微流控芯片光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)集成化新進(jìn)展

1、微流控芯片光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)集成化新進(jìn)展摘要: 微流控芯片是微全分析系統(tǒng)(LTA S) 中當(dāng)前最活躍的領(lǐng)域和發(fā)展前沿。目前人們?cè)谖⒘骺匦酒难芯恐幸呀?jīng)取得了很大的進(jìn)展, 研制出了多種微型化、集成化的芯片。相比之下, 與微流控芯片配套的高靈敏度微型光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的研制卻相對(duì)落后。介紹了分別基于CMO S、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL ) 和微型雪崩光電二極管(LA PD) 來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)與微流控芯片集成化的方法。1引言21 世紀(jì)生命科學(xué)與信息科學(xué)的發(fā)展, 要求分析科學(xué)用更低的消耗、更簡(jiǎn)便的方法和設(shè)備、更快的速度提供更準(zhǔn)確的有關(guān)物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)的信息。20 世紀(jì)90 年代初由瑞士的M anz 和W i

2、dmer 提出的以微機(jī)電加工技術(shù)(m icroelect romechan ical system s,M EM S) 為基礎(chǔ)的“微型全分析系統(tǒng)”(m in iatu rized to talanalysis system , 或m icro to tal analysis system s, LTA S) 1, 2 正是在上述的新挑戰(zhàn)的情況下發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)分析技術(shù)。LTA S 的目的是通過(guò)化學(xué)分析設(shè)備的微型化與集成化, 最大限度地把分析實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移到便攜的分析設(shè)備中, 甚至集成到微型芯片上。當(dāng)前微全分析系統(tǒng)的主流形式為微流控分析系統(tǒng)(M icrof lu idic analyt ical

3、 system ) , 而微流控芯片(m icrof lu idic ch ip ) 作為微流控分析系統(tǒng)的核心部件已發(fā)展成為L(zhǎng)TA S 中當(dāng)前最活躍的領(lǐng)域和發(fā)展前沿。微流控芯片是通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)將微管道、微泵、微閥、微儲(chǔ)液器、微電極、微檢測(cè)元件、窗口和連接器等功能元器件像集成電路一樣, 使它們集成在芯片材料(基片) 上的微全分析系統(tǒng)。十多年來(lái), 人們?cè)谖⒘骺匦酒难兄浦腥〉昧撕艽蟮倪M(jìn)展, 功能各異的微型化、集成化芯片不斷問(wèn)世。相比之下, 與微流控芯片配套的微型集成化檢測(cè)系統(tǒng)的研制卻相對(duì)落后。這是由于芯片體積小, 反應(yīng)通道一般只有幾十微米寬, 其分析試劑進(jìn)樣量?jī)H為皮納升級(jí), 而且分析檢測(cè)大多在秒

4、級(jí)內(nèi)完成, 因此芯片對(duì)其檢測(cè)手段和裝置的要求有其特殊性。雖然電化學(xué)檢測(cè)器可集成在微芯片上, 但當(dāng)前微流控分析中應(yīng)用最廣泛、最有效的檢測(cè)是光譜檢測(cè)方法 , 其中包括熒光、分子吸收、化學(xué)發(fā)光及質(zhì)譜檢測(cè)。激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)是其中應(yīng)用較為普遍的, 它雖然具有很高的靈敏度, 但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到微型化和集成化的要求。展望未來(lái), 隨著半導(dǎo)體光電器件在芯片上集成的進(jìn)一步發(fā)展, 性能優(yōu)越的微型化、集成化的光學(xué)檢測(cè)單元將會(huì)成為主流。下面介紹幾種光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的微型化方法。2使用CMOS 作為微流控集成探測(cè)陣列微流控芯片的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的兩個(gè)最主要的組成部分就是光源和探測(cè)器, 因此光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的微型化也就是光源和探測(cè)器這兩

5、個(gè)主要部件的微型化。在探測(cè)器的微型化方面, 最有效和直接的方法就是把微流控芯片直接放在成像探測(cè)陣列上, CMO S4 7 憑借其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性而成為探測(cè)陣列的選擇之一。CMO S 成像陣列可以直接尋址單個(gè)像素, 能夠改變每個(gè)像素的積分時(shí)間從而獲得更靈敏的分析, 由于一般來(lái)說(shuō)成像陣列的大部分單元是用不到的, 所以CMO S 具有更短的響應(yīng)時(shí)間。雖然CMO S 成像陣列的橫向分辨力不可能達(dá)到光學(xué)顯微鏡的水平, 但是它們完全可以滿足較大物體上的可見光光譜實(shí)驗(yàn)的要求。這樣一個(gè)近似成像系統(tǒng)的最高分辨力由成像陣列上的像素大小來(lái)決定, 它可以達(dá)到10Lm 以下。成像系統(tǒng)的靈敏度則取決于像素的有效區(qū)域

