CN111721708B - 一种利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的装置及方法，所述装置包括用于输出测试目标物的敏感信号，并将敏感信号转换为电信号的硅纳米线传感器，用于为硅纳米线传感器提供预设光照强度的光源；用于调节预设光照强度的光功率调节器以及进行信号处理和反馈的信号处理器。该装置通过在硅纳米线传感器的顶端设置功率可调光源，改变其周围的光照条件，从而实现调控其灵敏度的功能。该方法利用硅纳米线传感器在不同的光照强度下具有不同的响应灵敏度，通过设定合适的光照条件来调控传感器的灵敏度。本发明结构简单，操作方便，对器件没有损伤，可以实现对硅纳米线传感器灵敏度的便捷、有效调控。

Description

一种利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的装置及方法

技术领域

本发明涉及传感器灵敏度控制技术领域，具体涉及一种利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的装置及方法。

背景技术

在过去的十年里，硅纳米线因为在众多领域的广泛应用前景受到了极大的关注。其中在生物传感器方面的研究进展最为巨大。硅纳米线传感器之所以在生物检测领域存在着巨大的应用前景，是因为其超高的灵敏度。而硅纳米线传感器的这种超高灵敏度主要来源于其巨大的比表面积。与体材料相比，大的比表面积使得硅纳米线的表面电势的改变对整体电导率的影响不仅不能忽略，甚至成为主导因素。因此增大硅纳米线的比表面积是提高灵敏度的有效手段。除了增大硅纳米线的比表面积以外，研究人员还给出了其他调控灵敏度的方法，比如选择合适的缓冲液浓度等。

而通过改变硅纳米线传感器周围的光照强度来调节硅纳米线传感器灵敏度的方法，目前为止还没有被提出，本申请中，我们创造性的提出了通过改变硅纳米线周围的光照强度来调节纳米线传感器灵敏度的方法。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明提供一种利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的装置，所述装置包括：

硅纳米线传感器，用于输出测试目标物的敏感信号，并将所述敏感信号转换为电信号；

光源，用于为所述硅纳米线传感器提供预设光照强度；

光功率调节器，用于基于光照强度值和光功率值之间的映射关系，调节所述预设光照强度；

信号处理器，用于接收所述电信号后对接收的电信号进行处理运算，基于处理运算结果向所述光功率调节器传输反馈信号。

进一步的，所述光源上设置有光照强度设定件，用于设定所述预设光照强度。

进一步的，所述光源的输出光功率可调。

进一步的，本发明还提供了一种利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的方法，所述方法通过上述所述的装置实现，所述方法包括：

检测预设光功率下所述硅纳米线传感器的输出电流值I；

获取所述硅纳米线传感器的光响应曲线，其中，所述光响应曲线的横坐标为预设光功率，所述光响应曲线的纵坐标所检测的所述硅纳米线传感器的输出电流；

确定目标灵敏度值所对应的目标功率值；

基于光照强度值与光功率值之间的映射关系，调节所述光源的光照强度至所述目标功率值所对应的光照强度值。

进一步的，所述获取所述硅纳米线传感器的光响应曲线包括：

基于所述输出电流值和所述预设光功率绘制散点图，其中，所述散点图的横坐标为预设光功率，所述散点图的纵坐标为所检测的所述硅纳米线传感器的输出电流；

对所述散点图进行拟合，获取所述硅纳米线传感器的光响应曲线。

在一种可实施的方案中，所述目标灵敏度值为目标点在所述光响应曲线上对应目标点处的切线斜率值。

进一步的，所述检测预设光功率下所述硅纳米线传感器的输出电流值I之前，所述方法还包括：

检测所述硅纳米线传感器的参照输出电流值I₀，参照输出电流为所述光源关闭时所检测出的所述硅纳米线传感器的输出电流。

在另一种可实施的方案中，所述目标灵敏度值为电流相对变化量，所述电流相对变化量为

进一步的，所述基于光照强度值与光功率值之间的映射关系，调节所述光源的光照强度至所述目标功率值所对应的光照强度值之前，所述方法还包括：

建立所述光照强度值与所述光功率值之间的映射关系表，包括：设定光功率计与所述光源至预设位置；

通过所述光照强度设定件设定所述光源的出射光至预设光照强度；

记录预设光照强度所对应的所述光功率计上的光功率值；

基于所述预设光照强度与其对应的光功率值建立所述光照强度值与所述光功率值之间的映射关系。

进一步的，所述检测预设光功率下所述硅纳米线传感器的输出电流I值包括：

将所述硅纳米线传感器与所述信号处理器连接，并记录所述信号处理器上显示的输出电流值I。

本发明通过在硅纳米线传感器的顶端设置功率可调光源，改变其周围的光照条件，从而实现调控其灵敏度的功能。利用硅纳米线传感器在不同的光照强度下具有不同的响应灵敏度，通过设定合适的光照条件来调控传感器的灵敏度。本发明结构简单，操作方便，对器件没有损伤，可以实现对硅纳米线传感器灵敏度的便捷、有效调控。

