Zweidimensionale Gitterkopplungsbasierte Anregung von Bloch-Oberflächenwellen für hochempfindliche Biosensorik

Hintergrund

Speziell entwickelte photonische Geräte bieten die Möglichkeit des markierungsfreien selektiven Nachweises verschiedener chemischer und biologischer Spezies in Echtzeit für eine Vielzahl von medizinischen Forschungs- und Umweltüberwachungsanwendungen und insbesondere für den optischen Nachweis kleinster Mengen von Molekülen in stark verdünnten Lösungen [1 ,2,3]. Optische Oberflächenmodenresonanzindizes wie Oberflächenplasmonenpolaritonen (SPPs) [4,5,6], Mikrokavität [8,1%), semitransparente und farbenfrohe organische Photovoltaik. Adv Funct Mater 28(7):1703398" href="/articles/10.1186/s11671-019-3159-8#ref-CR7" id="ref-link-section-d213170396e647">7], Geführte-Mode-Resonanz [ 8, 9] und Bloch-Oberflächenwellen (BSW) [10,11,12,13] können verwendet werden, um die im Allgemeinen kleinen Modulationen optischer Parameter, die eine gegebene Biomolekülkonzentration widerspiegeln, zu unterscheiden [14, 15].

Die beliebteste auf Oberflächenwellenresonanz basierende Sensortechnologie ist die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-Methode [4, 16], die durch Anregung von Oberflächenplasmonenpolaritonen entlang einer Metall/Dielektrikum-Grenzfläche durch einfallendes Licht funktioniert. Leider kann SPR nur durch transversal-magnetisches Licht angeregt werden und eine Absorption mit starker Dispersion in den Metallkomponenten ist unvermeidlich. Die Empfindlichkeit der SPR-Biosensoren liegt im Allgemeinen in der Größenordnung von mehreren hundert Nanometern pro Brechungsindexeinheit (nm·RIU ⁻¹ ) [17, 18].

BSW ist eine vielversprechende Alternative zu SPPs. Die BSW-Technologie, die auf der volldielektrischen Struktur mit geringem optischem Verlust basiert, weist eine höhere Empfindlichkeit und eine einstellbare Feldverstärkung als andere Oberflächenwellen auf und kann mit verschiedenen chemischen Oberflächenmodifizierungsmethoden und optischen Detektionsmechanismen kombiniert werden [19,20,21]. Viele Forscher haben experimentell und theoretisch die Überlegenheit von BSW-Sensoren gegenüber SPPs-Sensoren nachgewiesen [22, 23]. Die Wellenlängenempfindlichkeit von 1D-BSW-Sensoren unter einer Kretschmann-Konfiguration beträgt mehrere Tausend nm·RIU ⁻¹ [24, 25]. Jüngste Forscher [26] demonstrierten eine faserbasierte BSW-Anregung für die RI-Erfassung mit einer Empfindlichkeit von etwa 650 nm/RIU für p -polarisiertes Licht und 930 nm/RIU für s -polarisiertes Licht. Die meisten auf 1D-Photonenkristallen (1DPC) basierenden Sensoren verwenden komplizierte Kretschmann-Prismen-gekoppelte Strukturen, um BSW anzuregen. Nur wenige Forscher haben gittergekoppelte BSW-Sensoren oder andere neue Designs erforscht, um die Komplexität von optischen Massenkomponenten zu reduzieren. Vijayet al. [27] berichteten über eine erhöhte Empfindlichkeit in einem Gitterprofil der obersten Schicht, das durch azimutale Abfrage bewertet wurde; der BSW-Leakage-Modus ist meist in sehr engen Rillen lokalisiert, die Biomoleküle nicht leicht durchdringen.

