本發(fā)明屬于復(fù)合波導(dǎo)光柵的倒模共振技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于復(fù)合波導(dǎo)光柵的光學(xué)生物傳感器。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，生物醫(yī)療水平的快速進(jìn)步，對(duì)生物科學(xué)的檢測(cè)和研究提出了新的要求。隨著人們對(duì)光學(xué)器件研究的深入，使其在生物科學(xué)領(lǐng)域也有了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)今，科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)商品中利用光學(xué)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)生物傳感的光學(xué)器件有很多，例如利用電磁波激發(fā)金屬表面產(chǎn)生的等離子體基元(SPP)，利用其在金屬表面上的傳輸特性來(lái)實(shí)現(xiàn)生物傳感；利用光子晶體的微腔結(jié)構(gòu)，其具有光子能態(tài)密度的可操控性來(lái)實(shí)現(xiàn)生物傳感；利用電磁波對(duì)周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)(光柵)的調(diào)控形成的衍射，其共振波長(zhǎng)和共振譜寬對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)具有靈敏，連續(xù)可調(diào)控的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)生物傳感，以及其他種類的光學(xué)生物傳感。

生物醫(yī)療的發(fā)展對(duì)生物傳感器提出了一些新的更高要求。現(xiàn)代生物醫(yī)療需要更便攜、更小巧且更靈敏的傳感器，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的檢測(cè)操作手段快速而精確檢測(cè)出所需的檢測(cè)結(jié)果?，F(xiàn)在市場(chǎng)普遍應(yīng)用的SPP光學(xué)傳感器，因其本身結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題(金屬對(duì)電磁波具有無(wú)可避免的高損耗)其靈敏度存在一定的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種基于復(fù)合波導(dǎo)光柵的光學(xué)生物傳感器，該基于復(fù)合波導(dǎo)光柵的光學(xué)生物傳感器能夠有效解決光學(xué)生物傳感器靈敏度不高和品質(zhì)因數(shù)不高的問(wèn)題。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案，基于復(fù)合波導(dǎo)光柵的光學(xué)生物傳感器，包括復(fù)合波導(dǎo)光柵，其特征在于：所述復(fù)合波導(dǎo)光柵的基底材料二氧化硅上生長(zhǎng)有一層硅薄膜，該硅薄膜的橫向正中部位刻蝕有寬度為f_b且縱向長(zhǎng)度與硅薄膜縱向長(zhǎng)度一致的B區(qū)域，B區(qū)域的兩側(cè)分別均勻等間距f_a刻蝕有多個(gè)寬度為f_c且縱向長(zhǎng)度與硅薄膜縱向長(zhǎng)度一致的C區(qū)域，其中f_a+f_b+f_a+f_c＝1μm。

進(jìn)一步優(yōu)選，相鄰的C區(qū)域及相鄰的B區(qū)域與C區(qū)域之間的間距f_a＝0.35μm，B區(qū)域的寬度f(wàn)_b＝0.148μm，C區(qū)域的寬度f(wàn)_c＝0.152μm。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述基底材料二氧化硅的折射率n₂＝1.48。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述硅薄膜的折射率n₁＝3.48。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述復(fù)合波導(dǎo)光柵的厚度為d_a＝0.16μm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：該復(fù)合波導(dǎo)光柵在納米、微米的尺度，利于集成到其它器件上；該復(fù)合波導(dǎo)光柵支撐的傳感器結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，做成實(shí)際的器件可行性更高；該復(fù)合波導(dǎo)光柵支撐的傳感器檢測(cè)時(shí)不用嚴(yán)格控制所加樣本的體積量，為檢測(cè)提供了很大便利；由該復(fù)合波導(dǎo)光柵支撐的傳感器靈敏度比單填充因子的倒模共振和表面等離子體傳感器的靈敏度更高，品質(zhì)因數(shù)更大。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中復(fù)合波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中只改變生物液體折射率(n)一個(gè)變量時(shí)，共振透射峰隨波長(zhǎng)的響應(yīng)曲線；

