一种用于体外HER2抗原检测的高鲁棒性生物传感器的制作方法

本发明涉及光学检测芯片，尤其涉及一种用于体外her2抗原检测的高鲁棒性生物传感器。

背景技术：

1、随着生物医学需求的不断增加，超低浓度的无标记生物检测技术成为早期诊断、精准医学和药物开发中的关键技术。光学生物传感器凭借高灵敏度、抗电磁干扰和非接触读取等优势备受关注。在无标记光学生物传感技术中，目标分析物以其自然形式存在，当含有目标分析物的液体与传感器接触时，传感器表面的识别单元会特异性地捕获目标分析物，并导致结构表面的光学属性（如折射率、吸光率）发生变化，进而改变器件的光学响应，兼具易用、低成本、快速响应和实时监测能力。在众多光学传感技术中，bics因其能实现极高的品质因子（q因子）和局域化增强的光与物质相互作用，近年来成为高灵敏度光学传感器设计的重要物理机制。

2、近年来，bics为高q值光学器件的设计提供了新机遇。光学bic是位于辐射连续域内的一种特殊束缚态，其辐射被完全抑制，根据辐射抑制机制的差异，通常可分为对称保护型与偶发型两类，在理想情况下，bic具有无限大的q因子和高度局域化的电磁模场。然而，在实际结构中，由于激励偏差、尺寸限制、材料吸收和制备误差等因素，bic会退化为准bic（quasi-bic），其q因子为有限值，这对其实际制备提出了较高要求。

3、为了解决这些长期存在的问题，合并bic被提出并实现了。其中多个拓扑电荷被调整为彼此非常接近，可以扩大具有高q因子的准bic的动量范围，并抑制结构无序引起的面外散射损失。合并bic的本质是通过调节波矢或结构参数，使多个原本孤立的bic在参数空间中逐渐靠近并最终合并，当两个bic模式未完全合并时（即近合并），原本应随系统参数急剧衰减的q因子会在特定参数区间内被“拉平”，使得对应模式的性能对该区间内的参数扰动不敏感。这一特性赋予了合并bic抵抗扰动的能力。因此其在实现增强二次谐波生成、激光以及高鲁棒性的光学传感平台方面具有巨大的研究价值和应用潜力。

4、尽管如此，现有设计仍面临一些挑战。目前关于合并bic的研究多依赖于对称保护型bic与偶发型bic的组合。现有合并bic结构通常通过调节不同类型bic在动量空间中的相对位置，使多个原本分离的q因子发散点相互靠近。对于位于布里渊区中心以外的bic或准bic，共振读取通常需要通过角分辨或斜入射方式选择相应的面内波矢，增加了光路调节和器件集成的复杂性。此外，在具有衬底、有限阵列尺寸以及加工偏差的实际器件中，理想bic的辐射抑制条件会受到破坏，其高q特性可能明显下降。因此，如何利用可加工的平面介质结构获得近合并bic，并在生物功能化、液体流动和长时间检测条件下保持稳定的可测共振，仍是需要解决的技术问题。与此同时，鲁棒性作为许多光学应用的关键需求，尚未在合并bic的研究中得到系统性探索。此外，基于合并bic的光学传感器大多停留在体折射率灵敏度传感方面。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种用于体外her2抗原检测的高鲁棒性生物传感器。

2、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

3、一种用于体外her2抗原检测的高鲁棒性生物传感器，包括传感器本体；所述传感器本体包括基底层和设置于所述基底层上的晶胞阵列；所述晶胞阵列包括多个晶胞单元结构；所述晶胞单元结构包括第一方形柱与第二方形柱紧密排列构成的凸字形结构；所述第一方形柱与第二方形柱的高度相同；所述第一方形柱的边长为w1，满足180nm＜w1≤250nm；所述第二方形柱的边长为w2，满足100nm≤w2≤180nm；所述传感器本体的表面设置her2识别功能层后与微流控夹具集成，以构成用于体外her2抗原检测的高鲁棒性生物传感器。

