基于损耗模态共振原理的生物传感器

王 辉，鲁 力，宋晨琳，赵士玉，郑程程，张秋萍

（合肥师范学院，电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽合肥230601）

1982年，Claes Nylander等人首次提出基于表面等离激元谐振（SPR）原理的传感器[1]，该传感器使用Kretschmann结构，极大地推动了生物医学传感器[2-3]的发展，已经有公司将该类型的传感器商品化了，如Biocore Co.Ltd和Xantec Bioanalytics Co.Ltd。然而，SPR传感器[4-5]的灵敏度目前已经达到了极限[6]，且这样的结构只有p-极化（TM）模态能有效产生表面等离子波，s-极化（TE）波的能量无法被利用，反而产生噪声。在Kretschmann结构中，如果将金属层替换成特定厚度的半导体薄膜材料，在一定条件下会产生损耗模态共振（LMR）[7-8]。相较于SPR，LMR具有高敏感性，有利于微量生物分子的感测，这使得LMR在生物医学领域被视为极具发展潜力的感测技术之一。目前，LMR感测器结构普遍采用光纤作为导光基材，但光纤的材质与结构脆弱，加工困难，且感测光纤前后须留长约1米的接续光纤，这使整条光纤感测元件在镀膜与表面改质过程中变得更加困难，不利于产品的量产。因此，有必要研究更适合量产、同时兼具灵敏度的感测元件结构。蛋白质的检测一直是生物医学上非常重要的课题。传统的方法为酵素连结免疫吸附分析法（ELISA）[9]，该方法需复杂的预处理过程且步骤具有局限性，往往需经数小时至数日才能完成某一种检测，对于需要多种检测交叉比对的生医反应，处理过程相当费时。虽然当待测物体积减少时，反应面积与待测物体积的比率相对增加，待测物的反应速率可以加快，可是一旦待测物含量过低，即面临感测信号大幅减弱的问题。增加信号强度或提升感测装置的灵敏度，是解决上述问题的两种方式。目前有使用人工方式复制生医分子的方法，以增大信号强度，但对于无法利用人工方式增量的分子，则必须提高检测装置的灵敏度。鉴于以上问题，本论文提出基于LMR原理的生物传感器设计方案。

1 LMR传感器的结构与原理

LMR传感器感测区的结构如图1所示，在平板波导表面（折射率n1、厚度d1及长度L）镀上一层高折射率n2介质层（厚度d2），形成感测区。通过高折射率介质层破坏界面的全反射，从而形成损失模态。对于某些波长的特定入射角，当损失模态的传播常数与波导模态的传播常数相等时，会形成共振，使得大部分能量进入损失模态，因此无法传递至另一端，在光谱仪上可以看到能量掉落的谷值。而损失模态的传播常数与待测物的折射率相关，因此，光谱仪上谷值会随着待测物的微变化而明显移动，此即LMR现象。

图1 LMR传感器感测区结构示意图

本文提出的传感器结构类似Kretschmann架构，当光在感测区内形成全反射时，反射次数N(θ)与入射角θ、感测区长度L及平板波导厚度d1有关，可表示成

输出端的归一化透射率可表示成[10]

其中RN(θ)(θ,λ)代表在界面处的反射系数，是入射角θ与波长λ的函数，θc是临界角，P(θ,λ)是光源的分布函数[11]，可表示为。对于一般入射光来说，其TE和TM模态会各占一半，故反射系数可表示为[12]

常用的金属氧化物薄膜材料可以选择ITO[13-14]、TiO2[15]、SnO2[16]等。因为ITO材料本身化学性质稳定，属于透明且导电的氧化物，已大量应用于液晶显示器、手机、电视、触控模块等，材料制程相对成熟。近年来，以ITO为材料的传感器陆续被提出[17-18]。我们选用量产技术很成熟的ITO薄膜作为薄膜材料，未来以ITO平板波导结构为基础的LMR感测平台，一旦能广泛应用于生医感测、化学感测等领域，将有可能成为又一个具有潜力的发展方向。ITO材料的介电系数可采用Drude模型[19]