圖3為本發(fā)明中改變生物液體折射率(n)和光柵填充因子f_a時(shí)，共振透射峰隨波長(zhǎng)的響應(yīng)曲線；

圖4為本發(fā)明中不同的光柵填充因子f_a對(duì)于不同生物液體折射率(n)與波長(zhǎng)變化關(guān)系的共振透射峰隨波長(zhǎng)的響應(yīng)線型曲線；

圖5為本發(fā)明中只改變光柵填充因子f_b時(shí)對(duì)應(yīng)的共振透射峰的譜寬圖；

圖6為本發(fā)明中只改變生物溶液深度d時(shí)對(duì)應(yīng)的共振峰隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體內(nèi)容。特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合波導(dǎo)光柵，各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)連續(xù)可調(diào)，周期性結(jié)構(gòu)也可以任意改變。這樣就能實(shí)現(xiàn)在光柵結(jié)構(gòu)中的倒模共振透射峰與波長(zhǎng)的響應(yīng)隨光柵結(jié)構(gòu)(生物液體折射率)的改變而呈現(xiàn)線型變化，這一特性構(gòu)成傳感的基礎(chǔ)；還可以通過(guò)調(diào)節(jié)光柵的填充因子來(lái)調(diào)控該傳感器的靈敏度和品質(zhì)因數(shù)，從而使高靈敏度和高品質(zhì)因數(shù)的光學(xué)生物傳感器得以實(shí)現(xiàn)。

光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)生物傳感器是將折射率為n₁的介質(zhì)按一定的規(guī)律周期性排列在基底材料(折射率是n₂)上，設(shè)置光柵結(jié)構(gòu)中的光柵的厚度為d_a(沿Z軸的長(zhǎng)度)；生物液體的厚度(深度)為d，折射率是n。光柵結(jié)構(gòu)中介質(zhì)的周期系數(shù)為f_a，生物溶液的周期系數(shù)是f_b和f_c＝0.3-f_b(μm)。物理上，光柵周期性結(jié)構(gòu)受到電磁波的調(diào)控會(huì)形成單縫衍射和多縫干涉，形成的光譜的模式可以看作許多模式的疊加。當(dāng)電磁波從基底向光柵結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，由于在不同介質(zhì)中電磁波的傳播相位不同，會(huì)提供一個(gè)倒模，當(dāng)加入不同的生物溶液時(shí)，倒模能激發(fā)不同的衍射模式，形成一系列的倒模共振。這些倒模共振隨著波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移，這就構(gòu)成了傳感器的基礎(chǔ)。隨后對(duì)該復(fù)合波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的各個(gè)填充因子進(jìn)行優(yōu)化，選取合適的參數(shù)，使其共振透射峰對(duì)波長(zhǎng)的響應(yīng)在隨生物液體的折射率的變化上得到大大提升從而得到靈敏度更高的傳感器和更大的品質(zhì)因數(shù)。

在圖1中，復(fù)合波導(dǎo)光柵的基底材料二氧化硅上生長(zhǎng)有一層硅薄膜，該硅薄膜的橫向正中部位刻蝕有寬度為f_b且縱向長(zhǎng)度與硅薄膜縱向長(zhǎng)度一致的B區(qū)域，B區(qū)域的兩側(cè)分別均勻等間距f_a刻蝕有多個(gè)寬度為f_c且縱向長(zhǎng)度與硅薄膜縱向長(zhǎng)度一致的C區(qū)域，f_a+f_b+f_a+f_c＝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，復(fù)合波導(dǎo)光柵的厚度為d_a＝0.16μm，生物溶液的深度d＝β(μm)，β連續(xù)可調(diào)。圖中B區(qū)域和C區(qū)域是盛放生物液體的容器部分，以C區(qū)域的中線位置為坐標(biāo)中心線，光柵結(jié)構(gòu)向中心線的兩邊(X軸方向)均勻等間距延伸。

