一種慢光結(jié)構(gòu)、吸光度檢測方法及微流控芯片與流程

本申請涉及慢光結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種慢光結(jié)構(gòu)、吸光度檢測方法及微流控芯片。

背景技術(shù)：

隨著社會的不斷進步，人們對醫(yī)療衛(wèi)生保障、環(huán)境質(zhì)量等方面的要求日益提高，運用先進的科技手段開發(fā)高靈敏度快速低成本的生化分析儀器已經(jīng)成為生命科學(xué)、微電子學(xué)等領(lǐng)域的主要研究目標。微流控芯片以其小型和快速的樣品檢測速度成為一種熱門的生化分析儀器，為了更高效地實現(xiàn)微流控芯片的檢測功能，人們往往將微流控芯片的檢測單元做成陣列式并且提高單位面積內(nèi)所述檢測單元的密度，以在不增加所述微流控芯片體積的基礎(chǔ)上，豐富所述微流控芯片的檢測功能。當檢測單元的尺寸減小到納米尺度以下時，可以大大提高所述微流控芯片的生化檢測效率，并且可以大大提升所述微流控芯片的集成度。

但是，隨著所述檢測單元尺寸的減小，通過所述檢測單元中的有效檢測光程將會急劇減小，從而降低所述檢測單元的檢測靈敏度。而通過增加檢測光程提升檢測靈敏度的方法又會不可避免的增加所述檢測單元的尺寸，這與目前所述微流控芯片的發(fā)展方向又是相背的。

因此，如何在不增加自身體積的基礎(chǔ)上增加檢測靈敏度成為研究人員的努力方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種慢光結(jié)構(gòu)、吸光度檢測方法及微流控檢測芯片。以實現(xiàn)在不增加自身體積的基礎(chǔ)上增加檢測靈敏度的目的。

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明實施例提供了如下技術(shù)方案：

一種慢光結(jié)構(gòu)，包括：

基底；

位于所述基底表面的波導(dǎo)層；

位于所述波導(dǎo)層表面的緩沖層；

位于所述緩沖層表面的亞波長金屬光柵。

優(yōu)選的，所述緩沖層為二氧化硅層或氮化硅層或二氧化鈦層或氧化鋁層或硫化鋅層或硒化鋅層。

優(yōu)選的，所述緩沖層的厚度的取值范圍為0.05μm-0.5μm，包括端點值。

優(yōu)選的，所述亞波長金屬光柵的制備材料為金或銀或銅或鋁。

優(yōu)選的，所述亞波長金屬光柵的光柵周期的取值范圍為0.1μm-0.5μm，包括端點值。

優(yōu)選的，所述基底為二氧化硅基底或聚甲基丙烯酸甲酯基底或聚碳酸酯基底。

一種吸光度檢測方法，包括：

提供上述任一實施例所述的慢光結(jié)構(gòu)；

將待測樣品作為所述慢光結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)層；

利用所述慢光結(jié)構(gòu)進行吸光度檢測。

一種微流控檢測芯片，包括至少一個如上述任一實施例所述的慢光結(jié)構(gòu)；

所述慢光結(jié)構(gòu)中的波導(dǎo)層為待測樣品。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供了一種慢光結(jié)構(gòu)、吸光度測量方法及微流控芯片，其中，光線在通過所述慢光結(jié)構(gòu)的亞波長金屬光柵進入所述波導(dǎo)層時會由于導(dǎo)模共振原理產(chǎn)生慢光效應(yīng)，從而降低光在所述波導(dǎo)層中的傳播速度，提升了光線在波導(dǎo)層中的傳播時間；在實際應(yīng)用過程中，所述波導(dǎo)層為被測樣品，光線在波導(dǎo)層中傳播時間的增加意味著光線與所述被測樣品的作用時間的延長，因此利用所述慢光結(jié)構(gòu)對所述被測樣品進行檢測的靈敏度較高。并且所述慢光結(jié)構(gòu)可以通過選擇所述亞波長金屬光柵的材料、光柵周期以及所述緩沖層的厚度，選擇可透過的波長，從而形成所述慢光結(jié)構(gòu)的波長選擇特性。

進一步的，所述慢光結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制備。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本申請的一個實施例提供的一種慢光結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本申請實施例1提供的慢光結(jié)構(gòu)的相位與群折射率的對應(yīng)關(guān)系曲線圖；

