Tweedimensionale hole-array-raspenkoppeling-gebaseerde excitatie van bloch-oppervlaktegolven voor zeer gevoelige biosensing

Abstract

In deze studie werd een tweedimensionale (2D) roosterstructuur met oppervlaktediffractie geplaatst op de bovenste laag van gedistribueerde Bragg-reflectoren (DBR's) voor biosensing. Bloch-oppervlaktegolfresonantie (BSW) werd gerealiseerd door een 2D-subgolflengte-gatarrayrooster te koppelen en kon op verschillende locaties worden geëxciteerd:het oppervlak van de 2D-roosterlaag of de interface tussen de DBR en de bio-oplossing. Materiaalverliezen in het meerlaagse diëlektricum werden gemeten om de robuustheid van dit schema te testen. Zowel de oppervlaktediffractierooster BSW (DG-BSW) als de alternatieve geleide roostergekoppelde BSW (GC-BSW) configuratie vertoonden een duidelijk verbeterde hoekgevoeligheid in vergelijking met conventionele prismagekoppelde schema's. Het opwindende van deze modi met behulp van een rooster-koppelingstechniek lijkt verschillende extreme gevoeligheidsmodi op te leveren met een maximum van 1190°/RIU voor DG-BSW en 2255°/RIU voor GC-BSW. Brekingsindexsensoren met een hoge verdienste kunnen via dergelijke compacte configuraties worden gerealiseerd.

Achtergrond

Speciaal ontworpen fotonische apparaten bieden de mogelijkheid van realtime, labelvrije selectieve detectie van verschillende chemische en biologische soorten voor een verscheidenheid aan medisch onderzoek en toepassingen voor milieumonitoring en in het bijzonder voor de optische detectie van minuscule hoeveelheden moleculen in sterk verdunde oplossingen [1 ,2,3]. Optische oppervlaktemodus resonantie-indices zoals oppervlakteplasmonpolaritonen (SPP's) [4,5,6], microcaviteit [8,1%) semitransparante en kleurrijke organische fotovoltaïsche cellen. Adv Funct Mater 28(7):1703398" href="/articles/10.1186/s11671-019-3159-8#ref-CR7" id="ref-link-section-d213170396e647">7], begeleide resonantie [ 8, 9] en Bloch-oppervlaktegolven (BSW) [10,11,12,13] kunnen worden gebruikt om onderscheid te maken tussen de over het algemeen kleine modulaties van optische parameter(s) die een bepaalde biomolecuulconcentratie weerspiegelen [14, 15].

De meest populaire op oppervlaktegolfresonantie gebaseerde detectietechnologie is de oppervlakte-plasmonresonantie (SPR)-methode [4, 16] die werkt door oppervlakteplasmonpolaritonen langs een metaal/diëlektrisch grensvlak te exciteren door invallend licht. Helaas kan SPR alleen worden geëxciteerd door transversaal magnetisch licht en absorptie vergezeld van sterke dispersie is onvermijdelijk in de metalen componenten. De gevoeligheid van de SPR-biosensoren ligt over het algemeen in de orde van enkele honderden nanometers per brekingsindexeenheid (nm·RIU⁻¹ ) [17, 18].

BSW is een veelbelovend alternatief voor SPP's. BSW-technologie, gebaseerd op de volledig diëlektrische structuur met laag optisch verlies, heeft een hogere gevoeligheid en instelbare veldverbetering dan andere oppervlaktegolven en kan worden gecombineerd met verschillende chemische oppervlaktemodificatiemethoden en optische detectiemechanismen [19,20,21]. Veel onderzoekers hebben experimenteel en theoretisch de superioriteit van BSW-sensoren ten opzichte van SPP-sensoren aangetoond [22, 23]. De golflengtegevoeligheid van 1D-BSW-sensoren onder een Kretschmann-configuratie is enkele duizenden nm·RIU⁻¹ [24, 25]. Recente onderzoekers [26] hebben op vezels gebaseerde BSW-excitatie voor RI-detectie aangetoond met een gevoeligheid van ongeveer 650 nm/RIU voor p -gepolariseerd licht en 930 nm/RIU voor s -gepolariseerd licht. De meeste op 1D fotonische kristallen (1DPC) gebaseerde sensoren maken gebruik van gecompliceerde Kretschmann-prisma-gekoppelde structuren om BSW te exciteren. Er zijn maar weinig onderzoekers die op roosters gebaseerde BSW-sensoren of andere nieuwe ontwerpen hebben onderzocht om de complexiteit van optische bulkcomponenten te verminderen. Vijay et al. [27] rapporteerde verhoogde gevoeligheid in een roosterprofiel van de bovenste laag, beoordeeld via azimutale ondervraging; de BSW-lekmodus is meestal gelokaliseerd in zeer smalle groeven die biomoleculen niet gemakkelijk doordringen.

