基于平面光波导器件的可见光波段集成传感芯片研究

本项目提出了一种基于平面光波导器件的集激光器和传感单元为一体的可见光波段微流控集成传感芯片，用以实现对样品折射率的快速、实时、微量以及高灵敏度的检测。集成光学在可见光波段的研究和应用尚处于初期阶段，本项目将对几种平面光波导器件在可见光波段中的一些特性做理论研究，针对其在传感方面的应用进行光波导结构和相关器件的优化设计，并结合平面光波导器件的制作工艺开展传感芯片制作的实验研究。本项目采用微谐振环这一典型的光波导器件作为基本单元，利用聚合物材料作为基质载体，通过对材料进行增益介质的掺杂和对基于微谐振环结构器件的优化设计实现可见光波段的波导型激光器的研制，并采用悬空波导作为芯片传感区的主要波导结构，提高传感器的灵敏度，结合微流控技术实现对生物样品的微流量、实时的传感检测，最终制作出高性能的集激光器和传感单元为一体的可见光波段平面波导型微流控传感芯片。

本研究针对当前生物传感领域对小型化、便携化仪器的发展需求，开发了一种基于芯片实验室（Lab-On-a-Chip）构架的便携式传感单元。并从动物体内可植入以及体外药物传感及药效监测两个方面发展了其在生物传感方面的应用。根据这两个方面的不同需求，项目通过对设备单元进行不同的构架设计，利用微加工技术的优势以及PDMS材料的高生物兼容性、易成型性和相对廉价性，初步研制出了两个不同微型传感芯片。一方面，对于用于体外药物传感检测的芯片，综合集成了可编程集成电路控制模块、片上液体驱动模块、片上传输模块、片上细胞培养模块、以及传感检测模块等一系列功能性模块，初步实现了药物药效的传感和检测。整个系统具有相对较小的尺寸，并且利用微加工技术的特性实现了整阵列化和小型化，加上在系统构建初期对模块化的考虑，系统的构建具有很大的灵活性。另一方面，对于可植入检测性芯片，项目根据实际需求，简化了芯片的设计复杂度，主要集成了片上液体驱动模块、药物存储模块以及传输模块等功能性模块，初步实现了体内的简单应用，并特别重点的研究了可植入芯片的生物安全性问题，研究结果显示芯片植入动物体内后具有较好的生物兼容性，为今后进一步开展活体动物实验奠定了坚实的基础。