含微透镜的零模波导器件用于增强荧光信号强度

付博文; 郭振; 俞鹏飞; 李传宇; 张芷齐; 周连群

doi:10.37188/OPE.20212908.1921

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含微透镜的零模波导器件用于增强荧光信号强度

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2021-09-01

- 含微透镜的零模波导器件用于增强荧光信号强度
- Zero-mode waveguide device with microlens for enhancing fluorescence signal intensity
- 光学精密工程 2021年29卷第8期页码：1921-1930
- 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：
  
  [ "付博文（1996-），男，辽宁沈阳人，硕士，2018年于东北大学获得学士学位，现为复旦大学工程与应用技术研究院硕士研究生，主要从微机电系统与微纳加工工艺方面的研究。E-mail：18210860044@fudan.edu.cn" ]
  [ "周连群（1981-），男，山东金乡人，研究员，博士生导师，2010年获法国Université de Franche-Comté 大学科学工程专业博士学位和中科院研究生院工学博士学位，主要研究方向：微纳生物传感器及系统。E-mail：zhoulq@sibet.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2018YFF01011003);国家自然科学基金青年基金项目(61874133;61901469;22005331);江苏省重点研究开发项目(BE2019684;BE2018080;BE2020768);江苏省政策引导类计划(BZ2019069);季华实验室资助项目(X190181TD190);中科院青年创新促进会资助项目(2019322;2018360;201856);中国科学院科研仪器设备研制项目(YJKYYQ20200046;YJKYYQ20190057);中国科学院重大科研仪器研制项目(ZDKYYQ20210004);苏州市科技支撑计划资助项目(SYG201907);中国科学院苏州生物医学工程技术研究所自主部署项目(Y851591105;E055011301)
- DOI：10.37188/OPE.20212908.1921
  中图分类号： TP212.3
- 收稿日期：2021-03-02，
  
  修回日期：2021-03-12，
  
  纸质出版日期：2021-08-15
- 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.

关键词

Keywords

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