1 中国科学技术大学，安徽合肥230026
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 中国科学院生物医学检验技术重点实验室，江苏苏州15163
3 复旦大学，上海2004
4 苏州国科芯感医疗科技有限公司，江苏苏州215163
5 季华实验室，广东佛山28200
为了降低零模波导照明系统的成本、缩小尺寸，设计并完成衍射光栅、光波导以及零模波导的片上集成，并对集成化芯片的微纳结构及性能进行验证。采用时域有限差分法对集成化芯片进行了仿真设计，基于微纳加工手段制备出片上衍射光栅、光波导以及零模波导阵列结构，对微观结构进行表征，并借助荧光微球对芯片的性能进行验证。通过荧光微球测试，制备的集成化芯片可以实现荧光微球的有效激发；通过微观结构表征，衍射光栅周期为（352.8±2.6） nm，齿宽为（155.3±2.4） nm，刻蚀深度为（67.8±3.5） nm；光波导芯层的宽度为（504.05±10.35） nm，高度为（184.9±8.9） nm；零模波导直径为（200.2±6.4） nm，深度为（301.3±7.6） nm，满足设计要求。芯片尺寸为22 mm×22 mm，最小线宽为155 nm，通过8个衍射光栅、约1 000条光波导以及数十万个零模波导阵列结构的片上集成，为零模波导的照明提供了一种紧凑且有效的解决方案。
集成光学 光波导 衍射光栅 零模波导阵列 integration optics optical waveguide diffraction grating zero-mode waveguide array
1 复旦大学 工程与应用技术研究院，上海200433
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州15163
3 中国科学院 生物医学检验技术重点实验室，江苏苏州21516
4 季华实验室，广东佛山528200
5 中国科学技术大学，安徽合肥230026
6 苏州国科芯感医疗科技有限公司，江苏苏州21513
本文设计并研制了一种改进的零模波导器件，采用此种器件实现了荧光信号的增强，解决了荧光串扰等问题。采用微纳加工手段实现了这一器件的制备，该器件通过微透镜与纳米孔的结合减少了荧光的发散角，荧光的相长干涉增强了检测信号的强度。具体地，采用电子束光刻制备了直径可控的纳米孔阵列，结合紫外光刻及反应离子刻蚀实现了角度可调的微透镜阵列，并采用ImageJ读取荧光灰度值进行了信号比对。通过与未改进的零模波导器件相比，改进后的器件其荧光信号增强了14.5倍，信噪比提升了9倍。通过SEM表征，该器件的纳米孔直径为（100.3±4.9 ）nm；微透镜倾角（21.1±0.7）°。改进的零模波导器件在增强了荧光信号的同时有效减少了荧光串扰的问题，相关研究对微弱荧光检测、荧光串扰等问题提供了一种可行的解决思路。
零模波导 纳米孔 微透镜 荧光信号检测 zero mode waveguides nanopore microlens fluorescence signal detection
1 中国科学院 苏州生物医`学工程技术研究所 中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院大学 生命科学学院, 北京 100049
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
针对数字PCR体系样品的分割方式, 开发了一款数字PCR体系样品分割芯片, 用于微量生物样品检测。利用微机电系统(MEMS)制备阵列化的硅基片, 采用硅片高效低损伤超精密磨削减薄工艺对硅基片进行减薄, 结合化学改性方法, 成功制备了表面疏水孔壁亲水的毛细管微阵列芯片。通过扫描电子显微镜 (SEM) 对芯片结构进行表征, SEM结果显示, 芯片结构为通孔微阵列。通过接触角表征芯片表面的疏水性, 对比化学处理前后芯片表面的接触角, 结果表明化学处理后芯片表面疏水, 接触角为118°。通过能谱(EDS)表征芯片孔壁的亲水性, 结果表明, 芯片孔壁只有Si, O两种元素, 形成亲水基团, 因此, 芯片孔壁亲水。通过测量显微镜和荧光显微镜表征芯片的样品分割性能, 结果表明芯片将样品分割为均一的独立单元。通过激光共聚焦扫描仪表征, 直观地反应了芯片的整体样品分割效果, 通过计算芯片的样品填孔率为93.8%。本文成功制备了表面疏水孔壁亲水的毛细管微阵列芯片, 该芯片具有优异的样品分割性能, 在生物医学领域具有广阔的应用前景。
微阵列芯片 高通量 数字化 毛细管 化学改性 亲疏水 microarray high-throughput capillary digitization chemical modification hydrophilic and hydrophobic
1 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院, 北京 100049
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
为满足大规模胃癌早期筛查对胃蛋白酶原I(PGI)检测高灵敏度、高效率、操作简单、样品量少的需求, 本文构建了一种PGI抗体功能化薄膜型Lamb波生物传感器。对传感器检测腔薄膜进行PGI抗体自组装修饰, 传感器检测腔表面修饰的PGI抗体将样品中PGI抗原特异性的捕获并固定在检测腔薄膜表面, Lamb波传感器薄膜表面质量增加导致其A0模式中心频率发生移动, 且频率移动量与检测腔表面吸附物质质量增加量正相关, 实现对样本中PGI抗原浓度的检测。实验结果表明: PGI抗体功能化薄膜Lamb波生物传感器对PGI抗原实测灵敏度约为102.114 Hz/ng/mL, 理论最低检测限(LOD)为0.176 ng/mL, 单个样本检测时间为40 min, 与现有基于光学检测法PGI检测技术相比, 具有检测系统简单、操作简单、不需要专业人员操作等显著优势, 且比多数光学检测法LOD更低, 比电化学法PGI检测技术LOD低两个数量级。结果表明, 本文提出的PGI抗体免疫功能化薄膜型Lamb波生物传感器对PGI检测且具有检测下限低、灵敏度高、检测效率高、操作简单、无需样品预处理等特点, 满足大规模早期胃癌筛查的基本需求。
