聚合物光波导消逝场传感结构制造技术

本发明专利技术公开了一种用于激发消逝场的聚合物光波导消逝场传感结构，由非球面柱状透镜和薄层平面波导结构组成。非球面柱状透镜位于结构的前端，用于将平行入射的激光折射耦合到波导结构，薄层平面波导位于结构的后端，用于产生消逝场并用做生物反应的载体。准直入射光通过前端的非球面耦合结构后，以一定的角度耦合到后端薄层波导内，光在薄层波导内传输时，会在波导上表面产生数百纳米量级的消逝场，从而实现对位于波导上表面的生物物质进行荧光激发，发射的荧光信号经过滤光后，最终被光学相机捕获成像。机捕获成像。机捕获成像。

【技术实现步骤摘要】
聚合物光波导消逝场传感结构


[0001]本专利技术涉及一种平面波导传感结构，具体是关于一种激发大范围消逝场照明区域的传感结构，应用领域包括生物检测、显微成像。

技术介绍

[0002]自上世纪60年代初，生物传感器被首次提出并验证了可行性，该领域就随着生化技术和微电子等技术的进步不断发展壮大。在诸多生物传感技术中，荧光生物传感器以其灵敏度高、选择性好、实时性强等诸多优点被广泛应用，但由于散射光、生物样品自荧光和无效发射荧光等的干扰，使得此类传感器往往需要使用复杂的光学系统来提高信噪比，为此，消逝场照明被应用于荧光生物传感领域。
[0003]当光从光密介质入射到光疏介质时，折射光会随着入射角的增加逐渐偏离法线，直到光线沿着两介质的分界面传播，此时折射角为90度，随着入射光的入射角继续增加，光疏介质中不再出现折射光，入射光会被完全反射回光密介质中，将刚开始发生全反射的入射角称为临界角，并将这种现象称为光的全内反射。电磁场的边界连续性条件表明，介质分界面发生全发射时，在光密介质表面会产生一个极速衰减、高度受限的非均匀场，该场即为消逝场。消逝场具有和入射光相同的波长，且强度随远离波导表面的距离呈指数衰减，对于可见波段(380
‑
780纳米)入射光而言，只会在波导表层形成百纳米的消逝场照明区域。消逝场的穿透深度被定义为能量衰减到初始能量1/e处的位置，通过改变入射光波长、入射角度或者材料相对折射率等因素可以改变消逝场的穿透深度。
[0004]用于生物检测的荧光标记物的激发波长大多数位于可见光波段，在该波段激发的消逝场深度远小于细胞的平均直径，这意味着只有靠近波导表面的荧光标记物能够被激发，这种照明激发方式在仅选择性的激发目标荧光的同时，极大降低了入射光、散射光、细胞自发荧光以及背景荧光的干扰，使得检测系统的信噪比得到极大提高。
[0005]基于消逝场荧光原理的生物传感器件已经被应用于细胞成像、环境监测、药物开发和体外诊断等诸多领域，为了使得此类传感器获得更高的信噪比、检测范围、均一性和集成度，并实现多波长检测，降低生产使用成本，传感器的结构、材料、配套系统和荧光标记方法等一直在得到改进。结构上，消逝场传感照明的典型结构包括光纤和平面波导两种，光纤型结构具有体积小、灵敏度高、抗干扰能力强等优势，但其能够提供的检测区域较小、操作和制造要求较为复杂。因此，在实际应用中平面波导由于传感面积大、耦合方式多样、制造相对简单等诸多优点被优先选择。此外，常见的平面波导耦合方式包括直接耦合、棱镜耦合、透镜耦合、光栅耦合等，其中透镜耦合在对入射光进行偏折的同时具有汇聚效果，相比之下,使用该方法进行入射光耦合，不需要配套复杂的对准和调角装置，同时，聚焦效果使得入射光在波导内发生一定距离连续全内反射后，将在波导表面产生连续成看的大范围照明传感区域。在材料上，早期的消逝场传感结构是基于玻璃载玻片研发的，然而，玻璃材料在进行不规则结构加工时存在极大限制，因此，高透聚合物材料的传感特性成为该领域的研究重点，以在保证传感性能的同时降低制造难度和生产成本，使得此类传感器的规模化
使用成为可能。
[0006]目前，尚未有一种可量产化的消逝场传感结构/系统，在实现高传感区域均一性、高集成度的同时，实现大有效传感区域、快速多波长检测，为此，为了进一步提高消逝场荧光传感器的性能、降低生产使用成本、实现多场景应用，开发一种基于聚合物集成平板波导的传感结构/系统十分必要。