Zweidimensionale (2D) Gittervorrichtungen [28,29,30] haben aufgrund ihrer großen Erfassungsflächen und der relativ einfachen Herstellung ein attraktives Potenzial als Miniatur-RI-Sensoren. Dieses Papier schlägt ein alternatives Anregungsschema vor, das auf dem 2D-Gitterkopplungsmechanismus basiert. Ein BSW wird auf der Gitterseite realisiert, indem auf der Oberfläche eines Bragg-Spiegels, der BSW auf beiden Seiten trägt, Luftloch-Arrays aufgebracht werden. Hier präsentieren wir eine Konfiguration, um einfach die Möglichkeit der Kopplung eines BSW an der Spitze der gittergekoppelten Bragg-Spiegelstruktur zu demonstrieren, sowie ein alternatives Schema, das den Einfluss des verfügbaren dielektrischen Verlustes demonstriert. Wir haben die optische Leistung von Sensorkonfigurationen für die BSW-Anregung an verschiedenen Orten verglichen, wie unten ausführlich beschrieben.

Methoden

Fall 1:Oberflächenbeugungsgitter-BSW-Konfiguration (DG-BSW)

Ein schematisches Diagramm der Oberflächenbeugungsgitter-BSW-Konfiguration ist in Abb. 1 gezeigt. Der Einfallswinkel θ (Winkel zwischen einfallendem Strahl und Z -Achse) und den Azimutwinkel φ (Winkel zwischen dem negativen X -Achse und die einfallende Strahlprojektion im x–y Ebene) werden verwendet, um die Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts zu beschreiben. In den numerischen Berechnungen haben wir einen DBR (LH) mit fünf Perioden verwendet ⁵ wobei die L-Dielektrika einen RI von 1,46 (SiO₂ bei der Arbeitswellenlänge von λ ₀ = 657 nm) und die H-Schichten bestehen aus TiO₂ mit dem RI von 2,57. Die RIs beider TiO₂ und SiO₂ über den Bereich von 0,43 bis 0,8 μm werden als [27] ausgedrückt:

und

Oberflächenbeugungsgitter-BSW-Design in (x -y -z ) Referenzsystem. Die Struktur umfasst DBR mit wenigen Perioden, Pufferschicht und 2D-Gitter. Die Kopplung wird durch ein 2D-Beugungsgitter mit der Periode Λ . vermittelt = 510 nm, Lochradius r = 145 nm und Dicke h = 116 nm. Als externes Medium wird Luft angenommen (n _ext = 1)

Die Imaginärteile der Brechzahlen beziehen sich auf die Verluste in den dielektrischen Schichten. Zu diesen Verlusten zählen die intrinsische Materialabsorption und die Streuverluste im einfallenden Licht (\( {\upgamma}_{{\mathrm{SiO}}_2}=0\) und \( {\upgamma}_{{\mathrm{ TiO}}_2}={10}^{-4} \), in dieser Arbeit). Der DBR kann entsprechend als Viertelwellenlängenstapel für einen Einfallswinkel bei der Betriebswellenlänge dimensioniert werden. Die Dicken der entsprechenden Schichten betragen jeweils d _L = 100 nm und d _H = 70 nm.

Zur Herstellung des Oberflächenbeugungsgitter-BSW-Sensors wurde eine 116 nm dicke Schicht aus Siliziumnitrid (Si₃ N₄ ) wurde auf dem DBR mit einem Luftlochmuster [31, 32] abgeschieden, um die Gitterschicht zu bilden. Eine 60 nm-Pufferschicht, die ebenfalls aus Verbundwerkstoffen mit niedrigem Brechungsindex (SiO₂ ) wurde zwischen dem Bragg-Spiegel und dem Sub-Wellenlängen-Loch-Array-Gitter eingefügt. Die Gitterschicht ist dafür ausgelegt, die sich ausbreitenden Beleuchtungen an den BSW-Modus zu koppeln. Wie oben beschrieben, ist das Gitter im Wesentlichen eine periodische 2D-Anordnung von Strukturmerkmalen, die aus Luftlöchern hergestellt werden. In den nachfolgend beschriebenen numerischen Simulationen werden nur die physikalischen Abmessungen des Gitters (Periode Λ , Lochradius r , und Dicke h ) wurden angepasst, um BSW unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen anzuregen und die Reflexionsprofile zu optimieren.

