基于二维孔阵列光栅耦合的 Bloch 表面波激发用于高灵敏度生物传感

背景

专门设计的光子器件代表了对各种化学和生物物种进行实时、无标记选择性检测的可能性，适用于各种医学研究和环境监测应用，尤其是对高度稀释溶液中微量分子的光学检测 [1] ,2,3]。光学表面模式共振指数，如表面等离子体激元 (SPP) [4,5,6]、微腔 [8.1%] 半透明和彩色有机光伏。 Adv Funct Mater 28(7):1703398" href="/articles/10.1186/s11671-019-3159-8#ref-CR7" id="ref-link-section-d213170396e647">7]，导模共振[ 8, 9] 和布洛赫表面波 (BSW) [10,11,12,13] 可用于区分反射给定生物分子浓度的光学参数的一般小调制 [14, 15]。

最流行的基于表面波共振的传感技术是表面等离子体共振 (SPR) 方法 [4, 16]，其工作原理是通过入射光沿金属/电介质界面激发表面等离子体激元。不幸的是，SPR 只能被横向磁光激发，并且在金属成分中不可避免地会伴随着强烈的色散吸收。 SPR生物传感器的灵敏度一般在每个折射率单位几百纳米的量级（nm·RIU ^-1 ) [17, 18]。

BSW 是 SPP 的有前途的替代品。基于低光损耗全介电结构的BSW技术比其他表面波具有更高的灵敏度和可调场增强，并且可以结合不同的化学表面改性方法和光学检测机制[19,20,21]。许多研究人员已经通过实验和理论上证明了 BSW 传感器优于 SPP 传感器 [22, 23]。 Kretschmann 配置下的 1D-BSW 传感器的波长灵敏度为数千 nm·RIU ^-1 [24, 25]。最近的研究人员 [26] 证明了基于光纤的 BSW 激发用于 RI 传感，对于 p 的灵敏度约为 650 nm/RIU -s 的偏振光和 930 nm/RIU -偏振光。大多数基于一维光子晶体 (1DPC) 的传感器利用复杂的 Kretschmann 棱镜耦合结构来激发 BSW。很少有研究人员探索基于光栅耦合的 BSW 传感器或其他新设计来降低体光学元件的复杂性。维杰等人。 [27] 确实报告了通过方位角询问评估的最顶层光栅轮廓的灵敏度增强； BSW泄漏模式主要集中在生物分子不易穿透的非常狭窄的凹槽内。

二维 (2D) 光栅器件 [28,29,30] 具有作为微型 RI 传感器的潜力，因为它们具有较大的传感区域和相对易于制造的特点。本文提出了一种基于二维光栅耦合机制的替代激励方案。通过在布拉格反射镜的表面上沉积气孔阵列，在光栅侧实现了 BSW，该反射镜在两侧都支持 BSW。在这里，我们提出了一种配置，以简单地展示在光栅耦合布拉格反射镜结构的尖端耦合 BSW 的可能性，以及展示可用介电损耗影响的替代方案。我们比较了不同位置的 BSW 激发传感器配置的光学性能，具体如下所述。

方法

案例 1：表面衍射光栅 BSW 配置 (DG-BSW)

表面衍射光栅BSW结构示意图如图1所示。入射角θ （入射光束与 Z 之间的夹角 -axis) 和方位角 φ （负 X 之间的夹角 -axis 和 x–y 中的入射光束投影 平面）用来描述入射光的传播方向。在数值计算中，我们使用了五周期 DBR (LH) ⁵ 其中 L 电介质的 RI 为 1.46（SiO2 在工作波长 λ 0 =657 nm），H层由TiO2制成，RI为2.57。 TiO2 和 SiO2 在 0.43 到 0.8 μm 范围内的 RI 表示为 [27]：

和

(x 中的表面衍射光栅 BSW 设计 -y -z ) 参考系统。结构包括少周期 DBR、缓冲层和 2D 光栅。耦合由周期 Λ 的二维衍射光栅介导 =510 nm，孔半径r =145 nm，厚度h =116nm。外部介质假定为空气 (n ext =1)

