[发明专利]基于有源微管的谐振式光微流体传感装置和方法

说明书

【技术领域】：本发明涉及各种基于光学微腔谐振传感的技术领域，属于光生物和化学传感技术。【背景技术】：基于微谐振光学传感技术的无标记生物传感器直接测量分子相互作用，能实现生物分子相互作用的实时观察，由于无需待测分析物具有荧光，特征吸收或散射带等特殊性质，测量对象范围大大扩展，可探测毒素，蛋白质，DNA，甚至整个细胞行为，从而为医学诊断，药品研制，食物监测，环境监测等领域提供了有力的分析工具。

光微谐振腔利用全反射将光约束在微腔内，产生回音壁谐振模（Whisper GalleryMode，WGM）。由于是全反射，泄漏损耗非常小，因而光微谐振腔可以很小的尺寸获得很高的Q值，Q值可高达10¹⁰。当附在微腔表面的待测物浓度引起折射率变化时，谐振腔的有效折射率将产生变化，从而引起谐振波长漂移。通过检测波长漂移，即可检测出待测物浓度变化。球形、环形和柱形是光微谐振腔的常见几何形状。如2002年，F.Vollmer利用光微谐振腔的高Q值，基于微球提出一种新型生物传感器（F.Vollmer,D.Braun,A.Libchaber,“Protein detection by optical shift of a resonant microcavity，”Applied PhysicsLetters,2002,80(21):4057-4059），微球腔理论上具有最高的品质因子，但固定夹持困难，不容易实现集成。基于平面光波导技术的微环和微盘可采用集成光学光刻的方式制作，易于大规模集成，因此基于微环（如A.Ksendzov，Y.Lin,“Integrated optics ring-resonator sensorsfor protein detection,”Optics Letters,2005,30(24):3344-3346；Yalcin,A.Popat,K.C.Aldridge,J.C.,et al.,Optical sensing of biomolecules using microring resonators,IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics,2006,12(1):148-155）、微盘谐振腔（如E.Krioukov，D.J.W.Klunder,A.Driessen,J.Greve,and C.Otto,Sensor based on an integratedoptical microcavity，Opt.Lett.2002，27,512-514）的光学传感器的研究工作得到较多关注。但是，光刻产生的微腔表面不光滑，大幅度降低了微腔Q值，严重影响了探测装置的灵敏度。D.K.Armani等通过对微盘进行回流处理（D.K.Armani,T.J.Kippenberg,S.M.Spillance,k.J.Vahala,Ultra high Q toroid microcavity on a chip,Nature,2003,421:925-928），使微腔Q值得以超过10⁷，利用该微谐振腔，该课题组的Andrea M.Armani等进一步成功地实现了对单个生物分子的探测（Andrea M.Armani,Rajan P.Kulkarni,Scott E.Fraser,RichardC.Flagan,Kerry J.Vahala,Lable-free,single-molecule detection with optical microcavities,Science,2007,317:783-787），充分证明了光微谐振腔生物传感器的灵敏度优势。但为了使微谐振腔与待检测分子能够相互作用，这些传感器均需要另外设计制作分立的样品池或样品通道，使得整个传感系统实现复杂。采用微管技术的微谐振腔传感器可实现样品传送通道和传感通道的合二为一，大大简化传感器结构并提高可靠性（如I.M.White,H.Oveys,andX.Fan,Liquid-core optical ring-resonator sensors,Opt.Lett.，2006，31,1319-1321）。