4、在本发明的一实施例中，所述基底层包括衬底与波导层；所述晶胞阵列设置在所述波导层上。

5、在本发明的一实施例中，所述衬底材料为硅、石英或者玻璃。

6、在本发明的一实施例中，所述波导层的高度为tw，满足200nm≤tw≤220nm。

7、在本发明的一实施例中，所述tw=200nm。

8、在本发明的一实施例中，多个所述晶胞单元结构在第一方向和第二方向上周期性的排列在所述基底层上，多个所述晶胞单元结构在第一方向和第二方向的排列周期均为p；所述第一方向垂直于所述第二方向；所述p为590-620nm。

9、在本发明的一实施例中，所述晶胞单元结构的材料为氮化硅或者二氧化钛介质材料；折射率为1.8-2.5。

10、在本发明的一实施例中，所述第一方形柱与第二方形柱的高度为tg，满足80nm≤tg≤120nm。

11、在本发明的一实施例中，所述w1=183nm；所述w2=122nm；所述tg=100nm；所述晶胞单元结构的排列周期为610nm。

12、在本发明的一实施例中，所述her2识别功能层依次通过以下步骤形成：羟基化处理、硅烷化、固定protein g、固定her2抗体、bsa封闭。

13、本发明的有益效果是：（1）与传统基于单一共振模式的超表面传感结构具有本质区别。本发明采用双对称保护型bic合并机制，在动量空间形成双q因子发散点结构。通过结构几何参数调控实现两个对称保护型bic的耦合与合并，在特定参数区间内实现q因子分布的“平坦化”。该机制避免了对偶发型bic的依赖，在保持超高品质因子的同时显著增强了结构对加工误差和参数扰动的容忍度，提升了器件稳定性与可重复性；

14、（2）所述超表面结构的周期为590-620nm，氮化硅波导层厚度为100-250nm，图案层厚度为80-120nm，“凸”字形结构的两个方形柱宽度w1、w2在100-250nm范围内且w1≠w2，其中w1、w2的取值使得两个对称保护型bic模式在动量空间中实现合并；

15、（3）本发明提供的全介质周期性纳米结构为氮化硅超表面阵列结构，无需金属材料参与，不存在金属吸收损耗问题。由于全介质材料具有低光学损耗特性，能够支持高品质因子共振模式，同时增强电磁场在纳米结构表面的局域分布，显著提升光场能量密度与场-物质重叠因子，从而增强传感灵敏度；

16、（4）本发明提供的双对称保护型合并bic超表面结构，其高q特性在一定几何参数扰动范围内保持稳定，实现对结构尺寸微小偏差的鲁棒响应。相比传统单bic或准bic结构对参数极端敏感的缺陷，本发明在实际加工条件下更易获得高性能器件，降低了制备难度与成本，提高了器件一致性；

17、（5）本发明所构建的超表面芯片与微流控系统集成，芯片本身作为开放式平面传感平台，可直接与液体样品接触，实现对待测生物溶液的实时传输与检测。该结构避免了复杂光学腔体封装过程，简化了系统结构，提高了检测效率，并有利于连续流动检测与动态监测；

18、（6）本发明所支持的合并bic共振模式具有极高的品质因子和显著增强的近场局域能力，使得微小的折射率变化即可引起明显的共振波长漂移。通过对反射光谱峰位变化的高分辨率监测，可实现对极微弱分子结合事件的响应，从而实现对低浓度her2蛋白的高灵敏检测；

19、（7）本发明采用protein g定向固定抗体、bsa封闭未结合位点的表面功能化策略，显著提高抗体取向一致性和抗原结合效率，减少非特异性吸附，提高检测特异性和信噪比。该方法保证了分子结合过程的可控性和重复性，为高精度定量检测提供了可靠基础；

20、（8）本发明所提出的双q发散点耦合机制在一定参数区间内维持高q状态，使传感器在复杂生物环境下仍能保持稳定响应。该特性使其在低浓度甚至皮摩尔量级检测中具有显著优势，检测极限可低至1pm，适用于肿瘤标志物早期筛查等高要求应用场景；

21、（9）本发明中所构建的传感检测系统结构紧凑、光路简单，易于与常规光谱检测设备集成，系统搭建成本低，操作流程简便，具有良好的工程化应用前景和临床推广潜力。