圖3為本申請實施例1提供的具有不同厚度緩沖層的慢光結(jié)構(gòu)的透射譜線；

圖4為本申請實施例1提供的具有不同厚度緩沖層的慢光結(jié)構(gòu)的群折射率曲線圖；

圖5為本申請實施例1提供的慢光結(jié)構(gòu)的群折射率隨亞波長金屬光柵的光柵周期的變化趨勢圖；

圖6為本申請的一個實施例提供的一種吸光度檢測方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本申請實施例提供了一種慢光結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括：

基底4；

位于所述基底4表面的波導(dǎo)層3；

位于所述波導(dǎo)層3表面的緩沖層2；

位于所述緩沖層2表面的亞波長金屬光柵1。

需要說明的是，光線在介質(zhì)中傳播的速度主要包括單一頻率光波傳播的相速度和許多頻率成分組成的光波波包傳播的群速度。相速度是指對于某一頻率的電磁波，它是等相位面沿傳播方向推進的速度；群速度是指一群電磁波的傳播速度。在非色散介質(zhì)中，兩者相等；在正常色散介質(zhì)中，所述群速度小于所述相速度；在反常色散介質(zhì)中，所述群速度大于所述相速度。在實際生活中不存在絕對的單一頻率光線，而都是包含多個頻率具有一定頻寬的脈沖光線。介質(zhì)具有色散特性時，不同頻率的光具有不同的傳播速度，因此一般采用等效折射率下的群速度。導(dǎo)模共振是指當亞波長金屬光柵1的高衍射級次與光柵波導(dǎo)或者臨近光柵結(jié)構(gòu)波導(dǎo)層3的導(dǎo)模位相匹配時發(fā)生共振，發(fā)生共振的導(dǎo)模由于所述亞波長金屬光柵1的周期調(diào)制轉(zhuǎn)換為泄露模式發(fā)生反射或者透射。在所述慢光結(jié)構(gòu)中，被測樣品作為所述波導(dǎo)層3用以支持導(dǎo)模的傳輸，導(dǎo)模傳輸過程中，所述亞波長金屬光柵1處于消逝場穿透深度之內(nèi)時，形成的導(dǎo)模會產(chǎn)生輻射損耗?？紤]到所述亞波長金屬光柵1對于該層導(dǎo)模影響的情況時，入射光線經(jīng)過所述亞波長金屬光柵1的衍射，某一高衍射級次的光線與所述波導(dǎo)層3的導(dǎo)模波矢匹配時，該衍射級次的入射光線與所述波導(dǎo)層3內(nèi)導(dǎo)模發(fā)送共振。通過共振產(chǎn)生的導(dǎo)模在光柵周期結(jié)構(gòu)調(diào)制之前形成準導(dǎo)模，該模式在所述波導(dǎo)層3內(nèi)不能穩(wěn)定傳播，以泄露模式反射或者透射出去。正是由于準導(dǎo)模的存在，使得光在所述波導(dǎo)層3內(nèi)存在時間延遲，所以透射光表現(xiàn)為一定的相位延遲，該相位延遲產(chǎn)生了慢光效應(yīng)。

基于導(dǎo)模共振原理產(chǎn)生的慢光效應(yīng)源于所述慢光結(jié)構(gòu)對光線的調(diào)制作用，從本質(zhì)上將所述慢光結(jié)構(gòu)在共振波長透射窗口產(chǎn)生一個結(jié)構(gòu)相位，該結(jié)構(gòu)相位在共振波長位置發(fā)生突變，從而實現(xiàn)慢光效應(yīng)。結(jié)構(gòu)相位為光線在光源到觀測點的相位減去信號光在背景材料(一般為空氣)中的相位，因此所述慢光結(jié)構(gòu)的群折射率可以由結(jié)構(gòu)相位色散關(guān)系確定為：

其中，c表示光速；L表示所述慢光結(jié)構(gòu)的總長度；表示隨頻率變化的結(jié)構(gòu)相位。因此影響所述群折射率的參數(shù)主要包括所述亞波長金屬光柵1的結(jié)構(gòu)和構(gòu)成所述波導(dǎo)層3的尺寸參數(shù)。

對于所述慢光結(jié)構(gòu)而言，可以通過改變緩沖層2的厚度改變所述波導(dǎo)層3的Q值，從而實現(xiàn)對所述群折射率的豎直的改變，所述緩沖層2的厚度越大，所述群折射率越大；另外通過改變所述亞波長金屬光柵1的光柵周期也可以實現(xiàn)對所述群折射率的影響。所述慢光結(jié)構(gòu)除了可以在共振波長產(chǎn)生較高的群折射率之外，對于在共振波長附近的光線而言，其透射率也較高，但是幾乎全反射其他波段的波長，因此所述慢光結(jié)構(gòu)在實際的應(yīng)用過程中具有波長選擇特性?？梢詰?yīng)用于微流控芯片的吸光度檢測應(yīng)用中，還可以進一步拓展到光緩沖通訊、光束整形、光信號空間壓縮、低閾值功率的非線性效應(yīng)、多波段光延遲濾波器等領(lǐng)域。