附图说明

图1为本发明所述的利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的装置的示意图；

图2为本发明所述的利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的方法的流程图；

图3为硅纳米线传感器的光响应曲线图；

图4为硅纳米线传感器在不同光照强度下对PH的响应；

图5是硅纳米线传感器在不同光照强度下对蛋白质的响应。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。可以理解的是，硅纳米线的光响应原理是光激发产生电子空穴对，改变了其内部载流子浓度，宏观上阻值发生变化。通常情况下，光照强度对硅纳米线电导率的影响要比生物样本带来的影响大的多，因此如果使用硅纳米线传感器检测生物样本，必须很好的控制周围的光照条件，保证光照强度的恒定。

合理的设定光照强度能够使得硅纳米线传感器的灵敏度得到提升。这种提升是由于光激发产生的载流子被界面陷阱捕获，在硅纳米线表面形成光致栅压(光照射到硅纳米线上，在硅纳米线内部产生电子空穴对，电子被界面陷阱捕获，形成界面电荷层，使得表面电势发生变化，这种由光照使得表面电势发生的变化即为光致栅压)。硅纳米线的灵敏度随光致栅压变化并不是线性的，因此可以设定合适的光照条件从而产生需要的光致栅压，使得硅纳米线传感器具有最高的灵敏度。

基于此，本发明创造性的提供了一种利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的装置，如图1所示，所述装置包括：

硅纳米线传感器、光源、光功率调节器和信号处理器，具体的，所述硅纳米线传感器用于输出测试目标物的敏感信号，并将所述敏感信号转换为电信号，所述目标物可以为PH或蛋白质或核酸等中的任意一种。

所述光源用于为所述硅纳米线传感器提供预设光照强度，所述光源的输出光功率可调，优选的，所述光源的出射光可以为450nm蓝光。

进一步的，所述光源上设置有光照强度设定件，用于设定所述预设光照强度值。

具体的，所述预设光照强度为在试验过程中所需求的光照强度，在一些可实施的方案中，所述光照强度值可以是离散的数值，例如可以是光源总光照强度的1％或总光照强度的10％或总光照强度的30％；也可以是基于某个步长而梯度改变的数值，例如可以是以光源总光照强度的1％为起始点，以光源总光照总强度的40％为终止点，以1％为步长而梯度变化的1％-40％之间的所有光照强度值，其具体的光照强度值可以根据试验需求设定，上述光照强度值仅是示例性说明，并不对其进行具体限定。

所述光功率调节器用于基于光照强度值和光功率值之间的映射关系，调节所述预设光照强度；具体的，所述光照强度值和所述光功率值之间的映射关系可以在映射关系表中查找，所述映射关系表可以是预先建立好的。在一种可实施的方案中，所述映射关系表可以是基于以下光照强度值的设定进行建立：

检测以光源总光照强度的1％为起始点，以光源总光照总强度的40％为终止点，以1％为步长而梯度变化的1％-40％之间的所有光照强度值所对应的光功率值，建立光照强度值和光功率值之间的映射关系表。

在一种可实施的方案中，可以通过光功率计测试所预设的光照强度的光功率值。具体的，固定所述光源和所述硅纳米线传感器的位置，在所述硅纳米线传感器位置处放置一个光功率计，在所述光源的光照强度设定件上输入预设光照强度值，例如3％(即设定光照强度为光源总光照强度的3％)，记录光功率计上的示数，同理，依次检测其它预设光照强度的光功率，基于检测后的光照强度值与光功率值之间的对应关系建立光照强度值和光功率值之间的映射关系表。如表1所示，表1为部分光照强度值与光功率值之间的映射关系。

表1

所述信号处理器用于接收所述电信号后对接收的电信号进行处理运算，基于处理运算结果向所述光功率调节器传输反馈信号。

进一步的，在另一种可实施的方案中，本发明还创造性的提供了一种利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的方法，所述方法通过上述所述的装置实施，具体的，如图2所示，所述方法包括：

S100、检测预设光功率下所述硅纳米线传感器的输出电流值I；

在一种可实施的方案中，在检测预设光功率下所述硅纳米线传感器的输出电流I时，可以基于光照强度值与光功率值之间的映射关系，以光照强度值为中间转换量，调节照射在所述硅纳米线传感器上的光照强度至预设光功率值的对应光照强度值，从而检测所述硅纳米线传感器在预设光功率下的输出电流值I。

具体的，所述光照强度值和所述光功率值之间的映射关系可以在映射关系表中查找，所述映射关系表可以是预先建立好的。在一种可实施的方案中，所述映射关系表可以是基于以下光照强度值的设定进行建立：

