[发明专利]一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器及其设计方法

说明书

本发明提供基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器及其设计方法，包括至下而上依次连接的硅基底层、Bragg反射镜层、缓冲层和圆孔型光子晶体光栅层；所述Bragg反射镜层包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层和低孔隙率多孔硅层；所述圆孔型光子晶体光栅层上设有晶格排列的空气孔周期阵列；所述空气孔周期阵列以晶格常数a排列。本发明利用严格耦合波分析法，首次在硅基底层上设计一种简单的全多孔硅多层电介质光栅结构，使得多孔硅生物传感器的灵敏度大幅度提高，本发明具有检测灵敏度高、结构简单和检测精确等优点。

技术领域

本发明属于生物传感器技术领域，涉及一种多孔硅基多层电介质生物传感器，特别是一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器及其设计方法。

背景技术

光学生物传感器提供高灵敏度，快速读出和低成本的相关化学物质的无标记检测，对于医疗诊断，食品安全和国土安全的应用至关重要。为了检测特定的无标记生物分析物和小分子，等离子体和光子传感平台已成为强有力的工具。在这些平台中，分析物的固定产生结构的光学性质的可测量变化，这通常是由于在渐逝衰减场中探测的传感器表面处折射率的变化。因为传统的光学平台利用平面固体，所以分析物的可用表面结合位点的总数是有限的，并且在整个表面处光学场和分析物之间仅存在微小的相互作用，导致灵敏度有限。此外，基于平面固体材料的传感器不能选择性地过滤不需要的材料或尺寸选择性地检测目标分子。多孔传感结构解决了许多上述挑战，并且越来越多地被结合到光学传感平台中。多孔硅PSi是一种特别有吸引力的无标记生物传感平台，因为它具有高度可调的光学特性，增强的表面积以及快速且经济的制造。由纳米级孔隙的存在引起的大表面积允许改善对生物分子相互作用的敏感性，而可调孔隙尺寸～2nm至＞100nm使得能够进行尺寸选择性检测和过滤较大的污染物种类。生物分子和多孔硅结合可以引起不同结构多孔硅的有效折射率的变化，通过观察反射光谱的变化如单层多孔硅干涉峰的移动，布拉格反射镜禁带中心位置的移动，微腔的缺陷态位置的移动，就能检测到生物化学分子。

例如，中国专利CN102313717A公开了一种多孔硅微腔生物传感器，其包括上Bragg反射镜、下Bragg反射镜以及夹在所述上Bragg反射镜和下Bragg反射镜之间的缺陷层，所述缺陷层厚度为所述高多孔率层厚度的2倍。当加入的被检测生物分子进入缺陷层中后，谐振峰会发生相应的移动，从而能够根据移动量的多少来判断所加入的生物分子浓度值。

上述这些PSi传感器面临的一个关键限制是能否有效地检测容易渗透多孔基质的小分子和缓慢扩散到孔中或被孔过滤掉的大分子。近年来基于布洛赫表面波Blochsurface wave， BSW的生物光学传感器的研究也逐渐受到关注，与表面等离子体激元(SPP)相比，布洛赫表面波与表面等离子体波的一些特点相似，表面等离子体波是在电磁波与金属表面自由电子之间相互作用的情况下，激发出等离子体而形成一种特殊的电磁波模式。两者都是通过改变电磁场的空间分布，从而使表面处电磁场局域增强，而布洛赫表面波具有更好的特性。特别是在传感领域，与表面等离子体传感器相比，布洛赫表面波传感器有着许多优势：表面等离子体波只能由TM偏振光激发，而布洛赫表面波在TE及TM偏振光下均可激发；表面等离子体波波长由金属层的特性决定，因此不能改变，而布洛赫表面波波长可以通过改变周期层介质的结构参数(如周期层的厚度和折射率等)来形成任意波长的表面波；布洛赫表面波被激发时不用考虑金属的吸收损耗，从而使得发生谐振后的表面波更尖锐，从而可以得到更高的灵敏度和谱线分辨率。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器及其设计方法，本发明利用多层电介质结构激发的BSW来提高多孔硅生物传感器的灵敏度。由于传统电化学腐蚀方法制备的多孔硅具有高折射率介电层的小孔径和复杂孔隙图案，为了解决分析物难以渗透和分布的不均匀性，本发明方法基于布洛赫表面波BSW原理设计一种多层电介质光栅结构，通过严格耦合波分析法建立模型进行计算，然后进行参数优化，选择合适的结构参数得到较窄谐振峰的反射光谱图。