导模共振光学生物传感器研制

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 3.72MB 73 页 15积分

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摘要

本文研制了一种新型光学生物传感器：导模共振光学生物传感器，该传感器

利用一个亚波长光栅结构产生导模共振效应，当用白光入射照明时，仅在共振波

长处～100%反射，其它波长被传输通过传感器结构。当覆盖在生物传感器表面的

生物样品发生浓度变化或是生化反应时，会对共振波长起一个调谐作用，从而导

致共振波长发生改变，表现为尖峰波长值移动(peak wavelength value)，通过测量

PWV 值的移动可以进行一系列的生物检测。导模共振光学生物传感器具有无需荧

光标记、高通量、可以实时监测的优点，并且可以做到小体积、批量生产，从而

降低成本，扩展应用范围。

导模共振光学生物传感器的表面结构决定了传感器的初始共振波长和灵敏

度。本文通过研究影响导模共振特性的因素，找出了控制导模共振波长、共振带

宽、旁带和线形的结构参数，其中光栅层周期主要决定共振波长，光栅层填充系

数和调制强度对带宽有很大影响，各层厚度主要影响旁带和线形。结合光波导理

论导，将导模共振结构的光栅层等效成各向同性的光波导，给出了预测共振波长

的简便方法。并且结合薄膜光学的抗反射条件，通过光栅层和波导层



—



（四分之一光学厚度）的抗反组合，优化了导模共振结构的设计。文中给出了一

个以氧化铪为材料的双层导模共振结构优化设计。模拟结果显示，这一结构共振

波长1550.7nm，旁带低于5%，带宽40nm，线形对称。若接收光谱仪分辨率为0.02nm，

则计算得到双层氧化铪结构导模共振光学生物传感器的灵敏度为

108.1 

 H

。

关键词：导模共振生物传感器严格耦合波分析薄膜光学

光波导理论

ABSTRACT

This paper developes a new type of optical biosensor: Guided-mode resonance

optical biosensor, a sub-wavelength grating structure is used by the sensor to create a

guided-mode resonance effect.When the sensor is illuminated with white light, only the

resonance wavelength is reflected ~ 100%, other wavelengths are transmitted through

the sensor structure. When the concentration of biological samples attaching the surface

of the biological sensor is changed, or biochemical reactions occur, the resonance

wavelength will be tuned, resulting in change of resonance wavelength, expressed as

shift of peak-wavelength value,by measuring the PWV shift, can do a series of

bio-detection. Guided-mode resonant optical biosensor has mang advantages:

fluorescent label-free, high-throughput, real-time monitor, and can also be mass

produced with small volume, thereby reducing costs and expanding range of

applications.

The surface structure of Guided-mode resonant optical biosensor determines the

sensor's initial resonance wavelength and sensitivity. In this paper, through researching

the factors that affect the characteristics of guided-mode resonance , parameters that

control the guided-mode resonance wavelength, resonance bandwidth,sideband and line

shape are identified, in which period of grating layer major decisions resonance

wavelength, fill factor and modulation intensity of grating layer great impact on the

bandwidth ,the thickness of layers adjacent to the sideband and line shape. Combining

with optical waveguide theory, the grating layer of guided-mode resonance structure is

approximated to isotropic optical waveguide, gaving an easy way to predict resonance

wavelength. Also combining with the anti-reflective conditions of film optics, the

grating layer and waveguide layer are designed of



—



(fourth optical thickness)

combination to give the optimized structure of guided-mode resonance. A optimized

design of guided-mode resonance structure fabriacting with hafnium oxide material is

given by this paper. Simulation results show that resonance wavelength of the structure

is 1550.7nm, sideband is less than 5%, bandwidth is 40nm, line shape is symmetric. If

the resolution of receiver spectrometer is 0.02nm, then the calculated sensitivity of the