检测以光源总光照强度的1％为起始点，以光源总光照总强度的40％为终止点，以1％为步长而梯度变化的1％-40％之间的所有光照强度值所对应的光功率值，建立光照强度值和光功率值之间的映射关系表。

在一种可实施的方案中，可以通过光功率计测试所预设的光照强度的光功率值。具体的，固定所述光源和所述硅纳米线传感器的位置，在所述硅纳米线传感器位置处放置一个光功率计，在所述光源的光照强度设定件上输入预设光照强度值，例如3％(即设定光照强度为光源总光照强度的3％)，记录光功率计上的示数，同理，依次检测其它预设光照强度的光功率，基于检测后的光照强度值与光功率值之间的对应关系建立光照强度值和光功率值之间的映射关系表。

示例性的，在一种可实施的方案中，表2给出了所述硅纳米线传感器在预设光功率下的输出电流值I。

光功率(W/m<sup>2</sup>)	输出电流I(μA)
		0	0.013
8	1.54
		28.4	2.35
48.6	2.76
		68.1	3.11
86.9	3.32
		104.9	3.54
122.2	3.63

表2

S102、获取所述硅纳米线传感器的光响应曲线；

可以理解的是，在本说明书中，所述光响应为：在硅纳米线输出信号稳定的情况下，改变硅纳米线周围的光照强度，其输出信号发生变化，这种由光照强度发生变化导致的输出信号变化称为硅纳米线传感器的光响应

具体的，所述光响应曲线的横坐标为预设光功率，所述光响应曲线的纵坐标为所述硅纳米线传感器的输出电流；

所述获取所述硅纳米线传感器的光响应曲线可以包括：

基于预设光功率下所检测的所述硅纳米线传感器的输出电流值和所述预设光功率值绘制散点图，其中，所述散点图的横坐标为预设光功率，所述散点图的纵坐标为所述硅纳米线传感器的输出电流值；

对所述散点图进行拟合，获取所述硅纳米线传感器的光响应曲线。

在一种可实施的方案中，所绘制的光响应曲线图，如图3所示。

S104、确定目标灵敏度值所对应的目标功率值；

可以理解的是，所述目标灵敏度值为所需求的硅纳米线传感器的灵敏度值，在上述光响应曲线中，所述目标灵敏度值为目标点在所述光响应曲线上对应目标点处的切线斜率值。

具体的，当所述目标灵敏度值为所述光响应曲线在某点处的斜率值时，所述确定目标灵敏度值所对应的目标功率值包括：

基于所述光响应曲线获取光响应函数，I＝f(P)，可以理解的是曲线拟合为现有技术，曲线函数的获取也为现有技术，其可以遵照以下步骤获取，所述光响应函数I＝f(P)的获取，在这里不再赘述：

(1)绘制散点图，选择合适的曲线类型；

一般根据资料性质结合专业知识便可确定资料的曲线类型，不能确定时，可在方格坐标纸上绘制散点图，根据散点的分布，选择接近的、合适的曲线类型。

(2)进行变量变换；

Y’＝f(Y)，X’＝g(X)，使变换后的两个变量呈直线关系。

(三)按最小二乘法原理求线性方程和方差分析；

(四)将直线化方程转换为关于原变量X、Y的函数表达式。

进一步的，在获取到所述光响应函数后：

对光响应函数求导，得到光响应函数的导函数I'＝f‘(P)。令f‘(P)＝目标灵敏度值，即可解出目标功率值P。

S106、基于光照强度与光功率之间的映射关系，调节所述光源的光照强度至所述目标功率值所对应的光照强度值。

基于上述图3可知，随着光功率的增加(光照强度的增加)，光响应曲线在不同点上的斜率逐渐变小，因此，在光照强度较低的情况下的切线斜率较大，所述硅纳米线传感器的灵敏度更高。

进一步的，本发明实施例中，还给出了对上述结论的反验证方法。具体的，选取PH作为目标物，验证不同光照强度下，所述硅纳米线传感器对PH的灵敏度响应。

具体步骤包括：在光照强度为所述光源最大光照强度的6％的光照射下，分别测试该硅纳米线传感器对pH＝4和pH＝10的缓冲液的响应，并记录响应电流值。具体包括：

S300、将硅纳米线传感器接入信号处理器；

S302、待所述硅纳米线传感器输出信号稳定以后，向所述硅纳米线传感器表面滴加pH＝4的缓冲液；

S304、待所述硅纳米线传感器的输出信号稳定后，使用移液枪将硅纳米线传感器表面的缓冲液吸掉；

S306、待所述硅纳米线传感器输出信号稳定后，再次向所述硅纳米线传感器便面滴加pH＝10的缓冲液；

S308、待输出信号稳定以后记录输出电流。

提升光照强度为所述光源最大光照强度的30％，重复上述步骤S300-S308，提升光照强度至所述光源的最大光照强度的90％，重复上述步骤S300-S308。

基于上述测试的结果，建立光照强度-PH值-输出电流之间的对应关系表，如表3所示。

光照强度	PH值	电流	PH值	电流
					6％	4	5.98	10	3.01
30％	4	8.99	10	6.85
					90％	4	9.76	10	7.72