Tweedimensionale (2D) roosterapparaten [28,29,30] hebben een aantrekkelijk potentieel als miniatuur RI-sensoren vanwege hun grote detectiegebieden en relatief gemak van fabricage. Dit artikel stelt een alternatief excitatieschema voor op basis van het 2D-rooster-koppelingsmechanisme. Een BSW wordt gerealiseerd aan de roosterzijde door luchtgatarrays aan te brengen op het oppervlak van een Bragg-spiegel, die BSW aan beide zijden ondersteunt. Hier presenteren we één configuratie om eenvoudig de mogelijkheid aan te tonen van het koppelen van een BSW op de punt van de roostergekoppelde Bragg-spiegelstructuur, evenals een alternatief schema dat de invloed van beschikbaar diëlektrisch verlies aantoont. We hebben de optische prestaties van sensorconfiguraties voor BSW-excitatie op verschillende locaties vergeleken, zoals hieronder in detail wordt besproken.

Methoden

Geval 1:BSW-configuratie met oppervlaktediffractieroosters (DG-BSW)

Een schematisch diagram van de oppervlaktediffractierooster BSW-configuratie wordt getoond in Fig. 1. De invalshoek θ (hoek tussen de invallende straal en Z -as) en de azimuthoek φ (hoek tussen de negatieve X -as en de projectie van de invallende bundel in de x–y vlak) worden gebruikt om de voortplantingsrichting van het invallende licht te beschrijven. In de numerieke berekeningen hebben we een DBR (LH)⁵ . met vijf perioden gebruikt waarbij de L-diëlektrica een RI hebben van 1,46 (SiO₂ op de werkgolflengte van λ ₀ = 657 nm) en de H-lagen zijn gemaakt van TiO₂ met de RI van 2,57. De RI's van beide TiO₂ en SiO₂ binnen het bereik van 0,43 tot 0,8 m worden uitgedrukt als [27]:

$$ {n}_{SiO_2}={\left(1+\frac{0.6962{\lambda}^2}{\lambda^2-{0.0684}^2}+\frac{0.4080{\lambda}^2 }{\lambda^2-{0.1162}^2}+\frac{0.8975{\lambda}^2}{\lambda^2-{9.8962}^2}\right)}^{\frac{1}{2 }} $$ (1)

$$ {n}_{TiO_2}={\left(5.913+\frac{0.2441{\lambda}^2}{\lambda^2-0.0803}\right)}^{\frac{1}{2}} $$ (2)

Oppervlaktediffractierooster BSW-ontwerp in (x -j -z ) referentie systeem. Structuur omvat enkele periode DBR, bufferlaag en 2D-rooster. Koppeling wordt bemiddeld door een 2D-diffractierooster met periode Λ = 510 nm, straal van het gat r = 145 nm, en dikte h =-116 nm. Extern medium wordt aangenomen als lucht (n _ext = 1)

De denkbeeldige delen van de brekingsindices verwijzen naar de verliezen in de diëlektrische lagen. Deze verliezen omvatten de intrinsieke materiaalabsorptie en de verstrooiingsverliezen in het invallende licht ($ {\upgamma}_{{\mathrm{SiO}}_2}=0 $ en $ {\upgamma}_{{\mathrm{ TiO}}_2}={10}^{-4} $, in dit werk). De DBR kan dienovereenkomstig worden gedimensioneerd als een kwartgolflengtestapel voor een invalshoek bij de operationele golflengte. De diktes van de corresponderende lagen zijn respectievelijk d _L = 100 nm en d _H = 70 nm.

Om de oppervlakte-diffractierooster BSW-sensor te fabriceren, werd een 116 nm dikke laag siliciumnitride (Si₃ N₄ ) werd bovenop de DBR afgezet met een luchtgatenpatroon [31, 32] om de roosterlaag te vormen. Een bufferlaag van 60 nm die ook is gemaakt van composieten met een lage brekingsindex (SiO₂ ) werd ingevoegd tussen de Bragg-spiegel en het subgolflengte-gatarrayrooster. De roosterlaag is ontworpen om de zich voortplantende verlichtingen te koppelen aan de BSW-modus. Zoals hierboven beschreven, is rooster in wezen een 2D periodieke reeks structurele kenmerken gemaakt van luchtgaten. In de hieronder beschreven numerieke simulaties zijn alleen de fysieke afmetingen van het rooster (periode Λ , gatradius r , en dikte h ) werden aangepast om BSW op te wekken onder verschillende verlichtingsomstandigheden en om de reflectieprofielen te optimaliseren.

Onder het geoptimaliseerde hole-array-rooster, wanneer BSW wordt geëxciteerd, vormt de reflectie van de rooster-Bragg-configuratie typische Fano-resonantieprofielen [33] met scherpe pieken. De locaties van de pieken geven de RI van het te onderzoeken gebied aan. Het fabricageproces is eenvoudig en compatibel met bestaande MEMS-fabricagetechnologieën, waardoor het voorgestelde apparaat in massa kan worden geproduceerd en gemakkelijk kan worden geïntegreerd in biochips voor multiplexdetectie tegen lage kosten. We hebben de hier beschreven berekeningen uitgevoerd met Diffract MOD geïntegreerd in RSoft Photonics Suite, die is gebaseerd op de rigoureuze gekoppelde-golfanalysemethode (RCWA) [34, 35] en verschillende geavanceerde algoritmen bevat met Fourier-harmonischen die periodieke diëlektrische functies beschrijven.

