纳米光传感芯片及生化检测系统

发布日期:2023-03-25 浏览量:1

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【项目概况】  

如今,医疗保健、生物防御、环境监测和食品安全等行业对生物传感器的需求不断增长,这极大推动了全球范围内生物传感器市场的增长。

基于现有表面等离激元纳米结构传感检测系统研究存在的系统集成度低、功能单一、待测样品安装复杂、系统和传感芯片价格昂贵等问题,通过微纳米结构加工技术制备了灵敏度高、结构新颖、成本低且小巧轻便的纳米传感芯片。其次,将纳米传感芯片与液体流通集成技术和智能光学检测技术进行有机融合,打造了高灵敏度、小巧轻便、智能的生化检测仪器。

【关键技术】  

本项目的关键技术一方面在于如何设计并低成本加工出高精度的纳米结构实现高灵敏度的纳米传感芯片,另一方面在于如何优化系统结构从而实现各种模式下光谱信息的精确测量。

1.米光传感芯片方面,利用溶胶纳米球光刻技术优化了结构芯片的制备工艺,进一步提高了芯片制备的成品率,减少由于人工导致的不可控失误。同时还改进了芯片切割工艺,通过用光刻胶保护的方法有效的解决了切割过程中粉尘带来的污染。本项目技术成熟度较高,目前已经实现了金纳米圆盘光芯片的制备,纳米结构均匀一致性好(如图2)。该纳米传感芯片批量制备已在实验室完成,整体结构尺寸已经达到4英寸(大约切割1cm*1cm的纳米传感芯片30片)。


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图2. 大面积纳米传感芯片制备技术示意



2.在生化检测系统方面,主要取得了以下四方面突破:

(1)通过将双通道光开关技术与一分二熔融拉锥光纤导光技术相结合(如图3),实现纳米光芯片反射、透射、吸收光谱的同时测量并首次实现了对被检测样品的全光谱测量(如图3);

(2)有效解决了光源带来的加热升温问题。在系统中增加了热电偶温度控制模块,有效提高了检测系统中环境温度的稳定性;

(3)增加了相应的减震措施,有效降低了系统的振动噪声给传感检测带来不良影响;

(4)软件调试和优化。目前搭配系统使用的初代软件已经完成,正在进行测试和相关调试。制备的光传感芯片已用于前列腺癌标记物(PSA)、免疫球蛋白等一系列疾病标记物的检测,检测极限浓度可低至pM量级,达到国际先进水平。图4是该团队利用纳米光传感芯片对前列腺癌标记物的检测结果。


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图3. 基于一分二熔融拉锥光纤导光技术的纳米传感技术


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图4. 利用MetaSensor纳米传感系统得到的前列腺癌标记物的检测结果


最终制备的纳米结构等离子体传感器系统小巧轻便,便于携带与操作,适合临床实时检测。同时传感芯片可重复使用,可进行多次测量、连续监测和实时的数据分析。尤其适合生命科学和分析/纳米化学领域的应用。与现有商业化产品相比具有更强的竞争优势(如图5)。


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图5. 本产品与现有商业化产品各方面性能比较


【应用领域和市场前景】  

本项目研究将基于纳米结构的局域表面等离激元光学检测技术和纳米结构加工技术相结合,采用“自下而上”的生产工艺,开发出低成本、高灵敏度、结构新颖、应用范围广、长寿命的纳米传感芯片,用于生物分子检测。同时本项目还将开发与光传感芯片配套的测试仪器,将纳米传感芯片与液体流通集成技术和智能光学检测技术进行有机融合,打造高灵敏度、小巧轻便、智能的生化检测仪器,并最终致力于开发可用于医疗健康、食品安全、环境检测等领域的稳定可靠高集成便携的检测设备。为进一步推动光传感技术在不同领域的发展具有重大意义及良好的应用前景。


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图6. 生化检测系统潜在应用领域


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