表3

可以理解的是，如表3所示，得到的是散点电流值，在散点值的情况下，可以通过电流相对变化量来表示目标灵敏度值。其中，电流相对变化量ΔI'/I₀'＝(I'-I₀')/I₀'，其中，I₀'为硅纳米线传感器对pH＝4的缓冲液响应电流为，I'为硅纳米线传感器对pH＝10的缓冲液的响应电流为，进一步的，分别计算在上述三个光照强度下的ΔI'/I₀'＝(I'-I₀')/I₀'的值，结果如图4所示。

从图中可以看出，在光照强度为所述光源的最大光照强度的6％情况下，所述硅纳米线传感器对pH的灵敏度比光照强度为所述光源的最大光照强度的30％以及光照强度为所述光源的最大光照强度的90％时要大，并且随着光照强度的增加，硅纳米线传感器对pH的灵敏度越来越小，这与上述响应曲线的斜率随光强增加而减小的规律一致。

进一步的，目标物还可以是蛋白或核酸等其它物质。本实施例中还给出了硅纳米线传感器在不同光照强度下对核酸的响应，其响应如图5所示。从图中可以看出，在光照强度为所述光源的最大光照强度的6％情况下，所述硅纳米线传感器对pH的灵敏度比光照强度为所述光源的最大光照强度的30％以及光照强度为所述光源的最大光照强度的90％时要大，并且随着光照强度的增加，硅纳米线传感器对蛋白质的灵敏度越来越小，这与上述响应曲线的斜率随光强增加而减小的规律一致。

Claims (7)

1.一种利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述方法通过利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的装置实现，所述装置包括：

硅纳米线传感器，用于输出测试目标物的敏感信号，并将所述敏感信号转换为电信号；

光源，用于为所述硅纳米线传感器提供预设光照强度，所述光源上设置有光照强度设定件，用于设定所述预设光照强度，所述光源的输出光功率可调；

光功率调节器，用于基于光照强度值和光功率值之间的映射关系，调节所述预设光照强度；

信号处理器，用于接收所述电信号后对接收的电信号进行处理运算，基于处理运算结果向所述光功率调节器传输反馈信号；

所述方法包括：

检测预设光功率下所述硅纳米线传感器的输出电流值I；

获取所述硅纳米线传感器的光响应曲线，其中，所述光响应曲线的横坐标为预设光功率，所述光响应曲线的纵坐标为所述硅纳米线传感器的输出电流值；

确定目标灵敏度值所对应的目标功率值；

基于光照强度值与光功率值之间的映射关系，调节所述光源的光照强度至所述目标功率值所对应的光照强度值。

2.根据权利要求1所述的利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述获取所述硅纳米线传感器的光响应曲线包括：

基于预设光功率下所检测的所述硅纳米线传感器的输出电流值和所述预设光功率绘制散点图，其中，所述散点图的横坐标为预设光功率，所述散点图的纵坐标为所述硅纳米线传感器的输出电流值；

对所述散点图进行拟合，获取所述硅纳米线传感器的光响应曲线。

3.根据权利要求2所述的利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述目标灵敏度值为目标点在所述光响应曲线上对应目标点处的切线斜率值。

4.根据权利要求1所述的利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述检测预设光功率下所述硅纳米线传感器的输出电流值I之前，所述方法还包括：

检测所述硅纳米线传感器的参照输出电流值I₀，参照输出电流为所述光源关闭时所检测出的所述硅纳米线传感器的输出电流。

5.根据权利要求4所述的利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述目标灵敏度值为电流相对变化量，所述电流相对变化量为

6.根据权利要求1所述的利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述基于光照强度值与光功率值之间的映射关系，调节所述光源的光照强度至所述目标功率值所对应的光照强度值之前，所述方法还包括：

建立所述光照强度值与所述光功率值之间的映射关系表，包括：

设定光功率计与所述光源至预设位置；

通过所述光照强度设定件设定所述光源的出射光至预设光照强度；

记录预设光照强度所对应的所述光功率计上的光功率值；

基于所述预设光照强度与其对应的光功率值建立所述光照强度值与所述光功率值之间的映射关系。

7.根据权利要求1所述的利用光调控硅纳米线传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述检测预设光功率下所述硅纳米线传感器的输出电流I值包括：

将所述硅纳米线传感器与所述信号处理器连接，并记录所述信号处理器上显示的输出电流值I。

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