6、大小, 同樣也取決于像素的泄漏電流。CMO S 圖像傳感器還具備以下優(yōu)點(diǎn): (1) 集成度高, 可將圖像傳感器陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信號(hào)處理電路、A öD 轉(zhuǎn)換電路、全數(shù)字接口電路等集成在一起, 可實(shí)現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng); (2) 工作電壓低, 功耗小; (3) 更低的系統(tǒng)代價(jià)。A dam s等使用CMO S 成像陣列制作了一個(gè)微流控芯片和光學(xué)檢測(cè)集成化的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示, 系統(tǒng)建立在硅基底上, 最底層是CMO S 成像陣列, 然后在其表面上直接制作濾光層, 其目的主要是為了濾除直接通過(guò)通道的激發(fā)光和其他一些雜散光, 從而降低CMO S 采集到的圖像中的噪聲, 提高成像質(zhì)量。接著

7、就是將微流控器件集成到帶有濾光層的成像陣列上, 最上層的是激發(fā)光源。既要滿足微型化,又要獲得所要求的激發(fā)光, 對(duì)此采用的方法是將高性能的光學(xué)諧振腔濾波器做在L ED 陣列最表層上從而獲得所需要的激發(fā)光源, 此濾光器直接放在微流控通道上。這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的微流控分析芯片。衡量這樣一個(gè)系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。影響系統(tǒng)探測(cè)靈敏度的兩個(gè)主要因素是CMO S本身的靈敏度和系統(tǒng)的背景噪聲。一方面, 作為一個(gè)微流控分析芯片, 它的一個(gè)主要特點(diǎn)便是所要用的試劑量非常少, 通道中的流量有的甚至只有兆億分之一升級(jí), 而相應(yīng)的光學(xué)作用距離又比較短, 此時(shí)CMO S成像陣列的靈敏度就變得極其重要。Fu

8、rum iya5 等人設(shè)計(jì)了深度p 勢(shì)阱光電二極管, 同時(shí)在光電二極管表面鍍上減反射膜, 此方法有效地提高了CMO S 的靈敏度。另外, 耗盡型晶體管和雙光罩也可以有效地減少CMO S 自身的噪聲。另一方面, 背景噪聲在很大程度上限制了系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。降低背景噪聲的有效方法是提高芯片中的濾光層的性能。對(duì)于激發(fā)光源與芯片之間的濾光層, 它必須使透過(guò)的光與通道中的試劑的吸收光譜盡可能匹配從而提高激發(fā)效率。而且它的透過(guò)率也要盡可能高, 因?yàn)槿绻高^(guò)的光強(qiáng)度不夠大, 那么激發(fā)產(chǎn)生的熒光信號(hào)也會(huì)較弱。對(duì)于芯片與CMO S 成像陣列之間的濾光層, 它要在濾除通過(guò)芯片的激發(fā)光的同時(shí)保證激發(fā)產(chǎn)生的熒光有較好

9、的透過(guò)率。3基于垂直腔面發(fā)射激光器(vert ica l-cav ity- surface-em itt ing la ser, VCSEL ) 技術(shù)的微流控芯片熒光探測(cè)方法VCSEL 技術(shù)9 是20 世紀(jì)90 年代以來(lái), 隨著光纖通信產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展而逐步得到人們的重視, 隨后逐漸發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)。最早是1977 年日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀健一教授首先提出面射式激光的概念, 并于1979 年發(fā)表全世界第一個(gè)VCSEL 元件。近幾年VCSEL 技術(shù)逐漸發(fā)展成熟, 在光通訊領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣。典型的VCSEL 采用三明治式結(jié)構(gòu)(圖2) , 通過(guò)有源區(qū)在垂直于芯片平面的方向構(gòu)筑激光諧振腔(諧振腔很

10、短, 只有1 個(gè)或2 個(gè)波長(zhǎng)厚) , 使相干性極高的激光束(與生長(zhǎng)平面垂直) 從頂部(或底部) 射出。最主要的兩部分就是上下的反射鏡以及中間的有源層, 光是從表面射出, 形成一個(gè)圓形對(duì)稱的光束。目前VCSEL 技術(shù)的發(fā)展主要局限在近紅外到遠(yuǎn)紅外波段, 由于考慮到與工作在可見光波段范圍的熒光探測(cè)技術(shù)相比, 長(zhǎng)波段范圍內(nèi)的熒光探測(cè)技術(shù)具有更低的背景熒光和更低的熒光散射, 并且長(zhǎng)波段范圍的熒光傳感器可能的應(yīng)用還是很廣的, 因此將VCSEL 引入到微流控芯片的檢測(cè)領(lǐng)域, 實(shí)現(xiàn)光源的微型化和集成化還是很有價(jià)值的。Th ru sh等設(shè)計(jì)了一種將垂直腔面發(fā)射激光器、本征PN 結(jié)光電探測(cè)器和發(fā)射光濾波器集成到