所述慢光結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中，光線在通過所述慢光結(jié)構(gòu)的亞波長金屬光柵1進入所述波導(dǎo)層3時會由于導(dǎo)模共振原理產(chǎn)生慢光效應(yīng)，從而降低光在所述波導(dǎo)層3中的傳播速度，提升了光線在波導(dǎo)層3中的傳播時間；在實際應(yīng)用過程中，所述波導(dǎo)層3為被測樣品，光線在波導(dǎo)層3中傳播時間的增加意味著光線與所述被測樣品的作用時間的延長，因此利用所述慢光結(jié)構(gòu)對所述被測樣品進行檢測的靈敏度較高。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，在本申請的一個實施例中，所述緩沖層2為二氧化硅層或氮化硅層或二氧化鈦層或氧化鋁層或硫化鋅層或硒化鋅層。本申請對所述緩沖層2的具體種類并不做限定，具體視實際情況而定。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，在本申請的另一個實施例中，所述緩沖層2的厚度的取值范圍為0.05μm-0.5μm，包括端點值。在本申請的其他實施例中，所述緩沖層2的厚度的取值可以為0.1μm或0.15μm或0.2μm或0.25μm或0.3μm。本申請對此并不做限定，具體視實際情況而定。

正如上面的分析可知，當所述緩沖層2的厚度發(fā)生改變時，所述慢光結(jié)構(gòu)的群折射率會發(fā)生變化，從而使得所述慢光結(jié)構(gòu)的透射譜線也會發(fā)生變化。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，在本申請的又一個實施例中，所述亞波長金屬光柵1的制備材料為金或銀或銅或鋁。本申請對所述亞波長金屬光柵1的制備材料的具體種類并不做限定，具體視實際情況而定。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，在本申請的再一個實施例中，所述亞波長金屬光柵1的光柵周期的取值范圍為0.1μm-0.5μm，包括端點值。在本申請的其他實施例中，所述亞波長金屬光柵1的光柵周期的取值可以為0.3μm或0.35μm或0.4μm或0.45μm，本申請對此并不做限定，具體視實際情況而定。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，在本申請的一個實施例中，所述基底4為二氧化硅基底4或聚甲基丙烯酸甲酯基底4或聚碳酸酯基底4。本申請對所述基底4的具體種類并不做限定，具體視實際情況而定。

為了更清楚的了解所述慢光結(jié)構(gòu)的特性，下面將以一個具體實施例說明所述慢光結(jié)構(gòu)的參數(shù)特性。

實施例1：

利用金屬鋁作為所述亞波長金屬光柵1的制備材料，該材料在可見光以及紅外波段均具有較高的反射率(＞90％)。所述緩沖層2為二氧化硅層，厚度為0.1μm。所述波導(dǎo)層3材料以氮化硅(Si₃N₄，折射率n＝2)層代替(實際應(yīng)用中所述波導(dǎo)層3為被測樣品)，厚度為0.1μm；所述基底4為載玻片(主要材料為SiO₂，折射率n＝1.46)。

為了提高所述慢光結(jié)構(gòu)的共振波長的透射率，將所述亞波長金屬光柵1的占空比設(shè)置為0.7；對于所述波導(dǎo)層3的厚度和所述緩沖層2的厚度，可以根據(jù)單模條件和所需要的帶寬進行相應(yīng)的設(shè)計，初定所述亞波長金屬光柵1的光柵周期為0.35μm，所述亞波長金屬光柵1的厚度為40nm；對上述結(jié)構(gòu)的慢光結(jié)構(gòu)進行仿真計算，獲得所述慢光結(jié)構(gòu)的相位與群折射率的變化曲線，如圖2所示，在共振波長附近的500nm-550nm的波長區(qū)間，相位經(jīng)歷幅度為π/2的正方向變化之后，在550nm-575nm波長范圍內(nèi)出現(xiàn)一個π/2的負方向變化，兩次變化導(dǎo)致光線出現(xiàn)相位延遲。相位變化范圍內(nèi)群折射率恰好對應(yīng)能量透射譜中的高透射窗口，圖2中所示的群折射率最大為118，光線在所述慢光結(jié)構(gòu)中的傳播速度為真空中光速的0.87％。