Unter dem optimierten Locharray-Gitter bildet die Reflexion von der Gitter-Bragg-Konfiguration bei Anregung von BSW typische Fano-Resonanzprofile [33] mit scharfen Spitzen. Die Orte der Peaks zeigen den RI der zu untersuchenden Region an. Der Herstellungsprozess ist einfach und mit bestehenden MEMS-Fertigungstechnologien kompatibel, was die vorgeschlagene Vorrichtung massenproduzierbar macht und leicht in Biochips für eine Multiplex-Erkennung zu geringen Kosten integriert werden kann. Wir haben die hier beschriebenen Berechnungen mit Diffract MOD durchgeführt, das in die RSoft Photonics Suite integriert ist, die auf der Methode der rigorosen gekoppelten Wellenanalyse (RCWA) basiert [34, 35] und mehrere fortschrittliche Algorithmen mit Fourier-Oberwellen enthält, die periodische dielektrische Funktionen beschreiben.

Abbildung 2 zeigt die simulierte Verteilung des elektrischen Felds für s -polarisiertes Licht, wenn der umgebende RI 1 beträgt. Die gestrichelte Linie in Abb. 2 markiert die Gitter-Luft-Grenzfläche; z = 0 ist die andere Seitenfläche des Beugungsgitter-BSW-Sensors. Wie die Abbildung zeigt, wird das elektrische Feld nahe der Grenzfläche stark verstärkt und die BSW-Eindringtiefe erreicht in Luft fast 200 nm. Die lokale Feldstärke beträgt das 42-fache der maximalen einfallenden Lichtstärke bei einem Polarwinkel von θ = 4.3° und azimutaler Winkelbereich von etwa φ = 12°.

Berechnete elektrische Feldverteilung für s -polarisiertes Licht bei Resonanz, bei dem die Oberflächenwelle nur auf der oberen Oberfläche angeregt wird. Die weiße gestrichelte Linie repräsentiert 2D-Gitter, Pufferschicht und DBR-Schichten. Die Feldstärke des BSW-Modus (gelber Bereich) konzentriert sich auf Luftlöcher

Obwohl die vorgeschlagene Struktur theoretisch eine BSW-Anregung im Oberflächenbeugungsgittermodus bereitstellen kann, gibt es Effekte in Bezug auf den Detektionsprozess, die eine sorgfältige Betrachtung verdienen. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird das starke Feld in den kleinen Öffnungen des Lochgitters konzentriert. Der Analyt in der Luft kann nicht leicht in die kleinen Löcher eindringen und sammelt sich daher über dem Gitter an. Die Abnahme der Analytkonzentration in den Löchern führt zu einer kleinen Störung des Brechungsindex, die die Nachweisgrenze und Empfindlichkeit des BSW-Sensors senkt. Die Integration einer Auflichtbeleuchtungsvorrichtung und einer Sensorschicht erschwert auch die Herstellung von Sensoren auf dem Chip; Außerdem ist es sehr schwierig, die Interaktion zwischen ihnen abzuschätzen. Wir haben eine alternative Konfiguration untersucht, um diese Nachteile zu überwinden und gleichzeitig die exponentiell abfallende Verteilung des elektrischen Felds beizubehalten.

Fall 2:Alternative geführte gittergekoppelte BSW-Konfiguration (GC-BSW)

Bei dem vorgeschlagenen Schema wird der Erfassungsbereich nun an den Boden des gittergekoppelten BSW-Sensors verschoben, wodurch jegliche nachteilige Auswirkungen im Zusammenhang mit der Oberflächengitterstrukturdurchdringung vermieden werden (Abb. 3). Die Materialien für den DBR, die Pufferschicht und das Gitter sind den oben beschriebenen ähnlich. Im Gegensatz zum DG-BSW-Sensor ist der untere TiO₂ Schichtdicke wurde von 70 auf 30 nm reduziert.

