[發明專利]基于光子晶體諧振腔LED激發光源的微流控芯片熒光檢測系統

無效

• 申請號: 201210126969.4
• 申請日: 2012-04-26
• 公開（公告）號: CN102636471A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 曹暾;閆衛平
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本發明屬于生物樣品(例如蛋白質、DNA以及抗體等)檢測領域，涉及一種基于光子晶體諧振腔發光二級管(LED)激發光源的微流控芯片熒光檢測系統，可應用于疾病治療診斷和生物醫學。

背景技術

微流控芯片，已經在基因分析、病毒和細菌檢測等領域的研究中發揮重要作用，成為實現高通量“微型全分析系統”的主要手段之一。雖然近年來人們對微流控芯片的研究取得很大的進展，但是主要還是集中于對功能各異的微型化、集成化微流控芯片本身的研制。而與微流控芯片配套的微型集成化檢測系統的研制卻相對落后。當前微流控分析中應用較為普遍的是共聚焦式激光誘導熒光檢測，它雖然具有很高的靈敏度，但卻遠未達到微型化和集成化的要求。盡管近期大量研究表明，可以通過在共聚焦式激光誘導熒光檢測系統中集成發光二極管(Light?emitting?diode，LED)和光電二極管(Photodiode，PD)等方法提高系統的微型集成化，但這些研究大都受限于激發光源的光譜較寬和側面輻射較大所導致的系統靈敏度和分辨率低、信噪比小等問題。

Sensors?and?Actuators?B，2005(106)：878-884，其報道了將PD集成在微流控裝置上，組建了化學反應檢測器，并證明了PD在600nm-700nm范圍內具有較好的響應特性。Sensors?and?Actuators?B，2009(140)：643-648，其研制出集成了PD的抗氧化能力篩選的微流控芯片，并實驗顯示了PD與常用的光電倍增管(PMT)具有相似的響應特性。Proc.SPIE?2005(6036)：60361O-1，其在便攜式微流控檢測系統中，采用LED作為激發光源，以PD作為探測器。然而，他們大多利用LED或OLED作為激發光源，因此產生的光譜帶寬較寬，影響系統檢測的靈敏度。Lab?on?a?Chip，2005(5)：1041-1047(2005)，其以OLED為激發光源組建了微流控芯片的微型化熒光檢測系統，同時利用自制的300um濾光片來解決OLED發射光譜較寬的問題。然而該方法采用分離的濾光片，使檢測系統的體積偏大，便攜性較低。Optics?Express，2010(18)：8781-8789，其提出了一種基于垂直腔面發射激光器(Vertical-cavity-surface-emitting?laser，VCSEL)技術的微流控芯片熒光探測方法，這種方法的優點在于減小了發射光譜的寬度的同時也實現了高精度和高指數發射濾波器的集成。然而，VCSEL相對于LED和OLED的制作工藝復雜、成本過高、尤其VCSEL側面自發輻射而形成的激光背景噪聲難以濾除，因此限制了整個系統的探測靈敏度。

光子晶體諧振腔具有品質因數高，抑制側面自發輻射能力強和體積小等優點，在微納有源光學器件領域中有著重要的應用前景。因此，如何在微流控芯片熒光檢測系統的LED激發光源上集成二維光子晶體諧振腔，使其產生窄帶發射光譜，提高系統的靈敏度和分辨率；同時利用光子晶體諧振腔的光子禁帶特性，有效抑制LED的側面輻射，濾除激發光背景噪聲，提高系統信噪比，是本發明的創研動機。

發明內容

本發明針對上述問題，提供了一種基于光子晶體諧振腔LED激發光源的微流控芯片熒光檢測系統，該系統具有尺寸小、靈敏度高、分辨率強、準確率高、信噪比好的特點。

本發明解決問題采用的技術方案如下：

一種基于光子晶體諧振腔LED激發光源的微流控芯片熒光檢測系統，該系統的熒光誘導激發光源是由光子晶體諧振腔LED構成，所述的LED是通過在襯底上依次生長基于III-V族半導體材料的n型層、反光層、基于III-V族半導體材料的有源層、基于III-V族半導體材料的p型層而成；其上集成光子晶體諧振腔，使其具高品質因數和光子禁帶，從而實現窄帶線寬和側面輻射抑制能力強的熒光誘導激發光源，進而提高系統的分辨率、靈敏度和信噪比。

所述的LED激發光源結構是通過在襯底上，先生長一層2μm左右基于III-V族半導體材料的n型層，再生長一層反光層，然后生長基于III-V族半導體材料的有源層，其次生長一層200-300nm厚的基于III-V族半導體材料的p型層。最后通過刻蝕工藝，在p型層窗口層刻蝕出光子晶體諧振腔圖樣。

所述的III-V族半導體材料層可以是磷化鎵(GaP)、鎵鋁砷(GaAlAs)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)等材料，其內部結構具有單向導電性

所述的有源層可以是n(n＞＝4)個周期的InGaN/GaN量子阱或量子點結構。