[发明专利]基于固体光学微谐振腔的光发射检测增敏方法

说明书

本发明属于光检测技术领域，具体为一种基于固体光学微谐振腔的光发射检测增敏方法。本发明使用具有高Q值的固体光学微谐振腔，来提高光发射检测的灵敏度；所述的固体光学微谐振腔材料包括无机玻璃、有机高分子材料；其形状为微球、微环或微盘，微球、微环、微盘的尺寸在数纳米到数毫米之间；所述的光发射检测包括荧光、磷光和化学发光光发射信号检测。本发明利用光学微谐振对发射光的谐振聚集效应，实现微孔板的光学检测增强。与现有的微孔板荧光检测法相比较，本发明通过固体微谐振腔的引入可以获得较高的检测灵敏度和较低的检测限，可用于光发射检测及微孔板的光学检测。

技术领域

本发明属于光检测技术领域，具体涉及一种敏化光发射检测的方法。

背景技术

近代分析化学中的微全分析系统集成了进样、分离、检测甚至样品前处理等功能，实现了分析仪器的微型化和集成化。在化学分析各领域发挥出巨大作用。微分析系统具有样品消耗量少、分析速度快、样品通量大等显著特点。但是以微流控芯片为核心的微分析仪器同时还存在周边的附属支持器件难以小型化的问题，而且其检测灵敏度往往不能和传统分析仪器相媲美。在微分析设备微型化、分析试样量减少后，往往不能获取和传统分析仪器相当的检测灵敏度。

另一方面，随着现代医学、环境监测等领域对精准分析要求的提高，在生物和疾病早期筛查中，对目标分析物质的分析检测要求甚至达到了单分子级别。能够实现目标分子在单分子级别的分析检测也是仪器分析科学追求的终极目标。目前，实现高灵敏度分子检出的技术主要是各种荧光显微成像技术，如暗场显微镜成像、荧光显微成像、等离子共振显微成像、干涉衍射显微成像等。利用高分辨率的原子力显微镜也能够实现单个分子的成像和检出。另外，表面增强拉曼散射技术也因其在纳米尺度上剧烈增强的电场而具有巨大的潜力实现单分子的检出。但是以上的超灵敏分子检出技术都是以复杂的光学系统或支撑系统作为支持，不适宜和微全分析系统相结合。另外，微流控技术和电门控技术也针对DNA等特殊的带电长双链分子发展起来了微孔和微狭缝电检测法来实现单个分子的检出分析，使用电门控有机场效应晶体管实现了单个抗原的检出。而在实际的应用中前者有着微孔或微狭缝容易堵塞的问题而严重影响其应用，而后者也有着电解质非水化等方面的限制都严重影响了其在实际检测中的应用推广。

综上可见，微分析仪器在满足微型化和检测快速化之后，其在检测灵敏度和精度上的提高一直是一个很难突破的问题。同时，微分析仪器的现场及在线检测特征使得微分析仪器和经典大型检测设备的结合有悖微分析仪器发展的初衷。

近年来在光物理学中发展了对光线具有高效谐振作用的光学微谐振腔。被用于构建多种微型光学器件。理论上，在一个相对周边环境来说具有较高折射率的闭合腔体内，光可被约束在腔体内保持稳定的光波传输。将特定微腔边界形状下的Maxwell方程组进行二维近似后，可简化为标量的Helmholtz方程：

其中，是真空中的波矢，c为真空光速，ω为角频率，n为介质折射率。一般情况下，规则的球形和柱形存在解析解，可以分别在球坐标和柱坐标系下分离变量求解¹¹。因此，光物理学家们发展得到了尺寸在1-500微米的微盘腔、微环芯腔、微柱腔和微球腔等具有超高品质因子（Q）的回音壁模式（WGM）光学微谐振腔。其在集成光学器件中发挥了巨大的作用，被用作高效滤波器、低阀值激光器、信号延时器和高灵敏度传感器等。基于光学微谐振腔的超高Q值，谐振腔对外界环境的改变非常灵敏。吸附在谐振腔壁的分子可在微谐振腔壁产生的光热效应，而给出光波偏移信号，为微谐振腔在分子和颗粒的检测提供了可能性。在检测中产生的特征模式分裂和谐振波展宽现象，可实现单个分子、单个细胞或单个颗粒检出。

光学微谐振腔还具有另一个重要特性是其微腔体的高Q值，可用来构建特殊环境下的微型激光器, 甚至利用微谐振腔优势，设计具有特殊单向激光、可操纵的液滴激光和毛细管激光等等。利用此类激光的微尺寸优势，可将光学微谐振腔置于各种在线环境，如细胞或血液，实现高灵敏在线传感功能。拓展了光学微谐振腔在超高灵敏度光发射检测和传感方面的广阔应用前景。