胃癌 薄膜Lamb波传感器 胃蛋白酶原I 免疫 gastric cancer thin film Lamb wave sensor pepsinogen I immune
1 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
针对Lamb波压电声波传感器高品质因数（Q值）、低检测极限（LOD）和易集成的性能要求，本文基于SOI（Silicon-on-insulator）硅片，通过底层硅（Handling layer）干法刻蚀和中间层（Boxing layer）自截止的方法实现2 μm超薄均一的硅衬底结构，然后沉积2 μm厚具备高C轴择优取向的氮化铝（AlN）压电薄膜。传感器薄膜区域外设置双端增强反射栅结构用于提高Q值，从而有效降低器件的检测极限，并通过微量水分测试验证性能。该谐振器零阶反对称模式（A0）和零阶对称模式（S0）的谐振状态的实测结果和COMSOL二维模型仿真结果一致，所制作的Lamb波谐振器A0模式的主峰Q值为703，S0模式的主峰Q值为403。微量水分测试S0模式的检测极限优于A0模式，最低检测极限值为0.06%RH。结果表明，氮化铝超薄硅衬底Lamb波压电谐振器能够实现微量水分等高精度检测。
压电谐振器 Lamb波薄膜 氮化铝 SOI硅片 品质因数 微量水分检测 piezoelectric resonator thin film Lamb wave AlN SOI silicon wafer quality factor trace moisture detection
1 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院， 北京 100049
3 西北工业大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710072
针对声表面波(SAW)传感器对品质因数、寿命和成本的要求，研制了Parylene增强型SAW传感器。根据金属剥离工艺要求，利用LOR剥离胶和AZ5214光刻胶双层胶旋涂工艺制作了梯形结构；在传统光学光刻条件下制作了2 μm的超细叉指电极。传感器制作过程利用了MEMS工艺，不仅实现了传感器的微型化，还可以批量化生产，得到的以石英为基底的传感器谐振频率达到249.077 953 MHz。最后在传感器的表面镀制Parylene聚合物薄膜以提高基底温度灵敏度。实验对比了未增强型（未镀Parylene）和增强型SAW传感器 (镀Parylene)的温度灵敏度。结果显示：未增强型SAW传感器温度灵敏度为2.048 kHz/℃，Parylene增强型SAW传感器温度灵敏度为2.855 kHz/℃，比前者提高了0.807 kHz/℃，且镀Parylene之后谐振频率变化量与温度具有较好的线性度，线性相关系数达到0.996 15。实验证明，Parlene增强型SAW传感器的性能优于未增强的SAW传感器。
声表面波(SAW)传感器 倒梯形结构 金属剥离 Parylene增强 温度 Surface Acoustic Wave(SAW) sensor trapezoidal structure metal stripping parylene enhancement temperature 光学 精密工程
2017, 25(12): 3048
1 上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200000
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
针对液体流速测量领域中微型流量传感器高品质因数、高灵敏度的性能要求。本文设计一种双端增强型薄膜谐振结构实现Lamb波传感器的高品质因数, 利用传感器反对称模式(A01模式)在薄膜-液体界面处的消逝波实现液体流速矢量测量。所制作的双端增强型薄膜谐振Lamb传感器A01模式的主峰品质因数为703, A01模式的频率移动量与液体流速大小存在线性关系, 频率移动方向与液体流动方向存在对应关系。流速实测灵敏度约为270 Hz/mm/s, 传感器稳定性噪声小于02 Hz, 流速最低检测极限值(LOD)为2.2 μm/s, 流量最低检测极限值(LOD)为18.3 nL/min。结果表明, 双端增强型薄膜谐振Lamb波传感器可以实现液体流速高灵敏度矢量测量。
薄膜谐振型Lamb波传感器 消逝波 反对称模式 流速矢量测量 thin film Lamb wave resonator evanescent waves antisymmetric mode liquid flow velocity measurement
1 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 南洋理工大学 仿生传感器科学中心, 新加坡 637553
5 浙江大学 光电信息工程学系, 浙江 杭州 310027
开发了一种多孔分子印迹膜修饰的表面等离子体共振(SPR)传感器,用于快速检测水中微囊藻毒素LR.研究了利用该传感器检测微囊藻毒素LR的方法.首先,通过原位聚合法在SPR传感芯片的裸金表面合成了微囊藻毒素LR的多孔分子印迹膜,制备出可以特异性捕获微囊藻毒素LR的SPR传感芯片.然后,利用Kretschmann棱镜耦合结构,构建了基于Kretschmann结构的波长调制型表面等离子体共振传感器.最后,通过检测不同浓度的微囊藻毒素LR溶液以及干扰物质微囊藻毒素RR溶液,研究了该传感器的测量范围、特异性等参数.结果表明,该传感器对于微囊藻毒素LR的检测灵敏度很高,可实现微囊藻毒素LR的定量检测,动态测量达2.1×10-9~1×10-6 mol/L.另外,传感器对于干扰物质微囊藻毒素RR无明显信号响应,表明传感器对于微囊藻毒素LR具有很好的特异性检测能力.
表面等离子体共振传感器 分子印迹膜 微囊藻毒素LR 水污染检测 surface plasmon resonance sensor molecularly imprinted polymer microcystin-LR water pollution detection