其中，ε∞=3.8代表高频介电常数，λp=0.564 9 m是等离子体波长，λc=11.121m是共振频率对应的波长。

2 仿真优化

为提高传感器的感测灵敏度，下面将通过仿真优化，得到金属氧化物薄膜厚度的最佳参数。以折射率为1.41的蛋白质作待测物，波导长度20 mm，厚度0.2 mm，在70°角入射下仿真得到不同ITO厚度的透射系数，如图2所示。由图2可看出，ITO厚度为50 nm的时候，在工作波段（1～1.8）μm没有共振波长存在。随着ITO厚度的增加，LMR共振波长由1.27μm位移到1.32μm。为了具有较好的穿透度和灵敏度，选择ITO的厚度为150 nm。在其他条件不变的状况下，图3给出了不同待测物时的透射系数。由图3看出，随着折射率的变大，透射系数逐渐变小，且共振波长由1.288μm位移到1.416μm。灵敏度定义为Δλ/Δn，表1给出了不同待测物对应的灵敏度。由表1可看出，灵敏度最高可达7 200 nm/RIU，平均灵敏度也可达4 267 nm/RIU。

图2 ITO厚度不同时的透射系数曲线

图3 不同待测物时的透射系数曲线

表1 灵敏度

3 LMR传感器的制备和感测平台设计

3.1 传感器制作过程

LMR传感器制作过程如下：选取光学性质及平坦度较佳的钠钙玻璃（soda-lime glass），其透射率每0.5 mm大于90%，常用于各种仪器视窗。先将玻璃切割成长20 mm、宽10 mm的尺寸，依次以中性洗洁剂、甲醇、丙酮清洗，用氮气吹干再用烤箱烤干。然后利用溅镀系统（DC Sputter system）将玻璃表面镀上所需厚度的ITO薄膜，最后向感测平台上滴具有不同折射率的物质（如水和葡萄糖）来测量是否产生了10 nm以上明显位移效果，如果没有则需重新制作。

3.2 传感器结构

感测平台的结构包含感测平台基座、左右两条导光的光纤及表面具有感测薄膜的玻璃基板，如图4所示。基座平台呈凹字型，正好可紧密镶入玻璃基板作为传感器，左右两端留有隧道，可导入光纤。导光光纤有两种选择，一是利用一对直径为980μm的塑胶光纤，较小的发散角，能传输大量光线；二是利用一对多模光纤的准直器，工作距离10 mm～20 mm，完成光的输入与输出耦合。

图4 LMR感测平台设计

LMR传感器的特性测量实验架设如图5所示。以频宽（400～1 800）nm的卤素光源ANDO AQ-4303B搭配光谱分析仪ANDO AQ-6315A（Optical Spectrum Analyzer,OSA），测量光纤传感器在DI水、不同浓度葡萄糖下的共振波长及能量强度变化，得到其LMR感测效果，并找出共振波长。

图5 LMR传感器的特性测量实验

3.3 ITO表面改质

仅靠着ITO的疏水特性来附着蛋白分子，分子相互作用力较弱，无法区分整体溶液特性及蛋白质溶质含量的差异。因此，需要增加蛋白质在感测层的丰富度，即提升其界面浓度、强化测量的感度。先在ITO表面以AgNO3水溶液电镀一层Ag原子，再用硫醇浸泡银表面，使硫醇分子固定于银表面，最后以硫醇末端特定官能基团（胺基-NH2或羧基-COOH）的自组装单层膜（Self Assembly Monolayer）界面，作为抓取蛋白分子的反应机制，整个修饰界面即可做为蛋白分子的界面探针，如图6所示。

图6 表面改质作用原理

4 结论

综上所述，利用光学平板玻璃机械强度佳、易加工、低成本的优点，制作出高灵敏度的LMR蛋白分子感测传感器。玻璃平板式LMR传感器的提出以及将其用于感测蛋白分子，具有一定的创新性。LMR对光源模态的选择没有限制，极具发展潜力。未来可通过在感测区做不同改质，用于检测细菌、抗体、DNA等待测物，这一基础且实用性技术可作为国内外生医领域及光电领域的发展参考。

致谢：特别感谢台湾铭传大学电子工程学系林鈺城副教授对本论文提出的宝贵意见。