[发明专利]一种铌酸锂二维光栅激发布洛赫表面波生物传感器及方法

说明书

本发明提供一种铌酸锂二维光栅激发布洛赫表面波生物传感器及方法，包括至下而上依次设置的缺陷层、Bragg反射镜层、缓冲层和铌酸锂二维光栅层；Bragg反射镜层包括多个低孔隙率多孔硅层和高孔隙率多孔硅层，低孔隙率多孔硅层和高孔隙率多孔硅层周期交替叠加布置；铌酸锂二维光栅层上设有多个空气孔，空气孔以晶格常数a正方形排列。本发明利用严格耦合波分析法，首次实现通过铌酸锂耦合多孔硅激发布洛赫表面波，并且针对大分子吸附和小分子渗透两种不同原理分别提供了不同检测关系式，拓宽了布洛赫表面波器件的使用范围，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，具体涉及了一种铌酸锂二维光栅激发布洛赫表面波生物传感器及方法，在多孔硅基多层电介质堆砌上结合铌酸锂二维光栅结构耦合激发布洛赫表面波用于生物检测传感。

背景技术

光学生物传感器能提供高灵敏度，快速读出和低成本的相关化学物质的无标记检测，在医疗诊疗，食品安全和国土安全上面有着广泛的应用。当固定在传感器芯片上的受体与被检测的物质结合后，可以利用不同的物理原理设计的光学传感器检测出来，去检测特定的无标记生物分析物和小分子。在这些平台中，通常采用平面固体来构建光学平台，从而带来分析物与传感器芯片表面上的受体结合位点数量有限，使得整个表面处光学场和分析物之间仅存在微小的相互作用，致使得到的灵敏度会产生偏低。此外，由平面固体材料构成的光学平台不能选择性的过滤和筛选待检测目标分子，而多孔硅材料的出现有效的解决了上述问题。多孔硅PSi材料由于它具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使得它成为一种有吸引力的材料。通过在硅片上刻蚀纳米级孔隙从而起到增加大表面积的效果来改善与生物分子之间相互作用的敏感性。通过调整孔隙尺寸的大小来对待检测物进行筛选过滤，当生物分子与多孔硅结合时，可以引起不同结构多孔硅的有效折射率产生变化，通过观察反射光谱的变化来检测生物化学分子。

例如，中国专利CN102313717B授权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。例如，中国专利CN109100308B授权了一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，其采用圆形光栅耦合多孔硅激发BSW用于传感检测分析，但其检测灵敏度仅为153.3°/RIU。近年来，铌酸锂材料作为一种非线性材料具有广泛的透明度范围、大的电光和光折变等性能，广泛应用于传感器、谐振器、调制器中而受到科研人员的关注。为了提高BSW器件灵敏度，中国专利CN112461787A公开了一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器及方法，其采用铌酸锂作为缺陷层材料来提高棱镜激发BSW器件的灵敏度，而相较于棱镜激发BSW，光栅构建的BSW结构设计可以降低大体积光学组件的复杂性。

综上所述，目前光生物传感器的光学组件结构复杂，待测物检测的可重复性差，灵敏度低，检测精度不高，不能实现分别对小分子样本和大分子样本进行检测。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种铌酸锂二维光栅激发布洛赫表面波生物传感器及方法，该传感器由铌酸锂材料制作而成的二维光栅激发布洛赫表面波从而用于光生物传感。该传感器包括铌酸锂二维光栅层、缓冲层、Bragg反射镜层和缺陷层；所述Bragg反射镜层由高孔隙率多孔硅和低孔隙率多孔硅交替叠加排列，铌酸锂层中的孔的直径D、孔深h并以晶格常数a正方形排布。本发明利用严格耦合波分析法，首次实现通过铌酸锂耦合多孔硅激发布洛赫表面波，并且针对大分子吸附和小分子渗透两种不同原理分别提供了不同检测关系式，拓宽了布洛赫表面波器件的使用范围，本发明具有检测灵敏度高、结构简单和检测精确等优点。