在圖2中，給出了不同折射率的生物溶液隨波長(zhǎng)的響應(yīng)曲線圖(此時(shí)f_a＝0.35(μm)，f_b＝0.11(μm)，d＝0.16(μm))，發(fā)現(xiàn)不同的生物溶液的共振透射峰隨波長(zhǎng)是變化的，這就能構(gòu)成傳感器的基礎(chǔ)。在圖3和圖4中，分別給出對(duì)應(yīng)不同折射率的生物溶液和不同的填充因子f_a的共振透射峰隨波長(zhǎng)的響應(yīng)曲線示意圖(此時(shí)f_b＝0.11(μm)，d＝0.16(μm))，發(fā)現(xiàn)不同的填充因子f_a對(duì)應(yīng)的光柵結(jié)構(gòu)共振透射峰隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律是相似的，但具體的變化程度不同。

對(duì)圖3進(jìn)行總結(jié)得到圖4(折射率變化隨波長(zhǎng)響應(yīng)的線型示意圖)，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)不同的填充因子f_a，在加入不同折射率的生物溶液的情況下共振透射峰隨波長(zhǎng)是線性變化的，這意味著不同折射率的生物溶液和共振峰是一一對(duì)應(yīng)的，這一特性保證了檢測(cè)結(jié)果的精確性。側(cè)面上說(shuō)，對(duì)于未知的生物溶液，能精確的測(cè)量它的類型，這在醫(yī)療檢測(cè)中具有重大意義。

在圖4中，直線的斜率表示了共振透射峰隨波長(zhǎng)變化的快慢也就是傳感器的靈敏度(S)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的填充因子f_a，其變化的快慢是不同的，對(duì)應(yīng)的f_a＝0.35(μm)，f_a＝0.25(μm)，f_a＝0.18(μm)，它們的S分別是576nm·RIU^-1、635nm·RIU^-1和678nm·RIU^-1。對(duì)比單填充因子光柵結(jié)構(gòu)和SPP類型的光柵傳感器，該光學(xué)生物傳感器的靈敏度是它們的3-5倍。

在圖5中，給出了共振透射峰的半高寬(FWHM)隨不同填充因子f_b的變化示意圖(此時(shí)f_a＝0.35(μm)，d＝0.16(μm)，n＝2.3)，發(fā)現(xiàn)隨著f_b的增大，F(xiàn)WHM越來(lái)越小，在對(duì)于的(d)圖(f_b＝0.13(μm))FWHM達(dá)到了0.5nm。一般的衡量傳感器的性能的另一個(gè)指標(biāo)是品質(zhì)因數(shù)，它表示傳感器識(shí)別光譜的能力，用FOM表示，其中FOM＝S(nm·RIU^-1)/HWHM(nm).相比單填充因子光柵結(jié)構(gòu)和SPP類型的光柵傳感器，該光學(xué)生物傳感器的品質(zhì)因數(shù)提高了大約三個(gè)數(shù)量級(jí)。

在圖6中，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同深度的生物液體(此時(shí)f_a＝0.35(μm)，f_b＝0.11(μm)，n＝2.3)，其共振透射峰隨波長(zhǎng)幾乎是沒(méi)有變化的，這在實(shí)際中就意味著當(dāng)要測(cè)量某一生物溶液時(shí)，加入生物溶液體積量的多少是對(duì)測(cè)量結(jié)果是沒(méi)有影響的。這一特性為實(shí)際的測(cè)量提供了很大的便利，避免人為精確控制需要加入的生物液體量。

總之，該光學(xué)生物傳感器的復(fù)合波導(dǎo)光柵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、品質(zhì)因數(shù)大和檢測(cè)過(guò)程操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

以上實(shí)施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)均落入本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。