折射率的虚部指的是介电层中的损耗。这些损失包括入射光中的固有材料吸收和散射损失 (\( {\upgamma}_{{\mathrm{SiO}}_2}=0 \) 和 \( {\upgamma}_{{\mathrm{ TiO}}_2}={10}^{-4} \)，在这项工作中）。 DBR 的尺寸可以相应地确定为工作波长处入射角的四分之一波长堆栈。对应层的厚度分别为d L =100 nm 和 d H =70 nm。

为了制造表面衍射光栅 BSW 传感器，将 116 nm 厚的氮化硅 (Si3N4) 层沉积在 DBR 顶部，并带有气孔图案 [31, 32] 以形成光栅层。在布拉格反射镜和亚波长孔阵列光栅之间插入一个同样由低折射率复合材料 (SiO2) 制成的 60 nm 缓冲层。光栅层旨在将传播的照明耦合到 BSW 模式。如上所述，光栅本质上是由气孔制成的结构特征的二维周期性阵列。在下面描述的数值模拟中，只有光栅的物理尺寸（周期 Λ , 孔半径 r , 和厚度 h ) 进行调整以在不同光照条件下激发 BSW 并优化反射剖面。

在优化的孔阵列光栅下，当 BSW 被激发时，来自光栅-布拉格配置的反射形成典型的 Fano 谐振轮廓 [33]，具有尖峰。峰的位置表示要探测的区域的 RI。制造过程简单且与现有的 MEMS 制造技术兼容，这使得所提出的设备可大规模生产并易于集成到生物芯片中，以低成本进行多重检测。我们使用集成在 RSoft Photonics Suite 中的 Diffract MOD 进行了此处描述的计算，该套件基于严格的耦合波分析 (RCWA) 方法 [34, 35]，并包含几种具有描述周期性介电函数的傅立叶谐波的高级算法。

图 2 显示了 s 的模拟电场分布 -周围RI为1时的偏振光。图2中的虚线标记了光栅-空气界面； z =0 是衍射光栅 BSW 传感器的另一侧表面。如图所示，界面附近的电场强烈增强，BSW 在空气中的穿透深度达到近 200 nm。局部场强为θ极角处最大入射光强的42倍 =4.3°和大约φ的方位角域 =12°。

s 的计算电场分布 - 共振时的偏振光，其中表面波仅在顶部表面被激发。白色虚线代表二维光栅、缓冲层和 DBR 层。 BSW模式的场强（黄色区域）集中在气孔中

虽然理论上所提出的结构可以在表面衍射光栅模式下提供 BSW 激发，但存在与检测过程相关的影响值得仔细考虑。如图 2 所示，强场集中在孔阵列光栅的小孔径中。空气中的分析物不易渗入小孔，从而聚集在光栅上方。孔中分析物浓度的降低会导致折射率的小幅扰动，从而降低 BSW 传感器的检测限和灵敏度。入射光照明器件和传感层的集成也使得片上传感器的制造变得困难；此外，很难估计它们之间的相互作用。我们探索了一种替代配置来克服这些缺点，同时保留指数衰减的电场分布。

案例 2：替代引导光栅耦合 BSW 配置 (GC-BSW)

在提议的方案中，传感区域现在移动到光栅耦合 BSW 传感器的底部，从而避免与表面光栅结构穿透相关的任何不利影响（图 3）。 DBR、缓冲层和光栅的材料与上述类似。与DG-BSW传感器不同的是，底部一层TiO2层厚度从70纳米降低到30 nm。

方位角照明下光栅耦合BSW共振传感器3D示意图(φ ) 在 (x -y -z ) 参考系统包括入射角 (θ inc), 零阶反射 (R 0), 和二维光栅参数 (Λ , r , h ）。传感区位于光栅耦合BSW传感器的底部

