W 和 H 分别为矩形光学腔的 长度、 宽度和高度， D 为小球直径， N 为小球数量 )。因此填充小球能大幅提高腔内的表面 积， 从而提高测试灵敏度 ( 注 ： 由于球与球、 球与平面的接触为点接触， 其接触面积很小， 可 以忽略不计 )。 0007 本发明所述的传感器， 当待测物质通过入口和出口 ( 图 1) 流经光学腔时， 待测物 质会吸附在光学腔内壁和小球的表面上， 引起整个光学腔内物质的平均折射率发生改变， 从而改变透过光学腔的光波的强度和相位。因此通过测试光学腔的透射光波的强度。
9、或相 位， 就能获知腔内吸附物质的折射率， 从而得到待测物质的成份和浓度等信息。 0008 本发明所述的传感器， 在测试前可以先通入气态或液体的有机物质， 在光学腔内 壁和小球的表面吸附上一层有机物质， 从而增加表面对待测物质的吸附能力。 说 明 书 CN 103913436 A 3 2/3 页 4 0009 本发明所述的小球， 其材料优选折射率接近 1.33( 即水的折射率 ) 的固态物质 ( 如玻璃、 石英和聚苯乙烯等材料 )， 从而降低由于小球的引入所导致的光散射问题。 0010 本发明所述的传感器， 可以选择多种直径 ( 图 2 中的 D 和 d) 的小球组合来填充光 学腔内部。图 2。
10、 所示的为两种直径小球的组合， 用以调节和优化球与球的间距， 从而调节待 测物质在球表面的吸附量。 0011 本发明所述的光学腔， 其入口和出口尺寸可以小于球的直径， 以避免小球被流体 带到腔外 ( 图 2) ； 可以有多个出口和入口， 让流体分布更均匀 ( 图 2)。 0012 本发明所述的小球， 可以通过加压、 加热或表面修饰的方法， 让小球团聚成一个块 体、 不会分散开， 从而提高测试稳定度、 并且避免小球被液体冲走。 0013 本发明所述的光学腔出口和入口， 可以设计成渐变的锥形结构 ( 图 3)， 以获得平 稳的液体流动。 0014 本发明中， 光学腔内部小球的排列方式除了有序排列、。
11、 也可以是随机和无序的， 其 增加表面积的机理和效果是一致的。 附图说明 0015 附图， 其被结合入并成为本说明书的一部分， 示范了本发明的实施例， 并与前述的 综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。 0016 图 1 为只填充一种小球的传感器结构。 0017 图 2 为填充两种直径小球和多个出入口的传感器结构。 0018 图 3 为进出口为锥形的传感器结构。 具体实施方式 0019 为使得本发明的技术方案更加清晰， 以下结合测试方案和附图详细叙述本发明的 具体实施方式。 0020 例 1 0021 首先， 在硅衬底上制备结构如图 1 所示的微流控芯片传感器， 其中小球的材料为 玻璃。 。
12、0022 其次， 在光学腔中先通入水溶液， 然后再通入待测物质的水溶液 ； 待测物质会在腔 内壁和小球的表面上吸附， 从而改变腔内物质的整体平均折射率、 以及透过腔的光波的相 位。 0023 最后， 通过测试透过光波的相位， 获知待测物质的折射率和成份。 0024 例 2 0025 首先， 在玻璃衬底上制备结构如图 2 所示的微流控芯片传感器， 其中小球的材料 为有机塑料。 0026 其次， 在光学腔中先通入葡聚糖等溶液， 葡聚糖分子会吸附在腔内壁和小球的表 面， 以提高腔内壁和小球表面的吸附能力 ； 然后再通入含有待测物质的标准溶液， 待测物质 会在腔内壁和小球的表面上吸附， 从而改变腔内物。
13、质的整体平均折射率、 以及透过腔的光 波的强度。 0027 最后， 通过测试透过光波的强度， 获知待测物质的折射率和浓度。 说 明 书 CN 103913436 A 4 3/3 页 5 0028 例 3 0029 首先， 在有机塑料衬底上制备结构如图 3 所示的微流控芯片传感器， 其中小球的 材料为石英。 0030 其次， 在光学腔中先通入空气， 然后再通入含有酒精成份的空气 ； 酒精会在腔内壁 和小球的表面上吸附， 从而改变腔内物质的整体平均折射率、 以及透过腔的光波的相位。 0031 最后， 通过测试透过光波的相位， 获知酒精的浓度。 0032 综上所述， 本发明提供的光学微流控芯片生物传感器， 通过在腔内填充小球， 有效 增加腔内的表面积和待测物质的吸附量， 从而大幅提高测试灵敏度。 0033 以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例， 依据本发明的构想所做的等效变 换， 只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时， 均应在本发明的范围内， 特此说明。 说 明 书 CN 103913436 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103913436 A 6 。