另外，通過測試具有不同厚度的緩沖層2的所述慢光結(jié)構(gòu)，獲得所述緩沖層2對于所述慢光結(jié)構(gòu)的影響，如圖3和圖4所示，圖3為所述緩沖層2厚度分別為0.1μm、0.15μm、0.2μm、0.25μm和0.3μm的慢光結(jié)構(gòu)的透射譜線；圖4為所述緩沖層2厚度分別為0.1μm、0.15μm、0.2μm、0.25μm和0.3μm的慢光結(jié)構(gòu)的群折射率。從圖3和圖4中可以看出，所述緩沖層2的厚度越大，所述波導(dǎo)層3中的Q值越大，半波帶寬越小。透射窗口的減小使得相位在此區(qū)間急劇增大，因此所述慢光結(jié)構(gòu)的群折射率也相應(yīng)地增大。圖4中的最大群折射率為727。

進一步的，通過測試具有不同光柵周期的所述慢光結(jié)構(gòu)，獲得所述亞波長金屬光柵1的光柵常數(shù)對所述慢光結(jié)構(gòu)的群折射率的影響。將所述亞波長金屬光柵1的光柵周期分別設(shè)置為0.3μm、0.35μm、0.4μm和0.45μm，其他結(jié)構(gòu)保持相同，對這些慢光結(jié)構(gòu)的群折射率進行測試，如圖5所示，從圖5中可以看出，所述光柵周期分別為0.3μm、0.35μm、0.4μm和0.45μm的慢光結(jié)構(gòu)對應(yīng)的群折射率分別為141、118、84和73。

從上述分析可以發(fā)現(xiàn)，實施例1中制備的所述慢光結(jié)構(gòu)在共振波長為545nm時，其群折射率的變化范圍為119-727，包括端點值。與之相對應(yīng)，光線在所述慢光結(jié)構(gòu)中的傳播速度為真空中光速的0.14％-0.87％。因此將所述慢光結(jié)構(gòu)和微流控芯片相結(jié)合，即利用被測樣品作為所述慢光結(jié)構(gòu)中的波導(dǎo)層3，采用吸光度方法檢測中，所述被測樣品的折射率可以近似認為不發(fā)生變化，此時入射光線由于導(dǎo)模共振效應(yīng)產(chǎn)生的慢光效應(yīng)在被測樣品中存在的時間增加，所以經(jīng)過同樣距離，光線和物質(zhì)之間的作用時間相當于提高了2-3個數(shù)量級，有效光程增加了數(shù)百倍，這對于微流控芯片提高檢測靈敏度有力。除此之外，所述慢光結(jié)構(gòu)可進一步拓展應(yīng)用于光緩沖通訊、光束整形、光信號空間壓縮、低閾值功率的非線性效應(yīng)、多波段光延遲濾波器等領(lǐng)域。

相應(yīng)的，本申請實施例還提供了一種吸光度檢測方法，如圖6所示，包括：

S101：提供如上述任一實施例所述的慢光結(jié)構(gòu)；

S102：將待測樣品作為所述慢光結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)層3；

S103：利用所述慢光結(jié)構(gòu)進行吸光度檢測。

相應(yīng)的，本申請實施例還提供了一種微流控檢測芯片，包括至少一個如上述任一實施例所述的慢光結(jié)構(gòu)；

所述慢光結(jié)構(gòu)中的波導(dǎo)層為待測樣品。

綜上所述，本申請實施例提供了一種慢光結(jié)構(gòu)、吸光度測量方法及微流控芯片，其中，光線在通過所述慢光結(jié)構(gòu)的亞波長金屬光柵1進入所述波導(dǎo)層3時會由于導(dǎo)模共振原理產(chǎn)生慢光效應(yīng)，從而降低光在所述波導(dǎo)層3中的傳播速度，提升了光線在波導(dǎo)層3中的傳播時間；在實際應(yīng)用過程中，所述波導(dǎo)層3為被測樣品，光線在波導(dǎo)層3中傳播時間的增加意味著光線與所述被測樣品的作用時間的延長，因此利用所述慢光結(jié)構(gòu)對所述被測樣品進行檢測的靈敏度較高。并且所述慢光結(jié)構(gòu)可以通過選擇所述亞波長金屬光柵1的材料、光柵周期以及所述緩沖層2的厚度，選擇可透過的波長，從而形成所述慢光結(jié)構(gòu)的波長選擇特性。

進一步的，所述慢光結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制備。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。