CN206470188U - 基于复合波导光栅的光学生物传感器 - Google Patents

基于复合波导光栅的光学生物传感器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于复合波导光栅的光学生物传感器，属于复合波导光栅的倒模共振技术领域。本实用新型的技术方案要点为：基于复合波导光栅的光学生物传感器，复合波导光栅的基底材料二氧化硅上生长有一层硅薄膜，该硅薄膜的横向正中部位刻蚀有宽度为fb且纵向长度与硅薄膜纵向长度一致的B区域，B区域的两侧分别均匀等间距fa刻蚀有多个宽度为fc且纵向长度与硅薄膜纵向长度一致的C区域，其中fa+fb+fa+fc＝1μm。本实用新型能够有效解决光学生物传感器灵敏度不高和品质因数不高的问题，复合波导光栅具有结构简单、灵敏度高、品质因数大和检测过程操作简便等特点。

Description

基于复合波导光栅的光学生物传感器
技术领域
本实用新型属于复合波导光栅的倒模共振技术领域，具体涉及一种基于复合波导光栅的光学生物传感器。
背景技术
近年来，生物医疗水平的快速进步，对生物科学的检测和研究提出了新的要求。随着人们对光学器件研究的深入，使其在生物科学领域也有了广泛的应用。当今，科学研究和经济商品中利用光学原理来实现生物传感的光学器件有很多，例如利用电磁波激发金属表面产生的等离子体基元(SPP)，利用其在金属表面上的传输特性来实现生物传感；利用光子晶体的微腔结构，其具有光子能态密度的可操控性来实现生物传感；利用电磁波对周期性介质结构(光栅)的调控形成的衍射，其共振波长和共振谱宽对应结构参数具有灵敏，连续可调控的特性来实现生物传感，以及其他种类的光学生物传感。
生物医疗的发展对生物传感器提出了一些新的更高要求。现代生物医疗需要更便携、更小巧且更灵敏的传感器，可以通过简单的检测操作手段快速而精确检测出所需的检测结果。现在市场普遍应用的SPP光学传感器，因其本身结构存在的问题(金属对电磁波具有无可避免的高损耗)其灵敏度存在一定的不足。
发明内容
本实用新型解决的技术问题是提供了一种基于复合波导光栅的光学生物传感器，该基于复合波导光栅的光学生物传感器能够有效解决光学生物传感器灵敏度不高和品质因数不高的问题。
本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于复合波导光栅的光学生物传感器，包括复合波导光栅，其特征在于：所述复合波导光栅的基底材料二氧化硅上生长有一层硅薄膜，该硅薄膜的横向正中部位刻蚀有宽度为fb且纵向长度与硅薄膜纵向长度一致的B区域，B区域的两侧分别均匀等间距fa刻蚀有多个宽度为fc且纵向长度与硅薄膜纵向长度一致的C区域，其中fa+fb+fa+fc＝1μm。
进一步优选，相邻的C区域及相邻的B区域与C区域之间的间距fa＝0.35μm，B区域的宽度fb＝0.148μm，C区域的宽度fc＝0.152μm。
进一步优选，所述基底材料二氧化硅的折射率n2＝1.48。
进一步优选，所述硅薄膜的折射率n1＝3.48。
进一步优选，所述复合波导光栅的厚度为da＝0.16μm。
本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：该复合波导光栅在纳米、微米的尺度，利于集成到其它器件上；该复合波导光栅支撑的传感器结构更加简单，做成实际的器件可行性更高；该复合波导光栅支撑的传感器检测时不用严格控制所加样本的体积量，为检测提供了很大便利；由该复合波导光栅支撑的传感器灵敏度比单填充因子的倒模共振和表面等离子体传感器的灵敏度更高，品质因数更大。
附图说明
图1为本实用新型中复合波导光栅的结构示意图；
图2为本实用新型中只改变生物液体折射率(n)一个变量时，共振透射峰随波长的响应曲线；
图3为本实用新型中改变生物液体折射率(n)和光栅填充因子fa时，共振透射峰随波长的响应曲线；
图4为本实用新型中不同的光栅填充因子fa对于不同生物液体折射率(n)与波长变化关系的共振透射峰随波长的响应线型曲线；
图5为本实用新型中只改变光栅填充因子fb时对应的共振透射峰的谱宽图；
图6为本实用新型中只改变生物溶液深度d时对应的共振峰随波长的变化关系图。
具体实施方式
结合附图详细描述本实用新型的具体内容。特殊结构的复合波导光栅，各部分结构参数连续可调，周期性结构也可以任意改变。这样就能实现在光栅结构中的倒模共振透射峰与波长的响应随光栅结构(生物液体折射率)的改变而呈现线型变化，这一特性构成传感的基础；还可以通过调节光栅的填充因子来调控该传感器的灵敏度和品质因数，从而使高灵敏度和高品质因数的光学生物传感器得以实现。