3D-Schemadiagramm eines gittergekoppelten BSW-Resonanzsensors unter azimutaler Beleuchtung (φ ) in (x -y -z ) Referenzsystem inklusive Einfallswinkel (θ _inc ), Reflexion nullter Ordnung (R ₀ ) und 2D-Gitterparameter (Λ , r , h ). Der Erfassungsbereich befindet sich an der Unterseite des gittergekoppelten BSW-Sensors

Wir platzierten eine Biolösungsschicht mit einem RI nahe 1,333 (reines Wasser) neben dem äußersten hohen Brechungsindex (TiO₂ .). ) Schicht, wobei die Dicke des zu prüfenden Bereichs 2 μm beträgt. In diesem Fall mussten wir die Dicke der Sensorschicht nicht genau kontrollieren, da die äußere Oberfläche des untersuchten Bereichs die BSW-Moden-Anregung nicht wesentlich beeinflusst. Resonanz wird als s . gebildet -polarisiertes Licht fällt durch das Gitter unter einem bestimmten Winkel auf den DBR, und an der unteren Defektschicht, die von der zu testenden Lösung gebildet wird, treten Mehrfachreflexionen auf. Die Oberflächendefektzustandsstruktur verändert die elektromagnetische Feldverteilung am Boden des DBR aufgrund von Oberflächenwellenresonanz, und Mehrfachreflexionen in der Defektschicht bilden kohärente Interferenzen. Das elektromagnetische Feld wird lokal verstärkt und kann vollständig auf die zu testenden Probenmoleküle einwirken.

Wir haben festgestellt, dass die Empfindlichkeitseigenschaften während der dynamischen Überwachung der zu testenden Lösung durch das vorgeschlagene Schema verbessert werden können. Ähnlich wie SPPs sind BSWs an der Trunkierungskante des 1DPC lokalisiert, an der Schnittstelle zum externen Medium. Die 2D-Gitterentwurfsparameter sind im vorgeschlagenen Schema dieselben wie in der vorherigen Konfiguration (DG-BSW):Λ = 510 nm, r = 145 nm und h = 116 nm. Wie weiter unten im Detail diskutiert, haben wir die Eigenschaften der resonanten dielektrischen Mehrschichtsysteme DG-BSW und GC-BSW verglichen. Unser Hole-Array-Gitter-Design reduziert nicht nur die Herstellungskosten, sondern bietet auch eine relativ faire Umgebung für den Vergleich der Sensorleistung.

Ergebnisse und Diskussion

Wir haben optimierte BSW-Strukturen unter den beiden Erfassungsbedingungen entworfen, wie in den Abb. 1 und 3 mit s -polarisiertes Licht in beiden Fällen. Reflektivitätskurven dieser Moden als Funktion des Einfallswinkels und der Wellenlänge sind in Fig. 4a bzw. b gezeigt. DG-BSW- und GC-BSW-Fälle weisen scharfe Resonanzmerkmale bei ihrer Anregung sowohl als Funktion des Winkels als auch der Wellenlänge auf. Im DG-BSW-Gerät trat bei einer einfallenden Wellenlänge von etwa 660  nm ein scharfer Einbruchpeak bei θ . auf = 4,3° durch Einfallswinkelabfrage. Beim GC-BSW-Gerät beträgt der Resonanzwinkel θ = 7° entspricht einer einfallenden Wellenlänge von 633 nm. Wir haben festgestellt, dass, obwohl ein Resonanzpeak mit höherem Qualitätsfaktor Q (>10 ³ )-Wert durch Optimierung der Geräteparameter erreicht werden kann, erreichte die Wellenlängen- und Winkelempfindlichkeit des BSW-Sensors bei nicht azimutaler Beleuchtung nur etwa 100 nm/RIU und 280°/RIU. Unsere 3D-RCWA-Simulationen stimmen mit der Literatur überein [24]. Wir haben die neue Designfreiheit berücksichtigt, den Azimutwinkel φ , entsprechend.

