基于纳米多孔硅光子晶体的微阵列生物芯片制备与检测技术研究

This project was carried out exploration and innovation for porous silicon-based photonic crystal micro-array biochip, by combining excellent biological properties of nano-porous silicon and unique optical transmission properties of photonic crystal. We will analyze the relationship between the size of nano-porous silicon array unit and enhancement of measuring sensitivity, and will study the impact of the laser beam parameters on the measurement.We will study several preparation techniques for various types of photonic crystal structure of nanoporous silicon micro-array biochip; research preparation technology of photonic crystal nano-porous silicon biochip microarray on the SiO2 substrate, and on this basis, the low-cost parallel detection methods by transmission light; we will study bio-chip design, preparation and testing techniques based on polarized light detection method; research the use of porous silicon photonic crystal structure to further improve the nano gold or nano silver biochip sensitivity..The researching about nano-porous silicon photonic crystals micro-array biochip is an innovative. All study in this project are new to the micro-array biochip research field, there is no reported literature and patents. This study in this project can develop superior performance and low cost detection of micro-array biochip; it is of great academic significance and social benefits for the development of bioinformatics.

本项目充分结合纳米多孔硅优良的生物材料特性和光子晶体独特的光传输性质，对基于多孔硅光子晶体的微阵列生物芯片，进行了探索和创新。从理论上分析纳米多孔硅芯片阵列单元区域线度大小和扫描检测用激光光束参数分别对光子晶体增强测量灵敏度的影响；研究多种制备具有各类光子晶体结构的纳米多孔硅生物芯片微阵列的技术；研究在SiO2 基底上的光子晶体纳米多孔硅生物芯片微阵列的制备技术，并在此基础上研究低成本的透射光并行检测方法；研究基于偏振光检测方法的多孔硅光子晶体生物芯片的设计、制备及检测技术；研究利用多孔硅光子晶体结构进一步提高纳米金或纳米银生物芯片检测灵敏度。.纳米多孔硅光子晶体微阵列生物芯片的研究，是一项具有创新性的课题，研究内容全部为微阵列生物芯片研究领域的新内容，目前还未见有文献和专利报道。这一研究将对开发性能优越且低检测成本的微阵列生物芯片有着重要的意义，对于发展生物信息学具有重要的学术意义和社会

本项目充分结合纳米多孔硅优良的生物材料特性和光子晶体独特的光传输性质，对基于多孔硅光子晶体的微阵列生物芯片，进行了探索和创新。. 本项目设计并制备了一种新型高灵敏度多孔硅生物传感器件，它由表面光栅和其下方的高反射多层结构构成。提出了了一种免标记，免光谱设备，测量灵敏度高的生物检测的新方法。该方法利用了多孔硅微腔的光学特性，通过测量反射光强度最小值所对应的入射角度，得到传感器中因发生生物反应而导致的折射率变化，从而实现生物检测。该方法具有设备成本低，测量灵敏度高的特点，传感器的实验分辨率为3.6×10-5RIU。用该方法实现了对DNA的检测，检出限为87nM。. 结合光刻和电化学腐蚀方法，在单晶硅衬底上制备出了多孔硅光子晶体微腔的微阵列器件。为解决光谱仪法不能并行测量微阵列每一阵列单元波长变化的困难，提出了一种适合于阵列折射率变化检测的方法。利用入射到微阵列器件表面上可见波长激光的反射率与器件折射率的关系，将反射率的变化转变成数字图像中对应区域灰度的变化，通过检测数字图像的灰度变化，可实现低于10-3折射率变化的检测。本文的研究结果可应用于生物传感器阵列的快速、实时检测。另外还研究了基于透射式多孔硅光子晶体微腔角度检测装置的生物分子检测方法，开发出一种基于多孔硅的阵列生物芯片。. 通过仿真优化多孔硅微腔的结构参数，首次在SOI硅片上通过电化学腐蚀的方法制备出高Q值的多孔硅微腔生物传感器，实现了高灵敏度的DNA检测。.制备出了宏孔或介孔多孔硅微腔结构，研究了利用氧化还原方法制备出金或银纳米颗粒附着在多孔硅器件衬底上。研究了利用多孔硅巨大的比表面积、多孔硅的光子晶体结构、纳米金或银颗粒三重增强在多孔硅中R6G的荧光；利用多孔硅巨大的比表面积、多孔硅的光子晶体结构双重增强多孔硅中的各类量子点发出的荧光。这些研究将为芯片阵列荧光检测技术和荧光标记生物检测技术的发展提供了一个新的方法。