基于二维孔阵光栅耦合布洛赫表面波的超灵敏生物传感

摘要

本文提出一种紧凑、无标记生物传感器，通过沉积在分布式布拉格反射镜 (DBR) 顶层的二维 (2D) 亚波长孔阵光栅耦合布洛赫表面波 (BSW)。通过在光栅表面 (DG-BSW) 或 DBR-溶液界面 (GC-BSW) 激发 BSW，分别实现 1190°/RIU 和 2255°/RIU 的角度灵敏度。数值建模证实多层膜堆叠材料损耗对共振质量影响极小，可在宽折射率范围内实现稳健、高品质因数 (FOM) 传感。

背景

支持表面模式共振的光子器件——如表面等离激元极化子 (SPP)、导模共振、布洛赫表面波 (BSW)——处于无标记、实时生物传感前沿，用于医学诊断和环境监测。表面等离激元共振 (SPR) 虽为行业标准，但依赖金属膜限制灵敏度 (通常几百 nm/RIU) 并引入吸收损耗。BSW 产生于全介质光子晶体，提供显著更高灵敏度、可调场增强和可忽略吸收，成为下一代生物传感器的吸引人选择。

现有 BSW 传感器常采用笨重的棱镜耦合 (Kretschmann) 几何结构。鲜有研究探索简化光学装置的光栅耦合构型。本文提出两种 2D 光栅耦合设计，在不同位置激发 BSW：光栅表面 (DG-BSW) 和 DBR-溶液界面 (GC-BSW)。通过比较这两种构型，确定了最大化角度灵敏度同时最小化制造复杂度的最优参数。

方法

情况 1：表面衍射光栅 BSW 构型 (DG-BSW)

DG-BSW 结构 (图 1) 由五周期 DBR (SiO₂/TiO₂)、60 nm SiO₂ 缓冲层和图案化圆形空气孔的 116 nm Si₃N₄ 光栅组成。光栅周期 Λ=510 nm，孔半径 r=145 nm，厚度 h=116 nm。入射光极角 θ 和方位角 φ 通过光栅耦合进 BSW 模式。材料损耗通过虚折射率引入：γ_SiO₂=0，γ_TiO₂=10⁻⁴。DBR 层在工作波长 (λ₀=657 nm) 下为四分之一波厚，得 d_L=100 nm，d_H=70 nm。

用 Diffract MOD (RSoft Photonics Suite) 实现的严格耦合波分析 (RCWA) 计算反射谱和场分布。仿真显示 λ≈660 nm 处 θ=4.3° 出现尖锐法诺共振，BSW 场穿透 ~200 nm 进入空气，强度达入射场 42 倍 (图 2)。因高场区位于狭窄孔内，分子渗透受限，可能降低灵敏度。为此提出替代构型。

情况 2：导模光栅耦合 BSW 构型 (GC-BSW)

GC-BSW 设计 (图 3) 将传感区重置至 DBR 底部。靠近溶液的 TiO₂ 层减薄至 30 nm，其他层厚度不变。2 μm 生物溶液 (n≈1.333) 直接置于高折射率 TiO₂ 表面。s 偏振光通过光栅在 θ≈7°、λ≈633 nm 耦合激发 BSW，形成表面缺陷态，增强溶液界面处倏逝场。

仿真显示 BSW 场穿透 2 μm 进入溶液——比 DG-BSW 深 10 倍——导致与分析物相互作用更强，角度灵敏度更高。

结果与讨论

DG-BSW 和 GC-BSW 两种构型反射率曲线均随入射角和波长呈现尖锐、高 Q 值共振 (图 4)。DG-BSW 在 θ=4.3° (λ≈660 nm) 处呈现极小值，GC-BSW 在 θ=7° (λ≈633 nm) 处共振。角度灵敏度分别超 1190°/RIU 和 2255°/RIU，比传统棱镜基传感器高一个数量级。

GC-BSW 方位角询问 (图 5) 显示高选择性共振，随微小折射率变化显著位移。场分布显示与传感层强重叠，解释卓越灵敏度。共振线宽 (FWHM) 即使在较高损耗 (γ_TiO₂≤10⁻³) 下仍保持窄 (<0.5°)，确认设计鲁棒性。

图 6 显示增加极角可收窄 FWHM 同时保持共振深度，可微调传感器响应。损耗分析 (图 7) 指出消光系数 κ=10⁻⁴ 时深度与宽度平衡最优，更大损耗降低 Q 值但不移动共振。

方位角灵敏度计算 (式 3) 显示 Δn=5×10⁻⁴ 诱导 DG-BSW 0.1° 位移、GC-BSW 0.2° 位移，对应上述灵敏度。GC-BSW 在灵敏度和 FWHM 上均持续优于 DG-BSW，品质因数 (FOM) 达 2255°/RIU。

图 8、9 展示不同折射率下方位角反射率及灵敏度/FWHM 随环境折射率变化。总体而言，两种光栅耦合设计均优于传统棱镜耦合 BSW 传感器，对介质堆叠折射率无严格限制，可缩放设计参数在任意所需光谱段工作。

结论

本文演示了两种紧凑的 2D 孔阵光栅耦合 BSW 生物传感器，在入射角 <10° 下分别实现 1190°/RIU (DG-BSW) 和 2255°/RIU (GC-BSW) 角度灵敏度。GC-BSW 架构灵敏度提升两倍且共振更窄，同时保持低制造占地面积。这些设计为集成、高性能“芯片实验室”生物传感平台铺平道路，通过调整光栅和 DBR 参数可针对任意波长定制。

数据与材料可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在已发表文章中。

缩略语

1DPC

一维光子晶体

2D

二维

BSWs

布洛赫表面波

DBR

分布式布拉格反射镜

DG-BSW

衍射光栅 BSW

FOM

品质因数

FWHM

半高全宽

GC-BSW

光栅耦合 BSW

Q

品质因子

RCWA

严格耦合波分析

RI

折射率

S

灵敏度

SPPs

表面等离激元极化子

SPR

表面等离激元共振

TMM

传递矩阵法