Bloch-Oberflächenwelle bei φ = 0°. Blaue und rote Kurven stellen die BSW-Reflexion als Funktion des Einfallswinkels dar (a ) und Wellenlänge (b ) für DG-BSW- bzw. GC-BSW-Konfigurationen

Die simulierte Reflexion des GC-BSW-Sensors, der für den Betrieb in der Nähe von θ . entwickelt wurde = 7° und φ =10° ist in Fig. 5a gezeigt. BSW-Kopplung tritt in sehr schmalen Bereichen mit relativ geringer Reflexionsintensität auf (weiße Bereiche in Abb. 5a). Jeder Polarwinkel weist einen entsprechenden Azimutwinkel auf, der Anpassungsbedingungen zum Anregen des BSW erfüllt. Der BSW-Modus in der Heterostruktur zerfällt langsam mit zunehmenden Polar- und Azimutwinkeln und verschwindet dann in der Nähe von θ = 7,6° und φ = 12°. Angesichts der Schwierigkeit der Kleinwinkelüberwachung haben wir einen relativ großen Winkel gewählt, um den BSW zu koppeln. Der Resonanzpeak ist gegenüber Polarwinkeländerungen unempfindlich, jedoch sehr empfindlich gegenüber Azimutwinkeländerungen. Wir haben die Verteilung des elektrischen Felds des Probenpunkts berechnet (θ =7°; φ = 9,82°), um die Resonanz zu erkennen (Abb. 5b). Die Intensität fällt in Richtung der Grenzfläche Gitter/Luft ab, und das Feld oszillierte viele Male durch die periodische Struktur und es bildeten sich fünf Spitzen in der dielektrischen Grenzfläche des Brechungsindex L-H. Die hellgrüne gestrichelte Linie in Abb. 5b repräsentiert die Brechungsindexverteilung des GC-BSW-Sensors im Z -Achsenrichtung. Wir fanden heraus, dass die magnetische Feldstärke in der Biolösung entlang des Z . allmählich abfällt -Richtung, da die Wechselwirkung zwischen Licht und Lösung mit dem Abstand von der abgestumpften Schicht abnimmt. Die BSW-Eindringtiefe erreichte 2 μm innerhalb der Lösung, was zehnmal größer ist als in der DG-BSW-Konfiguration.

a GC-BSW-Sensorreflexion im Vergleich zu Azimut- und Polarwinkeln. BSW erstellt durch Illuminationen (λ ₀ = 633 nm) in der Nähe von θ = 7° und φ = 10°. BSW-Kopplung tritt in sehr schmalen Bereichen (weißer Bereich) mit relativ geringer Reflexionsintensität auf. b Elektrisches Feld (schwarze Linie) und Brechungsindexverteilung (dunkelgrüne gestrichelte Linie) innerhalb von Sensorkonfigurationen (Modus Fall 2). c x -y d x -z Draufsichten der Magnitudenkarte des elektrischen Felds, berechnet bei der Betriebswellenlänge λ ₀ = 633 nm. Weiße gestrichelte Linie zeigt die Positionen der Löcher im elektrischen Feld an

Abbildung 5c ​​und d zeigen Karten der elektrischen Feldstärke in x -y und x -z Ebenen, berechnet bei der Betriebswellenlänge λ ₀ = 633 nm . Die Ergebnisse von Fig. 5b und d stimmen sehr gut überein. Die Feldverteilung an der Lösung/TiO₂ Schnittstelle beeinflusst die Gesamtleistung des GC-BSW-Sensors durch das Überlappungsintegral zwischen dem evaneszenten Feld und der räumlichen Verteilung der Dielektrizitätskonstante des Erfassungsbereichs. Wir haben die Auswirkungen des Polarwinkels auf die azimutalen Reflexionsspektren in der GC-BSW-Konfiguration untersucht, indem wir Polarwinkel θ . getestet haben von 6,92°, 6,94°, 6,96°, 6,98°, 7° und 7,02°. Um die hohe Sensitivität zu beurteilen, haben wir auch die Halbwertsbreite (FWHM) des Resonanzeinbruchs und die Einbruchspeakhöhe bestimmt. Wie in Abb. 6 gezeigt, ergaben sich typische symmetrische Linienformen als Azimutwinkel θ erhöht. Die Höhe des Resonanzpeaks nahm mit abnehmendem Resonanzpeak FWHM zu. Bei einem größeren Polarwinkel verschiebt sich die BSW-Resonanz aufgrund des Wellenvektoranpassungseffekts zu einem größeren Azimutwinkel.