光栅结构的光学生物传感器是将折射率为n1的介质按一定的规律周期性排列在基底材料(折射率是n2)上，设置光栅结构中的光栅的厚度为da(沿Z轴的长度)；生物液体的厚度(深度)为d，折射率是n。光栅结构中介质的周期系数为fa，生物溶液的周期系数是fb和fc＝0.3-fb(μm)。物理上，光栅周期性结构受到电磁波的调控会形成单缝衍射和多缝干涉，形成的光谱的模式可以看作许多模式的叠加。当电磁波从基底向光栅结构中传播时，由于在不同介质中电磁波的传播相位不同，会提供一个倒模，当加入不同的生物溶液时，倒模能激发不同的衍射模式，形成一系列的倒模共振。这些倒模共振随着波长会发生偏移，这就构成了传感器的基础。随后对该复合波导光栅结构的各个填充因子进行优化，选取合适的参数，使其共振透射峰对波长的响应在随生物液体的折射率的变化上得到大大提升从而得到灵敏度更高的传感器和更大的品质因数。
在图1中，复合波导光栅的基底材料二氧化硅上生长有一层硅薄膜，该硅薄膜的横向正中部位刻蚀有宽度为fb且纵向长度与硅薄膜纵向长度一致的B区域，B区域的两侧分别均匀等间距fa刻蚀有多个宽度为fc且纵向长度与硅薄膜纵向长度一致的C区域， fa+fb+fa+fc＝1μm，硅薄膜的折射率n1＝3.48，基底材料二氧化硅的折射率n2＝1.48，复合波导光栅的厚度为da＝0.16μm，生物溶液的深度d＝β(μm)，β连续可调。图中B区域和C 区域是盛放生物液体的容器部分，以C区域的中线位置为坐标中心线，光栅结构向中心线的两边(X轴方向)均匀等间距延伸。
在图2中，给出了不同折射率的生物溶液随波长的响应曲线图(此时fa＝0.35(μm)， fb＝0.11(μm)，d＝0.16(μm))，发现不同的生物溶液的共振透射峰随波长是变化的，这就能构成传感器的基础。在图3和图4中，分别给出对应不同折射率的生物溶液和不同的填充因子fa的共振透射峰随波长的响应曲线示意图(此时fb＝0.11(μm)，d＝0.16(μm))，发现不同的填充因子fa对应的光栅结构共振透射峰随波长的变化规律是相似的，但具体的变化程度不同。
对图3进行总结得到图4(折射率变化随波长响应的线型示意图)，发现对应不同的填充因子fa，在加入不同折射率的生物溶液的情况下共振透射峰随波长是线性变化的，这意味着不同折射率的生物溶液和共振峰是一一对应的，这一特性保证了检测结果的精确性。侧面上说，对于未知的生物溶液，能精确的测量它的类型，这在医疗检测中具有重大意义。
在图4中，直线的斜率表示了共振透射峰随波长变化的快慢也就是传感器的灵敏度 (S)，发现对于不同的填充因子fa，其变化的快慢是不同的，对应的fa＝0.35(μm)， fa＝0.25(μm)，fa＝0.18(μm)，它们的S分别是576nm·RIU-1、635nm·RIU-1和 678nm·RIU-1。对比单填充因子光栅结构和SPP类型的光栅传感器，该光学生物传感器的灵敏度是它们的3-5倍。
在图5中，给出了共振透射峰的半高宽(FWHM)随不同填充因子fb的变化示意图(此时fa＝0.35(μm)，d＝0.16(μm)，n＝2.3)，发现随着fb的增大，FWHM越来越小，在(d) 图中fb＝0.13(μm)，FWHM达到了0.5nm。一般的衡量传感器的性能的另一个指标是品质因数，它表示传感器识别光谱的能力，用FOM表示，其中 FOM＝S(nm·RIU-1)/HWHM(nm).相比单填充因子光栅结构和SPP类型的光栅传感器，该光学生物传感器的品质因数提高了大约三个数量级。
在图6中，发现对于不同深度的生物液体(此时fa＝0.35(μm)，fb＝0.11(μm)，n＝2.3)，其共振透射峰随波长几乎是没有变化的，这在实际中就意味着当要测量某一生物溶液时，加入生物溶液体积量的多少是对测量结果是没有影响的。这一特性为实际的测量提供了很大的便利，避免人为精确控制需要加入的生物液体量。
总之，该光学生物传感器的复合波导光栅具有结构简单、灵敏度高、品质因数大和检测过程操作简便等特点。
以上实施例描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型原理的范围下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本实用新型保护的范围内。

Claims (5)

1.基于复合波导光栅的光学生物传感器，包括复合波导光栅，其特征在于：所述复合波导光栅的基底材料二氧化硅上生长有一层硅薄膜，该硅薄膜的横向正中部位刻蚀有宽度为fb且纵向长度与硅薄膜纵向长度一致的B区域，B区域的两侧分别均匀等间距fa刻蚀有多个宽度为fc且纵向长度与硅薄膜纵向长度一致的C区域，其中fa+fb+fa+fc＝1μm。
2.根据权利要求1所述的基于复合波导光栅的光学生物传感器，其特征在于：相邻的C区域及相邻的B区域与C区域之间的间距fa＝0.35μm，B区域的宽度fb＝0.148μm，C区域的宽度fc＝0.152μm。
3.根据权利要求1所述的基于复合波导光栅的光学生物传感器，其特征在于：所述基底材料二氧化硅的折射率n2＝1.48。
4.根据权利要求1所述的基于复合波导光栅的光学生物传感器，其特征在于：所述硅薄膜的折射率n1＝3.48。
5.根据权利要求1所述的基于复合波导光栅的光学生物传感器，其特征在于：所述复合波导光栅的厚度为da＝0.16μm。
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