two-layer guided-mode resonance optical biosensor fabriacting with hafnium oxide

material is

108.1 

 H

Key Words: guided-mode resonance, biosensor, rigorous

coupled-wave analysis, film optics, optical waveguide theory

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................... 1

§1.1 生物传感器简介 ........................................ 1

§1.2 光学传感器简介 ........................................ 2

§1.2.1 光栅耦合 .......................................... 4

§1.2.2 共振镜（棱镜耦合） ................................ 4

§1.2.3 Mach-Zehnder 型干涉仪 ............................. 5

§1.2.4 表面等离子体共振 .................................. 5

§1.2.5 椭圆偏光法 ........................................ 6

§1.2.6 反射干涉 .......................................... 6

§1.3 GMR 生物传感器研究动机 ................................. 7

§1.4 GMR 发展 ............................................... 8

§1.5 GMR 生物传感器国内外研究现状 ........................... 9

第二章严格耦合波分析理论 ..................................... 11

§2.1 电磁波基本理论 ....................................... 11

§2.2 严格耦合波分析法 ..................................... 12

§2.2.1 矩形光栅中 TE 偏振入射波衍射 ...................... 13

§2.2.2 矩形光栅中 TM 偏振入射波衍射 ...................... 16

§2.3 GMR 严格耦合波分析 .................................... 18

§2.3.1 多层介质中的反射与透射 ........................... 19

§2.3.2 多阶浮雕光栅的严格耦合波分析 ..................... 21

§2.4 小结 ................................................. 22

第三章导模共振光学生物传感器表面结构设计 ..................... 23

§3.1 影响 GMR 特性的因素 ................................... 23

§3.2 入射光参数对 GMR 特性的影响 ........................... 24

§3.2.1 入射角对 GMR 的影响 ............................... 24

§3.2.2 入射模式对 GMR 的影响 ............................. 25

§3.3 光栅参数对 GMR 特性的影响 ............................. 26

§3.3.1 光栅周期对 GMR 影响 ............................... 26

§3.3.2 各层厚度对 GMR 的影响 ............................. 26

§3.3.3 各层折射率对 GMR 的影响 ........................... 28

§3.3.4 填充系数对 GMR 的影响 ............................. 29

§3.3.5 调制强度对 GMR 的影响 ............................. 30

§3.4 GMR 结构优化 .......................................... 31

§3.5 GMR 生物传感器结构设计 ................................ 35

§3.6 小结 ................................................. 39

第四章导模共振结构制作 ....................................... 41

§4.1 基片处理 ............................................. 41

§4.1.1 基片清洗 ......................................... 41

§4.1.2 旋涂光刻胶 ....................................... 43

§4.1.3 基片前烘 ......................................... 44

§4.2 全息曝光显影 ......................................... 44

§4.3 后烘 ................................................. 46

§4.4 AFM 检测掩膜版 ........................................ 47

§4.5 制作刻蚀版 ........................................... 49

§4.6 制备的 GMR 结构 ....................................... 52

§4.7 小结 ................................................. 54

第五章导模共振光学生物传感器检测平台 ......................... 55

§5.1 传感器检测平台 ....................................... 55

§5.1.1 光源 ............................................. 55

§5.1.2 光纤探头 ......................................... 56

§5.1.3 光谱仪 ........................................... 56

§5.2 标准溶液检测 ......................................... 59

§5.3 亲和反应检测 ......................................... 60

§5.4 小结 ................................................. 60

第六章结论与展望 ............................................. 63

参考文献 ...................................................... 65

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................ 69

一、论文 ...................................................... 69

二、科研项目 .................................................. 69

致谢 .......................................................... 70

第一章绪论

1.1 生物传感器简介

生物传感器是一门典型的多学科交叉高新技术，它结合了生物科学、化学、

物理学、医学、电子信息科学及其它相关技术，能够对待检测生物化学物质进行

快速的分析和实时的监测。生物传感器的原理如图 1-1 所示，生物传感器的构成

主要包括两部分：分子识别元件(生物敏感膜)和换能器。生物传感器用固定化的生

物活性成分(酶、抗体、激素、核酸)或生物体本身(组织、全细胞、细胞器)作为

敏感元件，利用生物活性物质所具有的高度选择性来识别待测生物化学物质。当

待测物质进入分子识别元件，经过分子识别，发生生物化学反应，反应的信号通

过各种物理、化学信号换能器转变成可以定量分析和处理的电信号，从而获得待

测物的浓度等信息。

最先出现的生物传感器是酶电极。20 世纪 60 年代，美国的 Clark 教授等首先

描述了酶电极，他们把葡萄糖氧化酶溶液包夹在两层透析膜间形成液层，再贴在

氧电极上，氧的浓度下降与溶液中的葡萄糖浓度相关，输出的电信号可以用于监

测液层中的反应。然而，由于提纯的酶价格昂贵，酶电极的使用期限也较短，限

制了酶电极的进一步发展。人们开始研究微生物电极、细胞器传感器、动植物组

织传感器和免疫传感器等新型生物传感器。经过长期的不懈努力，生物传感器融

合了众多的新知识和技术，成为了一个涉及面广，多学科交叉的领域。

生物传感器分类方法主要有三种，根据输出信号的产生方式可以分为亲和生

物传感器、代谢生物传感器和催化生物传感器；根据生物传感器中分子识别元件

的不同可以分为酶传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、微生物传感

待测物质

物理量或

化学量变化

电信号

图1-1 生物传感器原理

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摘要本文研制了一种新型光学生物传感器：导模共振光学生物传感器，该传感器利用一个亚波长光栅结构产生导模共振效应，当用白光入射照明时，仅在共振波长处～100%反射，其它波长被传输通过传感器结构。当覆盖在生物传感器表面的生物样品发生浓度变化或是生化反应时，会对共振波长起一个调谐作用，从而导致共振波长发生改变，表现为尖峰波长值移动(peakwavelengthvalue)，通过测量PWV值的移动可以进行一系列的生物检测。导模共振光学生物传感器具有无需荧光标记、高通量、可以实时监测的优点，并且可以做到小体积、批量生产，从而降低成本，扩展应用范围。导模共振光学生物传感器的表面结构决定了传感器的初始共振波长...

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