Azimutale Reflexionsspektren für verschiedene Einfallswinkel θ . Typische symmetrische Linienformen ergeben sich als Azimutwinkel θ steigt. Die BSW-Resonanzen verschieben sich aufgrund des Wellenvektoranpassungseffekts zu höheren Azimutwinkeln

Verlustfreie Materialien (d. h. solche mit Nullwerten für Extinktionskoeffizienten κ) werden in den meisten numerischen Simulationen angenommen [24, 25, 30]. Sinibaldiet al. [36] untersuchten den Einfluss von Materialverlusten auf die Leistung der BSW-Sensoren und fanden heraus, dass der Extinktionskoeffizient von Schichten mit hohem Index κ_H beeinflusst das Resonanzverhalten nur geringfügig; sie führten ein Aussterben ein κ_L = 10 ⁻⁴ zu den Schichten mit niedrigem Index, die über die Transfermatrixmethode (TMM) berechnet wurden. Verlustbehaftete Materialien sind erforderlich, um einen Einbruch im Reflexionsspektrum zu beobachten [22].

Um den Einfluss des Verlustes zu untersuchen, haben wir die azimutalen Reflexionsspektren von DG-BSW- und GC-BSW-Strukturen (Abb. 1 und 3) mit und ohne Berücksichtigung des Verlustes bewertet, wie in Abb. 7 gezeigt. In unserem Fall verlustfreies TiO₂ Materialien können den BSW-Dip-Peak im Reflexionsspektrum anregen. Verluste im DBR verschlechtern die im verlustfreien Fall erhaltene BSW-Linienform. Wir haben den Störungseffekt analysiert, der durch Werte ungleich null für κ auf die Resonanzen induziert wird. Im DG-BSW-Fall nahm die FWHM der Resonanzen zuerst ab und dann zu, wenn der Extinktionskoeffizient von 0 auf 10 ^–3 . anstieg , während die Resonanztiefe das Gegenteil bewirkte. Wir erreichten die optimale BSW-Resonanzlinienform, wenn der Extinktionskoeffizient κ 10 ⁻⁴ . erreichte . Die Resonanz ließ schnell nach, als die Koeffizienten weiter ansteigen (κ_H = 10 ⁻² ). In der GC-BSW-Konfiguration nahm die Linienbreite langsam als κ_H . zu stieg ebenso wie der BSW-Resonanz-Spitzenwert. Der Resonanzeinbruch wurde größer, wenn die Energieverluste innerhalb des Biosensors zunahmen.

a Variationen der Resonanzlinienform für DG-BSW-Konfiguration und Extinktionskoeffizienten κ_H = 0 (verlustfrei), 2 × 10 ⁻⁴ , 10 ⁻⁴ , 10 ⁻³ , 10 ⁻² . b Variationen für die GC-BSW-Konfiguration. Verlustfreies TiO₂ Materialien regen BSW-Dip-Peak im Reflexionsspektrum an. Extinktionskoeffizientenwerte unterdrücken die BSW-Resonanzbandkante

Unsere Ergebnisse legen nahe, dass verlustfreies TiO₂ Materialien ergeben eine optimale BSW-Resonanz. Wenn ein Verlust berücksichtigt wird, ein Imaginärteil von 10 ⁻³ kann die Amplitude der Reflexion und das Q . unterdrücken der Resonanz, ohne die Position des Peaks zu beeinflussen. Unsere Simulationen zeigten auch, dass die Extinktionskoeffizientenwerte eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des optimalen Kompromisses zwischen Tiefe und Breite (d. h. FWHM) der BSW-Resonanz spielen.

