共振波长对导模共振生物传感器灵敏度的影响.pdfVIP

第32卷，第2期 光谱学与光谱分析 2 01 and 2年2月 Spectroscopy Analysis Spectral February，2012 共振波长对导模共振生物传感器灵敏度的影响 贾克辉，马军山+ 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093 摘要导模共振生物传感器由于具有微型化、免标签、高通量和实时检测等优势被广泛研究。利用严格耦 合波理论分析了该生物传感器对样品折射率和厚度的灵敏度随共振波长的变化规律。当样品厚度和共振波 长一定时，其折射率灵敏度恒定；随着共振波长的增大，折射率灵敏度显著提高。当样品折射率和共振波长 一定时，厚度灵敏度随着厚度的增加而降低，最后趋近于o；当共振波长增加时，厚度灵敏度明显提高，厚 度测量范围增大。结果表明：选取较长的共振波长有利于样品的检测和分析。 关键词 导模共振生物传感器；共振波长；灵敏度 中图分类号：TP212．3文献标识码：A 共振波长的优选提供依据。 引 言 1计算模型 自从Magnusson[1]提出导模共振效应以来，研究者们进 行了大量的理论研究[2’3]。近年来，基于导模共振效应的应 导模共振滤光片有单层、双层和多层等多种结构[1“，无 用研究正逐渐发展起来。导模共振生物传感器由于具有微型 论哪种几何结构，只要选择合适的材料和几何参数即可产生 化、免标签、高通量和实时检测的特点，已经成为研究热 导模共振效应。基于制备条件和光学性能的综合考虑，采用 点[4’5]。近期，Cunningham课题组已经研发出生物传感器阵了一个经典的导模共振滤光片模型：它由表面浮雕光栅和波 列芯片[6]。导模共振生物传感器以导模共振滤光片作为核心 导层组成，光栅材料常用低折射率介质材料，本模型为 器件，使用包含共振波长的宽光谱光源以固定角度照射该器 si02，波导层材料常用大于基底和覆盖层的高折射率介质材 05，Ta2 件，当满足共振条件时，在共振波长处出现一个窄带反射 料，诸如Nb2 05，Ti02，si3N4，Hf02等，从而确保 峰。当在生物传感器表面放置生物样品，或是生物样品发生 有光波在波导中传播，本模型采用Hf02，基底为熔融石英， 浓度变化、相互反应时，表面光栅的等效折射率和厚度发生 具体参数如图1所示。由于生物样品对不同波长光的吸收和 变化，因而使波导的边界条件改变，在波导中传播的光波因 散射情况不同，低于800 nrn的光在生物样品中散射较 边界条件改变而导致共振波长漂移，依据这一性质可进行一 大[1“，而高于1300ilia的光会被样品中的水分吸收[1“，因 系列的生物检测[7’8]。 此导模共振生物传感器的共振波长应该选取在8001300 通常人们在研究导模共振生物传感器时，都是在某一固 nlTl之间。为了研究共振波长和灵敏度的关系，我们通过调 定共振波长的前提下选择材料和优化几何结构参数[9]，从而 整光栅的周期，构建了5个导模共振生物传感器，其共振波 实现高的检测灵敏度。且不同研究者采用的共振波长也相差 064，1 250 长分别为830，904，1 150和1nlTl。波长周期比 较大[10’“]。在已知的研究工作中，导模共振生物传感器的灵 介于基底和波导层折射率之间，从而确保波导中只