我们在最外面的高折射率 (TiO2) 层附近放置了一个 RI 接近 1.333（纯水）的生物溶液层，其中要探测的区域的厚度为 2 μm。在这种情况下，我们不需要精确控制传感层的厚度，因为探测区域的外表面不会显着影响 BSW 模式激发。共振形成为 s -偏振光以一定角度通过光栅入射到DBR上，在待测溶液形成的底部缺陷层发生多次反射。由于表面波共振，表面缺陷态结构改变了DBR底部的电磁场分布，缺陷层中的多次反射形成相干干涉。电磁场局部增强，可充分作用于待测样品分子。

我们发现所提出的方案可以改善待测溶液动态监测过程中的灵敏度特性。与 SPP 类似，BSW 位于 1DPC 的截断边缘，位于与外部介质的界面处。所提出的方案中的二维光栅设计参数与之前的配置（DG-BSW）相同：Λ =510 nm, r =145 nm, 和 h =116 nm。正如下面详细讨论的，我们比较了谐振电介质多层系统 DG-BSW 和 GC-BSW 的特性。我们的孔阵列光栅设计不仅降低了制造成本，而且为传感器性能比较提供了一个相对公平的环境。

结果与讨论

我们在两组传感条件下设计了优化的 BSW 结构，如图 1 和图 2 所示。 1 和 3 带有 s - 在这两种情况下都是偏振光。作为入射角和波长的函数的这些模式的反射率曲线分别如图 4a 和 b 所示。 DG-BSW 和 GC-BSW 情况下，作为角度和波长的函数，在其激发时具有尖锐的共振特征。在DG-BSW器件中，当入射波长在660 nm左右时，在θ处出现一个尖峰 =4.3° 通过入射角询问。在 GC-BSW 器件中，谐振角 θ =7°对应的入射波长为 633 nm。我们发现，虽然具有较高品质因数 Q 的共振峰 (>10 ³ ) 值可以通过优化器件参数获得，BSW 传感器的波长灵敏度和角度灵敏度在非方位角照明下仅达到约 100 nm/RIU 和 280°/RIU。我们的 3D RCWA 模拟与文献 [24] 一致。我们考虑了新颖的设计自由度，方位角φ ，相应地。

φ处的布洛赫表面波 =0°。蓝色和红色曲线表示作为入射角函数的 BSW 反射率 (a ) 和波长 (b ) 分别用于 DG-BSW 和 GC-BSW 配置

设计用于在 θ 附近工作的 GC-BSW 传感器的模拟反射 =7° 和 φ =10°如图5a所示。 BSW 耦合发生在反射强度相对较低的非常狭窄的区域（图 5a 中的白色区域）。每个极角都有一个对应的方位角，满足匹配条件以激发 BSW。异质结构中的BSW模式随着极角和方位角的增加缓慢衰减，然后在θ附近消失 =7.6° 和 φ =12°。考虑到小角度监测的难度，我们选择了一个比较大的角度来耦合BSW。共振峰对极角变化不敏感，但对方位角变化非常敏感。我们计算了采样点的电场分布（θ =7°； φ =9.82°）来识别共振（图 5b）。强度向光栅/空气界面衰减，场在整个周期结构中振荡多次，在 L-H 折射率介电界面中形成五个峰。图 5b 中浅绿色虚线表示 GC-BSW 传感器在 Z 中的折射率分布 - 轴方向。我们发现生物溶液中的磁场强度沿Z逐渐衰减 -方向，因为光和溶液之间的相互作用随着距截断层的距离而下降。 BSW渗透深度在溶液内部达到2 μm，比DG-BSW配置大十倍。

一 GC-BSW 传感器反射与方位角和极角的关系。由照明产生的 BSW (λ 0 =633 nm) θ 附近 =7° 和 φ =10°。 BSW 耦合发生在反射强度相对较低的非常狭窄的区域（白色区域）。 b 感应配置（案例 2 模式）内的电场（黑线）和折射率分布（深绿色虚线）。 c x -y d x -z 在工作波长 λ 计算的电场强度图的平面视图 0 =633纳米。白色虚线表示电场中空穴的位置