11、同一塊基底上的方案。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于降低了成本、減小了系統(tǒng)的體積和增加了平行度。譬如, 使用單片集成方法能夠使傳感器通道間距或者傳感器間隔減少到100Lm 以內(nèi)。圖3 給出了這個(gè)光電設(shè)計(jì)的原理圖。左邊的垂直腔面發(fā)射激光器包括兩個(gè)反射鏡或者是分布式布拉格反射鏡和激光增益區(qū)。在VCSEL 附近, 通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)VCSEL 外延結(jié)構(gòu)底下加一層固有的砷化鉀區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的本征PN 結(jié)光電探測(cè)器。此本征PN 結(jié)光電探測(cè)器同時(shí)將N 2DBR 作為發(fā)射濾波器和電連接點(diǎn)。此項(xiàng)設(shè)計(jì)主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)。第一, 設(shè)計(jì)有賴于現(xiàn)在的VCSEL 技術(shù), 目前VCSEL 技術(shù)不斷發(fā)展以用于通訊行業(yè), 在未來(lái)它仍將是人

12、們關(guān)注的焦點(diǎn)。第二, 方案中能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高指數(shù)的發(fā)射濾波器, 這對(duì)于降低濾波器的角度敏感性是非常重要的, 如采用高指數(shù)的A lGaA s 來(lái)制造濾波器可以降低濾波器的角度敏感性。這些傳感器不但可以在100Lm 空間范圍內(nèi)做成陣列, 而且, 這些傳感器還可以和毛細(xì)管或微流通道粘合在一起, 這樣就可以同時(shí)降低試驗(yàn)變異和激光背景噪聲。此方案有待改進(jìn)的地方就是如何減少由VCSEL 側(cè)面自發(fā)輻射而形成的激光背景噪聲。自發(fā)輻射對(duì)于微型熒光探測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是災(zāi)難性的, 因?yàn)檫@些自發(fā)輻射是非常難濾除的, 沒有被濾除的自發(fā)輻射就形成了大量的激光背景噪聲。自發(fā)輻射之所以難濾除, 是因?yàn)樗庾V范圍和輻射角度變化范圍

13、很大。此方案中,自發(fā)輻射能夠避開干涉濾波器而直接照射到探測(cè)器的表面從而形成背景噪聲。激光背景噪聲的另外一個(gè)來(lái)源是間接照射, 激光撞擊光學(xué)界面然后反彈, 再以較大的偏角撞擊探測(cè)器。間接照射是一個(gè)比較麻煩的問(wèn)題, 因?yàn)闉V波器的濾光效率隨著入射光的偏置角度的增大而降低了。由于背景噪聲的存在限制了整個(gè)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度, 因此必須采用合適的方法盡可能的濾除背景噪聲。可用的方法包括上面提到的制作高精度和高指數(shù)的發(fā)射濾波器, 還有就是采用新穎的光學(xué)隔離方法, 例如使用金屬光學(xué)濾波層, 這些都能明顯減少激光背景噪聲, 從而提高探測(cè)靈敏度的。4基于微型雪崩光電二極管(LAPD) 的集成熒光探測(cè)系統(tǒng)10 光學(xué)檢測(cè)

14、系統(tǒng)中最重要的元件就是光電探測(cè)器。常見的光電探測(cè)器10 主要包括光敏二極管(PD ) ,CCD, 光電倍增管(PM T ) 和雪崩光電二極管(A PD)。對(duì)于很多生物分析來(lái)說(shuō), 光電探測(cè)器的實(shí)際響應(yīng)速度是一個(gè)重要的指標(biāo), 如毛細(xì)管電泳分析和細(xì)胞分類。CCD 要求足夠長(zhǎng)時(shí)間積分以利于從每個(gè)單獨(dú)的像素讀出數(shù)據(jù), PD 則需要通過(guò)延長(zhǎng)光信號(hào)積分時(shí)間來(lái)提高靈敏度。相比較而言, 光電倍增管和雪崩光電二極管可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)單光子響應(yīng), 如光子計(jì)數(shù)。光電倍增管已經(jīng)得到了廣泛的使用, 因?yàn)樗軌蛴行У胤糯蠊庑盘?hào)。在那些低光子流量和要求高靈敏度的應(yīng)用中, 高增益的固態(tài)雪崩光電二極管比光電倍增管更好。雪崩光電二極管1