Das Hauptziel dieser Studie war die Erstellung eines Entwurfsschemas für markierungsfreie Sensorplattformen basierend auf einem 2D-Gitter zur Anregung von BSWs. Daher untersuchen wir weiterhin Sensorpositionen, um seine Leistung als RI-Sensor zu optimieren und zu verbessern. RI-Biosensoren sind im Allgemeinen dazu ausgelegt, kleine Brechungsindexmodulationen zu erkennen, die durch Variationen in den Konzentrationsverhältnissen von Biomolekülen verursacht werden. Wir betrachten daher die azimutale Empfindlichkeit (\({\mathrm{S}}_{n_{\mathrm{bio}},\varphi}\)) als sinnvolle Observable:

wo Δφ ist die Änderung des Azimutwinkels und Δn _biografie ist die Änderung des Brechungsindex der Sensorschicht. Die Reflektivitätskurven als Funktion des Azimutwinkels für verschiedene Biomolekülwerte sind in Abb. 8 dargestellt. Für die DG-BSW-Konfiguration ist die Wellenlänge (λ ₀ ) und Einfallswinkel (θ ) sind auf 657 nm bzw. 4,3° fixiert (Abb. 8a); für die GC-BSW-Konfiguration, λ ₀ = 633nm und θ = 7° (Fig. 8b). Wenn sich der Brechungsindex der Biomoleküle gleichmäßig ändert, zeigt die BSW-Resonanz in beiden Fällen eine Blauverschiebung. Das heißt, eine kleine Änderung des Brechungsindexwertes (Δn _biografie = 0,0005) bewirkt, dass die azimutale Winkelverschiebung zwischen den Resonanzpeaks bei kleinen azimutalen Winkeln größer wird.

Reflektivitätskurven als Funktion des Azimutwinkels für verschiedene Lösungswerte. a DG-BSW-Konfiguration, wobei Wellenlänge (λ ₀ ) und Einfallswinkel (θ ) sind auf 657 nm und 4,3° fixiert; b für GC-BSW-Konfiguration, λ ₀ = 633 nm und θ = 7°

Wir haben auch die Wahrnehmungseigenschaften der DG-BSW- und GC-BSW-Konfigurationen verglichen, um Empfindlichkeit (schwarzer Balken) und FWHM (roter Balken) vorherzusagen, wie in Abb. 9 als Funktion des umgebenden Brechungsindex (SRI) gezeigt. Wir fanden heraus, dass sowohl die Empfindlichkeit als auch die FWHM monoton anstiegen, wenn die Variationen der Biomoleküle zunahmen. Die Empfindlichkeit der GC-BSW-Konfiguration war etwa doppelt so hoch wie die der DG-BSW, während die FWHM der Resonanzen bei GC-BSW schmaler war als bei DG-BSW.

Erfassungseigenschaften des DG-BSW (a ) und GC-BSW (b ) Konfigurationen:vorhergesagte Sensitivität und FWHM als Funktion des SRI. Die Konfigurationsempfindlichkeit des GC-BSW ist etwa doppelt so hoch wie die des DG-BSW

Der Figure of Merit (FOM) [25] ist ein weiterer wichtiger Leistungsindikator für Sensoren. FOM kann im RI-Sensor verbessert werden, indem man FWHM verringert, die spektrale Empfindlichkeit S [°/RIU] erhöht oder beides, als FOM∝S/FWHM. Das FOM vieler optischer Sensoren wird durch einen intrinsischen Kompromiss zwischen spektraler Empfindlichkeit und FWHM eingeschränkt. Die azimutale Sensitivität erreichte 1190°/RIU für den DG-BSW-Fall und 2255°/RIU für den GC-BSW im maximalen Ausmaß (Gl. (3)). Dies impliziert, dass der GC-BSW-Sensor eine engere Überlappung zwischen dem Resonanzmodus und der Sensorschicht aufweist als der DG-BSW. Die Berechnungen unterstützen auch die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ergebnisse. 2 und 5b, wo die Sensorschicht des GC-BSW eine höhere Lichtfeldeindringtiefe hat, was zu einer höheren Empfindlichkeit als DG-BSW führt.