图 5c 和 d 显示了 x 中的电场强度图 -y 和 x -z 分别在工作波长 λ 计算的平面 0 =633 nm .图 5b 和 d 的结果非常一致。溶液/TiO2 界面处的场分布通过渐逝场与传感区域介电常数的空间分布之间的重叠积分在很大程度上影响 GC-BSW 传感器的整体性能。我们通过测试极角θ研究了极角对GC-BSW配置中方位反射光谱的影响 6.92°、6.94°、6.96°、6.98°、7° 和 7.02°。为了评估高灵敏度，我们还确定了共振倾角的半峰全宽 (FWHM) 和倾角峰高。如图 6 所示，典型的对称线形表现为方位角 θ 增加。共振峰高度随着共振峰 FWHM 的降低而增加。在较大的极角处，由于波矢匹配效应，BSW共振向较大的方位角移动。

不同入射角的方位反射光谱θ .典型的对称线形表现为方位角 θ 增加。由于波矢量匹配效应，BSW共振向更高的方位角移动

在大多数数值模拟中假设无损材料（即消光系数 κ 为零值的材料）[24、25、30]。西尼巴尔迪等人。 [36] 研究了材料损耗对 BSW 传感器性能的影响，发现高折射率层 κH 的消光系数仅对谐振特性产生轻微影响；他们引入了灭绝κL =10 ⁻⁴ 到通过传递矩阵方法 (TMM) 计算的低指数层。有损材料是观察反射光谱下降所必需的[22]。

为了研究损耗的影响，我们评估了 DG-BSW 和 GC-BSW 结构（图 1 和 3）的方位反射光谱，包括和不考虑图 7 所示的损耗。在我们的例子中，无损 TiO2 材料可以激发反射光谱中的 BSW 倾角。 DBR 中的损失会降低在无损情况下获得的 BSW 线形状。我们分析了由 κ 的非零值引起的对共振的扰动效应。在DG-BSW情况下，随着消光系数从0增加到10 ^-3 ，共振的FWHM先减小后增大 ，而共振深度则相反。当消光系数κ达到10 ⁻⁴ 时，我们实现了最佳的BSW共振线形状 .随着系数的进一步增加，共振迅速下降（κH =10 ⁻² ）。在 GC-BSW 配置中，线宽随着 κH 的增加缓慢增加，BSW 共振峰值也是如此。随着生物传感器内能量损失的增加，共振下降幅度更大。

一 DG-BSW 配置的谐振线形状变化和消光系数 κH =0（无损），2 × 10 ⁻⁴ , 10 ⁻⁴ , 10 ⁻³ , 10 ⁻² . b GC-BSW 配置的变化。无损 TiO2 材料在反射光谱中激发 BSW 倾角。消光系数值抑制BSW共振带边缘

我们的结果表明，无损 TiO2 材料可产生最佳的 BSW 共振。考虑loss时，虚部大到10 ⁻³ 可以抑制反射的幅度和Q 的共振而不影响峰值的位置。我们的模拟还表明，消光系数值在确定 BSW 共振深度和宽度（即 FWHM）之间的最佳折衷中起着至关重要的作用。

本研究的主要目标是建立基于 2D 光栅的无标记传感平台的设计示意图以激发 BSW，因此我们继续探索传感位置，以优化和增强其作为 RI 传感器的性能。 RI 生物传感器通常设计用于检测由生物分子浓度比变化引起的小折射率调制。因此，我们认为方位敏感度 (\( {\mathrm{S}}}_{n_{\mathrm{bio}},\varphi } \)) 是一个有意义的可观测值：

其中Δφ 是方位角和 Δn 的变化 bio 是传感层折射率的变化。对于不同生物分子值，作为方位角函数的反射率曲线如图 8 所示。对于 DG-BSW 配置，波长 (λ 0) 和入射角 (θ ) 分别固定在 657 nm 和 4.3°（图 8a）；对于 GC-BSW 配置，λ 0 =633nm 和 θ =7°（图 8b）。当生物分子的折射率均匀变化时，BSW 共振峰在两种情况下都会发生蓝移。也就是说，折射率值（Δn bio =0.0005) 导致共振峰之间的方位角位移在小方位角处变大。