15、0, 11 (avalanche pho todiode duct,A PD) , 是具有內(nèi)部電流增益的光電二極管。該增益是在外加較高的負(fù)偏電壓作用下, 以及管中特定的PN 結(jié)構(gòu), 可產(chǎn)生碰撞電離機(jī)制, 從而對(duì)初始的光生載流子提供快速倍增而獲得的。A PD 與PM T 相比, 它的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾方面: (1)A PD (50% ) 比PM T(10% ) 有更高的量子效率; (2) 它的工作電壓相對(duì)較低(40V 100V ) , PM T 的工作電壓大于500 V; (3) 如果進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)的話, 它的成本也會(huì)很低。除了靈敏度之外, 新型的微型A PD 的大小和微流通道的大小(50Lm 1

16、00Lm) 也是相匹配的。根據(jù)這一特性, 如果LA PD 和微通道的距離相隔在200Lm 左右的話,那么就沒有必要再使用光學(xué)傳輸系統(tǒng), 這無(wú)疑大大縮小了整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的尺寸。這就使得LA PD 非常適合集成到微流控系統(tǒng)中去。Chab inyc等設(shè)計(jì)了一種使用LA PD 和基于PDM S 的微流控芯片的集成化熒光探測(cè)系統(tǒng)(如圖4)。在PDM S 材料上制作微流通道和將多模光纖封裝在PDM S 里; 光纖的頂端置于其中一通道側(cè)壁附近, 光纖取向與通道垂直。光纖的作用是將光耦合進(jìn)微流通道作為熒光試劑的激發(fā)光源。固態(tài)LA PD 陣列則嵌入在1cm 厚的PDM S 板層里。為了在光到達(dá)探測(cè)陣列之前將雜散的

17、激發(fā)光濾除掉, 在LA PD 陣列表面上制作了一80Lm 厚的聚碳酸酯濾波層。LA PD 陣列在微流通道下面, 與光纖垂直。探測(cè)陣列與微流通道之間距離很近, 這就可以不使用光學(xué)傳輸系統(tǒng)。LA PD 陣列的像素大小(30Lm ) 和通道的大小(50Lm ) 差不多。熒光試劑的激發(fā)光源用的是藍(lán)光L ED。LA PD 是通過(guò)光子計(jì)數(shù)的方法探測(cè)微流通道中的分析試劑產(chǎn)生的熒光。LA PD 的工作模式是蓋格模式。通常A PD 是應(yīng)用在工作電壓低于雪崩電壓的情況下, 所謂蓋格模式則是工作電壓高于雪崩電壓。工作于蓋格模式的LA PD 在截止點(diǎn)的基礎(chǔ)上有一個(gè)偏移。當(dāng)一個(gè)光子碰撞LA PD 表面時(shí), 在儀器的高電

18、場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生了一個(gè)電子雪崩, 從而導(dǎo)致了電流的高增益。需要注意的是在一個(gè)光子觸發(fā)了雪崩后必須停止它, 否則雪崩繼續(xù)下去, 探測(cè)器無(wú)法接收下一個(gè)光子, 因此, 需要盡量縮短死時(shí)間, 才能提高光子探測(cè)率。在蓋格模式下, LA PD 噪音也變得很大, 因此必須采取措施來(lái)減少LA PD 的噪聲。一方面可以改進(jìn)器件本身的設(shè)計(jì), 提高器件的性能, 如在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用擴(kuò)散保護(hù)環(huán)、磨角、達(dá)通型結(jié)構(gòu)等來(lái)消除邊緣擊穿; 另一方面是在電路技術(shù)方面, 例如采用高Q 腔以及使偏置網(wǎng)絡(luò)最佳化。同時(shí), LA PD 是溫度敏感器件, 這是因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)使價(jià)帶中的電子活躍程度發(fā)生相應(yīng)改變, 從而最終影響暗電流的變化。由于暗電流隨溫度呈指數(shù)變化, 隨著溫度的升高, 暗電流明顯增加, 因此必須降低器件的工作溫度。在此系統(tǒng)中, 要著重考慮的一個(gè)問(wèn)題是如何提高LA PD 對(duì)熒光光子的收集效率。當(dāng)LA PD 到通道之間的距離的平方隨著橫斷像素的立體錐形角的減小而增大時(shí), LA PD 收集熒光光子的效率也將下降?？梢酝ㄟ^(guò)縮短LA PD 和微通道之間距離來(lái)提高收集效率。但是, 在提高LA PD 對(duì)