技术实现思路

[0007]本专利技术公开了一种在可见光波段具有波长鲁棒性的改进型消逝场照明传感结构，该结构通过耦合结构将输入光耦合到薄层平面波导内，从而实现入射光在波导内发生连续全内反射，具体结构如图1所示，包括耦合结构110、薄层波导结构120和裙边结构130，各结构的特征在于：
[0008]耦合结构110位于照明传感结构的前端，由透镜111和多边形棱镜112集成而来。所述透镜111的面型设计为非球面，从而消除由透镜结构带来的球差，并最小化了380
‑
780nm可见光波段内的色差，该结构至少包含一个完整柱面的四分之一；所述多边形棱镜112的短边位置应不超过输入光在薄层波导内的第二反射点位置，从而避免耦合结构与薄层波导之间的失配，导致入射光直接从耦合结构穿过，该结构还设置有一切角斜面，可以起到安装限位的作用。
[0009][0010]薄层波导结构120位于照明传感结构的后端，该结构的长宽为标准载玻片尺寸，如75mm
×
25mm，波导的厚度介于0.05
‑
0.8mm。
[0011]裙边结构130被设置在薄层波导结构的下表面，与薄层波导为一体化结构，该结构可以减小薄层波导由于加工应力引起的Z向翘曲，该值应小于0.5mm；该结构还起到垫片的效果，以在波导表面与上层结构之间形成流体腔。裙边结构设置在薄层结构的上表面，也可以达到类似的效果。
[0012]本专利技术采用高精密模具对波导结构进行注塑成型，将耦合结构110、薄层波导结构120和裙边结构130 一体化集成，其中，针对耦合结构110的透镜111和多边形棱镜112进行了镶件模具设计，如图2(c)所 示，以便后续对结构做进一步优化改进。此外，对于厚度低于0.4mm的聚合物薄层波导，可以采用拼接方 式进行加工，耦合结构110采用镶件模具进行成型加工，如图2(d)所示,薄层波导结构120和裙边结构 130采用另一模具一体化注塑成型，采用折射率匹配液实现两加工后结构的粘合拼接。
[0013]本专利技术涉及的消逝场照明传感结构满足以下特点：耦合结构110、薄层波导结构120和裙边结构130 均采用相同的材料进行加工，材料的折射率介于1.44
‑
2.50之间，且对于波长为380
‑
780nm的入射光透明，材料根据采用加工方法不同，可选用光学聚合物或光学玻璃。如图3所示的结构中，波导结构的上表面310、下表面320以及耦合结构的自由曲面330的粗糙度小于10nm，波导结构的上平面310的平整度小于0.5mm，波导结构的Z向翘曲度小于0.5mm，波导结构的厚度公差被控制在
±
0.05mm以内，照明传感结构的侧面340 的表面粗糙度小于100nm；为提高入射光的利用效率，可对自由曲面330进行镀膜增透处理。
[0014]本专利技术还公开了一种用于产生大范围均匀消逝场照明区域光学系统。输入激光经过准直后，入射到光束整形元件上，之后以一定角度发射出能量分布均匀的光斑，经过柱状透镜后可得到不发散的准直整形光斑，准直光斑水平入射到传感结构的耦合结构，将以大于全内反射临界角的入射角聚焦到薄层波导结构的上表面，光束在薄层波导结构内发生连续的全内反射后，最终在薄层波导表面的消逝场初始能量趋于稳定，形成大范围、均一性高的传感检测区域。该系统具体如图4所示，包括光源部分410、照明传感结构420、检测区域430。各部分的主要特征如下：
[0015]所述的光源部分410由光源411、准直透镜412、整形器件413和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于产生消逝场照明区域的传感结构，该结构包括：耦合结构，位于传感结构的前端，用于改变入射光的传输方向角，并对入射光具有聚焦作用；薄层波导结构，位于传感结构的后端，用于引导从耦合结构斜入射的光，光在波导结构表面激发消逝场。2.如权利要求1所述的传感结构，其中前端的耦合结构使得入射光偏转的方向角的余角应大于在上分界面处发生全内反射的临界角。3.如权利要求1所述的传感结构，其中前端的耦合结构由非球面透镜和多边形棱镜结构组成。4.如权利要求1和3所述的耦合结构，其中非球面透镜和多边形棱镜结构通过镶件模具实现一体化加工成型。5.如权利要求1和3所述的耦合结构，其中非球面透镜采用二阶、三阶或更高阶的面型，以实现对波长为380nm
‑
780nm入射光的耦合。6.如权利要求1所述的传感结构，其中后端的薄层波导为一平板波导结构，采用标准矩形载玻片尺寸，厚度介于0.05
‑
0.8mm之间。7.如权利要求1所述的传感结构，其中薄层波导结构的下表面设置有裙边结构，实现对波导的翘曲度进行控制。8.如权利要求1所述的传感结构，其中耦合结构和薄层波导结构采用高精密模具注塑成型，实现一体化集成结构，也可以分别进行注塑成型后使用折射率匹配液进行粘合。9.如权利要求1到8所述的传感结构，其中在注塑成型时采用环烯烃共聚物、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等高透光学聚合物进行加工。10.如权利要求1所述的传感结构，根据加工方式不同，加工材料进一步包括光学玻璃、五氧化二钽、氮化硅等。11.一种用于产生消逝场照明区域的光学系统，该系统包括：光源部分，提供沿水平方向传播的能量分布均匀的整形光束；传感结构，通过前端耦合结构将入射光耦合到薄层波导结构内传输，入射光在薄层波导的表面产生消逝场；检测区域，被荧光物质标记的待检测物质被固定在该区域内。12.如权利要求11所述的光学系统，其中光源部分进一步包括激光二极管/发光二极管、准直装置、光束整形装置，使得从激光二极管/发光二极管发射出的发散光变成一束能量分布均匀的、不发散的整形光斑。13.如权利要求12所述的光束整形装置，用于对输入光斑...

【专利技术属性】
技术研发人员：范国芳，胡燕君，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：