对于不同的溶液值，反射率曲线作为方位角的函数。 一 DG-BSW 配置，其中波长 (λ 0) 和入射角 (θ ) 固定在 657 nm 和 4.3°； b 对于 GC-BSW 配置，λ 0 =633 nm 和 θ =7°

我们还比较了 DG-BSW 和 GC-BSW 配置的传感特性，以预测灵敏度（黑条）和 FWHM（红条），如图 9 所示，作为周围折射率 (SRI) 的函数。我们发现灵敏度和 FWHM 随着生物分子变异的增加而单调增加。 GC-BSW配置的灵敏度约为DG-BSW的两倍，而GC-BSW的共振半峰宽比DG-BSW窄。

DG-BSW (a ) 和 GC-BSW (b ) 配置：作为 SRI 函数的预测灵敏度和 FWHM。 GC-BSW 配置灵敏度约为 DG-BSW 的两倍

品质因数 (FOM) [25] 是另一个重要的传感器性能指标。 RI 传感器中的 FOM 可以通过降低 FWHM、增加光谱灵敏度 S [°/RIU] 或两者兼而有之来改善，如 FOM∝S/FWHM。许多光学传感器的 FOM 受限于光谱灵敏度和 FWHM 之间的内在权衡。 DG-BSW 的方位灵敏度达到 1190°/RIU，GC-BSW 的方位灵敏度达到 2255°/RIU（方程（3））。这意味着与 DG-BSW 相比，GC-BSW 传感器在谐振模式和传感层之间具有更紧密的重叠。计算也支持图 1 和 3 所示的结果。如图2和5b所示，GC-BSW的传感层具有更高的光场穿透深度，导致灵敏度高于DG-BSW。

值得注意的是，我们测试的两种 BSW 配置的灵敏度都比传统的基于棱镜的方案高一个数量级（见表 1）。与任何基于棱镜耦合激发的生物传感器设计不同，DG-BSW 或 GC-BSW 配置中使用的介电复合材料没有严格的折射率限制 [37,38,39,40,41,42]。通过适当调整二维光栅和 DBR 的参数，所提出的传感器配置可以在任何波长范围内有效实现。

结论

在这项研究中，我们探索了表面衍射二维光栅配置和传感应用。我们从亚波长孔阵列光栅和少数周期 (N =5) 以实现低边带的高灵敏度 BSW 共振。基于 RCWA 方法设计了表面 DG-BSW 配置和替代引导 GC-BSW 示意图。 2255°/RIU 的理论灵敏度是通过照明的小极角 (<10°) 和围绕相同值的方位角扫描实现的。角灵敏度比基于棱镜耦合极光照明（一般不大于 300°/RIU）的传感器高一个数量级。与 DG-BSW 生物传感器相比，优化的 GC-BSW 传感器显示出特别大的灵敏度增加（两倍）和更窄的 BSW 共振。与传统 BSW RI 传感器相比，本研究中测试的两种 2D 光栅耦合传感器平台的品质因数较低，但可以通过调整周期 (Λ ), 孔半径 (r ) 和厚度 (h ).

所提出的用于激发 Bloch 表面波、DG-BSW 和 GC-BSW 的方案代表了用于高灵敏度生物传感的新型紧凑型配置，并可能为未来设计纳米级“芯片实验室”技术提供宝贵机会。

数据和材料的可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在这篇已发表的文章中。

缩写

1DPC：

一维光子晶体

二维：

二维

BSW：

布洛赫面波

DBR：

分布式布拉格反射器

DG-BSW：

衍射光栅BSW

FOM：

品质因数

FWHM：

半高全宽

GC-BSW：

光栅耦合BSW

问：

品质因数

RCWA：

严格的耦合波分析

RI：

折射率

S:

灵敏度

SPP：

表面等离子体激元

SPR：

表面等离子体共振

TMM：

传递矩阵法