[发明专利]基于光子晶体谐振腔LED激发光源的微流控芯片荧光检测系统

说明书

技术领域

本发明属于生物样品(例如蛋白质、DNA以及抗体等)检测领域，涉及一种基于光子晶体谐振腔发光二级管(LED)激发光源的微流控芯片荧光检测系统，可应用于疾病治疗诊断和生物医学。

背景技术

微流控芯片，已经在基因分析、病毒和细菌检测等领域的研究中发挥重要作用，成为实现高通量“微型全分析系统”的主要手段之一。虽然近年来人们对微流控芯片的研究取得很大的进展，但是主要还是集中于对功能各异的微型化、集成化微流控芯片本身的研制。而与微流控芯片配套的微型集成化检测系统的研制却相对落后。当前微流控分析中应用较为普遍的是共聚焦式激光诱导荧光检测，它虽然具有很高的灵敏度，但却远未达到微型化和集成化的要求。尽管近期大量研究表明，可以通过在共聚焦式激光诱导荧光检测系统中集成发光二极管(Light emitting diode，LED)和光电二极管(Photodiode，PD)等方法提高系统的微型集成化，但这些研究大都受限于激发光源的光谱较宽和侧面辐射较大所导致的系统灵敏度和分辨率低、信噪比小等问题。

Sensors and Actuators B，2005(106)：878-884，其报道了将PD集成在微流控装置上，组建了化学反应检测器，并证明了PD在600nm-700nm范围内具有较好的响应特性。Sensors and Actuators B，2009(140)：643-648，其研制出集成了PD的抗氧化能力筛选的微流控芯片，并实验显示了PD与常用的光电倍增管(PMT)具有相似的响应特性。Proc.SPIE 2005(6036)：60361O-1，其在便携式微流控检测系统中，采用LED作为激发光源，以PD作为探测器。然而，他们大多利用LED或OLED作为激发光源，因此产生的光谱带宽较宽，影响系统检测的灵敏度。Lab on a Chip，2005(5)：1041-1047(2005)，其以OLED为激发光源组建了微流控芯片的微型化荧光检测系统，同时利用自制的300um滤光片来解决OLED发射光谱较宽的问题。然而该方法采用分离的滤光片，使检测系统的体积偏大，便携性较低。Optics Express，2010(18)：8781-8789，其提出了一种基于垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity-surface-emitting laser，VCSEL)技术的微流控芯片荧光探测方法，这种方法的优点在于减小了发射光谱的宽度的同时也实现了高精度和高指数发射滤波器的集成。然而，VCSEL相对于LED和OLED的制作工艺复杂、成本过高、尤其VCSEL侧面自发辐射而形成的激光背景噪声难以滤除，因此限制了整个系统的探测灵敏度。

光子晶体谐振腔具有品质因数高，抑制侧面自发辐射能力强和体积小等优点，在微纳有源光学器件领域中有着重要的应用前景。因此，如何在微流控芯片荧光检测系统的LED激发光源上集成二维光子晶体谐振腔，使其产生窄带发射光谱，提高系统的灵敏度和分辨率；同时利用光子晶体谐振腔的光子禁带特性，有效抑制LED的侧面辐射，滤除激发光背景噪声，提高系统信噪比，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种基于光子晶体谐振腔LED激发光源的微流控芯片荧光检测系统，该系统具有尺寸小、灵敏度高、分辨率强、准确率高、信噪比好的特点。

本发明解决问题采用的技术方案如下：

一种基于光子晶体谐振腔LED激发光源的微流控芯片荧光检测系统，该系统的荧光诱导激发光源是由光子晶体谐振腔LED构成，所述的LED是通过在衬底上依次生长基于III-V族半导体材料的n型层、反光层、基于III-V族半导体材料的有源层、基于III-V族半导体材料的p型层而成；其上集成光子晶体谐振腔，使其具高品质因数和光子禁带，从而实现窄带线宽和侧面辐射抑制能力强的荧光诱导激发光源，进而提高系统的分辨率、灵敏度和信噪比。

所述的LED激发光源结构是通过在衬底上，先生长一层2μm左右基于III-V族半导体材料的n型层，再生长一层反光层，然后生长基于III-V族半导体材料的有源层，其次生长一层200-300nm厚的基于III-V族半导体材料的p型层。最后通过刻蚀工艺，在p型层窗口层刻蚀出光子晶体谐振腔图样。

所述的III-V族半导体材料层可以是磷化镓(GaP)、镓铝砷(GaAlAs)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等材料，其内部结构具有单向导电性

所述的有源层可以是n(n＞＝4)个周期的InGaN/GaN量子阱或量子点结构。