Es ist erwähnenswert, dass die Empfindlichkeit beider von uns getesteten BSW-Konfigurationen um eine Größenordnung höher ist als die des herkömmlichen prismenbasierten Schemas (siehe Tabelle 1). Im Gegensatz zu jedem Biosensordesign, das auf prismengekoppelter Anregung basiert, gibt es keine strikte Brechungsindexgrenze für den dielektrischen Verbundstoff, der in DG-BSW- oder GC-BSW-Konfigurationen verwendet wird [37,38,39,40,41,42]. Durch die richtige Skalierung der Parameter von 2D-Gitter und DBR können die vorgeschlagenen Sensorkonfigurationen in jedem Wellenlängenbereich effektiv realisiert werden.

Schlussfolgerungen

In dieser Studie untersuchten wir 2D-Gitterkonfigurationen und Sensoranwendungen mit Oberflächenbeugung. Wir bauten eine mehrschichtige dielektrische Heterostruktur aus Subwellenlängen-Loch-Array-Gitter und verteilter Bragg-Reflexion (DBR) mit wenigen Perioden (N = 5), um hochempfindliche BSW-Resonanzen mit niedrigen Seitenbändern zu realisieren. Eine Oberflächen-DG-BSW-Konfiguration und ein alternatives geführtes GC-BSW-Schema wurden basierend auf der RCWA-Methodik entworfen. Eine theoretische Empfindlichkeit von 2255°/RIU wurde mit einem kleinen Polarwinkel der Beleuchtung (< 10°) und Azimutal-Sweeps um die gleichen Werte erreicht. Die Winkelempfindlichkeit war eine Größenordnung höher als die von Sensoren, die auf prismengekoppelter Polarbeleuchtung basieren (im Allgemeinen nicht größer als 300°/RIU). Der optimierte GC-BSW-Sensor zeigte im Vergleich zum DG-BSW-Biosensor eine besonders starke Empfindlichkeitssteigerung (zweifach) und eine engere BSW-Resonanz. Beide in dieser Studie getesteten 2D-Gitter-gekoppelten Sensorplattformen weisen im Vergleich zu herkömmlichen BSW-RI-Sensoren einen niedrigen Qualitätsfaktor auf, können jedoch durch Abstimmung der Periode (Λ ), Lochradius (r ) und Dicke (h ).

Die vorgeschlagenen Schemata für aufregende Bloch-Oberflächenwellen, DG-BSW und GC-BSW, stellen kompakte Konfigurationen der neuen Klasse für die hochempfindliche Biosensorik dar und könnten eine wertvolle Gelegenheit bieten, in Zukunft nanoskalige „Lab-on-Chip“-Technologien zu entwickeln.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Abkürzungen

1DPC:

1D Photonischer Kristall

2D:

Zweidimensional

BSWs:

Bloch Oberflächenwellen

DBR:

Verteilte Bragg-Reflektoren

DG-BSW:

Beugungsgitter BSW

FOM:

Verdienstzeichen

FWHM:

Volle Breite auf halbem Maximum

GC-BSW:

Gittergekoppelte BSW

F:

Qualitätsfaktor

RCWA:

Rigorose gekoppelte Wellenanalyse

RI:

Brechungsindex

S:

Empfindlichkeit

SPPs:

Oberflächenplasmonenpolaritonen

SPR:

Oberflächenplasmonenresonanz

TMM:

Matrixmethode übertragen