Zero-mode waveguide device with microlens for enhancing fluorescence signal intensity

Bo-wen FU; Zhen GUO; Peng-fei YU; Chuan-yu LI; Zhi-qi ZHANG; Lian-qun ZHOU

doi:10.37188/OPE.20212908.1921

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Zero-mode waveguide device with microlens for enhancing fluorescence signal intensity

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2021-09-01

- Zero-mode waveguide device with microlens for enhancing fluorescence signal intensity
- Optics and Precision Engineering Vol. 29, Issue 8, Pages: 1921-1930(2021)
- 作者机构：
  
  1.复旦大学工程与应用技术研究院，上海 200433
  2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州 215163
  3.中国科学院生物医学检验技术重点实验室，江苏苏州 215163
  4.季华实验室，广东佛山 528200
  5.中国科学技术大学，安徽合肥 230026
  6.苏州国科芯感医疗科技有限公司，江苏苏州 215163
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20212908.1921
  CLC： TP212.3
- Received：02 March 2021，
  
  Revised：12 March 2021，
  
  Published：15 August 2021
- 稿件说明：
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付博文,郭振,俞鹏飞等.含微透镜的零模波导器件用于增强荧光信号强度[J].光学精密工程,2021,29(08):1921-1930.

FU Bo-wen,GUO Zhen,YU Peng-fei,et al.Zero-mode waveguide device with microlens for enhancing fluorescence signal intensity[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(08):1921-1930.
付博文,郭振,俞鹏飞等.含微透镜的零模波导器件用于增强荧光信号强度[J].光学精密工程,2021,29(08):1921-1930. DOI： 10.37188/OPE.20212908.1921.

FU Bo-wen,GUO Zhen,YU Peng-fei,et al.Zero-mode waveguide device with microlens for enhancing fluorescence signal intensity[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(08):1921-1930. DOI： 10.37188/OPE.20212908.1921.

摘要

本文设计并研制了一种改进的零模波导器件，采用此种器件实现了荧光信号的增强，解决了荧光串扰等问题。采用微纳加工手段实现了这一器件的制备，该器件通过微透镜与纳米孔的结合减少了荧光的发散角，荧光的相长干涉增强了检测信号的强度。具体地，采用电子束光刻制备了直径可控的纳米孔阵列，结合紫外光刻及反应离子刻蚀实现了角度可调的微透镜阵列，并采用ImageJ读取荧光灰度值进行了信号比对。通过与未改进的零模波导器件相比，改进后的器件其荧光信号增强了14.5倍，信噪比提升了9倍。通过SEM表征，该器件的纳米孔直径为（100.3±4.9 ）nm；微透镜倾角（21.1±0.7）°。改进的零模波导器件在增强了荧光信号的同时有效减少了荧光串扰的问题，相关研究对微弱荧光检测、荧光串扰等问题提供了一种可行的解决思路。

Abstract

In this study， an improved zero-mode waveguide device is designed and developed. This device is used to enhance fluorescence signal intensity and eliminate fluorescence crosstalk. The device is fabricated using micro/nanofabrication technologies. It reduces the divergence angle of fluorescence through a combination of a microlens and nanopores； the constructive interference of fluorescence enhances the intensity of the detection signal. Specifically， electron beam lithography is used to prepare a nanohole array with a controllable diameter， and a microlens array with an adjustable angle is fabricated by combining ultraviolet lithography and reactive ion etching. ImageJ is used to read the fluorescence gray value for signal comparison. Compared with a standard zero-film waveguide device， the improved device increases the fluorescence signal intensity by 14.5 times and the signal-to-noise ratio by 9 times. As determined through SEM characterization， the nanopore diameter of the device is （100.3 ± 4.9） nm， and the inclination angle of the microlens is （21.1 ± 0.7）°. The improved zero-mode waveguide device can effectively mitigate fluorescence crosstalk while enhancing fluorescence signal intensity. Related research provides a feasible solution to the problems of weak fluorescence detection and fluorescence crosstalk.

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