基于對(duì)稱金屬包覆波導(dǎo)的高靈敏度光生化傳感器的研究.pdf

1、光生化傳感器基本的作用是將某種生化參量(如，某種化學(xué)物質(zhì)、生物分子、生化結(jié)構(gòu)或某些微生物的性狀變化或濃度變化等)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远ㄐ曰蚨繙y(cè)量的光信號(hào)的變化。這樣，通過(guò)精確的測(cè)量光信號(hào)的變化，我們就可以對(duì)某一生化反應(yīng)過(guò)程中某些感興趣的過(guò)程或參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于具有高靈敏度、快速響應(yīng)等特征，光生化傳感器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)的檢測(cè)、生物化學(xué)基礎(chǔ)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)、現(xiàn)代工業(yè)和食品檢測(cè)等等領(lǐng)域中。 導(dǎo)波光學(xué)問(wèn)世以來(lái)，一直受到學(xué)術(shù)界和技術(shù)界的高度重

2、視。在其發(fā)展的推動(dòng)下，光生化傳感器已經(jīng)發(fā)展出了多種具有較高靈敏度的傳感結(jié)構(gòu)。其中，又以表面等離子共振傳感器和泄漏模波導(dǎo)傳感器最具有代表性和前沿性。但隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，多種應(yīng)用場(chǎng)合都對(duì)光生化傳感器的靈敏度提出了更高的要求。 本文利用導(dǎo)波光學(xué)理論，在介紹一般介質(zhì)平板波導(dǎo)的基礎(chǔ)上，著重分析了對(duì)稱金屬包覆波導(dǎo)的特性。對(duì)稱金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由上下金屬包覆層和夾在中間的導(dǎo)波層組成。其中，上層金屬膜比較薄，入射光一般經(jīng)過(guò)這一層

3、耦合進(jìn)波導(dǎo)層；而其下層金屬膜一般較厚，用以隔絕鍍膜襯底材料對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的影響；兩層金屬薄膜之間的介質(zhì)層作為導(dǎo)波層，以分立的導(dǎo)模形式存在的導(dǎo)波光主要被限制在這層里傳輸。 由于上下包覆層都是金屬薄膜(其介電系數(shù)在光頻范圍內(nèi)的實(shí)部一般是一個(gè)絕對(duì)值很大的負(fù)數(shù))，所以對(duì)稱金屬包覆波導(dǎo)中導(dǎo)波層的折射率取值范圍可以很大，最小甚至可以為1.0。另外，對(duì)稱金屬包覆波導(dǎo)的導(dǎo)波層厚度還可以擴(kuò)展至亞毫米甚至毫米量級(jí)，并因此能夠容納模序數(shù)上千的高階導(dǎo)模。正

4、因?yàn)樯鲜鲞@兩個(gè)特征，使得氣體和常用的生物化學(xué)流體樣本等低折射率介質(zhì)都可以作為該種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波層，并可以在其中自由的流動(dòng)。這樣，利用對(duì)稱金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)制作光生化傳感器就成為了可能。 除了上述特性之外，對(duì)稱金屬包覆波導(dǎo)中的超高階導(dǎo)模的有效折射率對(duì)于導(dǎo)波層介質(zhì)的折射率變化非常敏感，而且取值范圍比一般介質(zhì)波導(dǎo)大得多，可以介于零和波導(dǎo)層折射率之間。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)其超高階導(dǎo)模能夠通過(guò)自由空間耦合來(lái)激發(fā)，并且具有偏振無(wú)關(guān)性。 根

5、據(jù)上述特性，本文提出了對(duì)稱金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光生化傳感器。在該傳感器中，待測(cè)樣本被注入夾在兩個(gè)金屬薄膜層之間的樣品腔中，兩層金屬膜和夾在其間的待測(cè)樣本組成了對(duì)稱金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過(guò)觀察該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)耦合或傳輸特性的變化，來(lái)探知待測(cè)樣本折射率的微小變化，并進(jìn)而得出樣本濃度變化的信息。 本文同時(shí)對(duì)該傳感器的靈敏度進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的傳感器的靈敏度的分析和比較，發(fā)現(xiàn)本文提出的傳感器靈敏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的表面等離子共振型傳感

6、器和泄漏模波導(dǎo)傳感器。在分析的基礎(chǔ)上，文中還給出了帶來(lái)這一靈敏度提升的理論解釋：入射光能量集中于待測(cè)樣本層中，很小的有效折射率以及很窄的高階導(dǎo)模吸收峰，這三個(gè)因素的綜合使得對(duì)稱金屬包覆波導(dǎo)傳感器的靈敏度較現(xiàn)有技術(shù)有了明顯的提升。 為了驗(yàn)證該傳感器的性能，本文還通過(guò)角度調(diào)制法和強(qiáng)度調(diào)制法，分別設(shè)計(jì)了不同的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。兩種方法下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都一致證實(shí)了其角度調(diào)制法的探測(cè)靈敏度要優(yōu)于現(xiàn)有的光生化傳感器結(jié)構(gòu)一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)；其強(qiáng)度