Figuur 2 toont de gesimuleerde elektrische veldverdeling voor s -gepolariseerd licht wanneer de omringende RI 1 is. De stippellijn in Fig. 2 markeert het grensvlak tussen rooster en lucht; z = 0 is het andere zijoppervlak van de diffractierooster BSW-sensor. Zoals de figuur laat zien, is het elektrische veld nabij het grensvlak sterk verbeterd en bereikt de BSW-penetrerende diepte bijna 200 nm in de lucht. De lokale veldintensiteit is 42 keer de maximale intensiteit van invallend licht bij een poolhoek van θ = 4,3° en azimuthoekdomein van ongeveer φ = 12°.

Berekende elektrische veldverdeling voor s -gepolariseerd licht bij resonantie waarbij de oppervlaktegolf alleen op het bovenoppervlak wordt geëxciteerd. Witte stippellijn staat voor 2D-rooster, bufferlaag en DBR-lagen. Veldintensiteit van BSW-modus (gele regio) is geconcentreerd in luchtgaten

Hoewel de voorgestelde structuur theoretisch BSW-excitatie kan bieden in de oppervlaktediffractie-rastermodus, zijn er effecten gerelateerd aan het detectieproces die zorgvuldige overweging verdienen. Zoals getoond in Fig. 2, is het sterke veld geconcentreerd in de kleine openingen van het hole-array rooster. De analyt in de lucht kan niet gemakkelijk doordringen in de kleine gaatjes en verzamelt zich dus boven het rooster. De afname van de analytconcentratie in de gaten veroorzaakt een kleine verstoring van de brekingsindex, die de detectielimiet en gevoeligheid van de BSW-sensor verlaagt. De integratie van een verlichtingsapparaat voor invallend licht en een detectielaag maakt ook de fabricage van sensoren op de chip moeilijk; verder is het erg moeilijk om de interactie tussen hen in te schatten. We hebben een alternatieve configuratie onderzocht om deze nadelen te overwinnen, terwijl de exponentieel afnemende elektrische veldverdeling behouden blijft.

Geval 2:alternatieve geleide roostergekoppelde BSW-configuratie (GC-BSW)

In het voorgestelde schema wordt het detectiegebied nu verplaatst naar de onderkant van de aan een rooster gekoppelde BSW-sensor, waardoor nadelige effecten met betrekking tot de penetratie van de oppervlakteroosterstructuur worden vermeden (Fig. 3). De materialen voor de DBR, bufferlaag en rooster zijn vergelijkbaar met die hierboven beschreven. In tegenstelling tot de DG-BSW-sensor, is de onderste TiO₂ laagdikte werd teruggebracht van 70 naar 30 nm.

3D schematisch diagram van roostergekoppelde BSW-resonantiesensor onder azimutale verlichting (φ ) in (x -j -z ) referentiesysteem inclusief invalshoek (θ _incl ), nulde-orde reflectie (R ₀ ), en 2D-roosterparameters (Λ , r , h ). Het detectiegebied bevindt zich aan de onderkant van de aan een rooster gekoppelde BSW-sensor

We plaatsten een bio-oplossingslaag met RI in de buurt van 1.333 (zuiver water) grenzend aan de buitenste hoge brekingsindex (TiO₂ ) laag, waarbij de dikte van het te onderzoeken gebied 2 m is. We hoefden in dit geval niet nauwkeurig de dikte van de detectielaag te regelen, omdat het buitenoppervlak van het onderzochte gebied de excitatie in de BSW-modus niet significant beïnvloedt. Resonantie wordt gevormd als s -gepolariseerd licht valt invallend op de DBR door het rooster onder een bepaalde hoek, en meerdere reflecties treden op bij de onderste defectlaag gevormd door de te testen oplossing. De structuur van de oppervlaktedefecttoestand verandert de elektromagnetische veldverdeling op de bodem van de DBR als gevolg van oppervlaktegolfresonantie, en meerdere reflecties in de defecte laag vormen coherente interferentie. Het elektromagnetische veld wordt lokaal versterkt en kan volledig inwerken op de te testen monstermoleculen.

We hebben geconstateerd dat de gevoeligheidskenmerken tijdens dynamische monitoring van de te testen oplossing kunnen worden verbeterd door het voorgestelde schema. Net als bij SPP's zijn BSW's gelokaliseerd aan de afknottingsrand van de 1DPC, op de interface met het externe medium. De ontwerpparameters van het 2D-rooster zijn hetzelfde in het voorgestelde schema als de vorige configuratie (DG-BSW):Λ = 510 nm, r = 145 nm, en h = 116 nm. Zoals hieronder in detail wordt besproken, hebben we de kenmerken van resonante diëlektrische meerlaagse systemen DG-BSW en GC-BSW vergeleken. Ons hole-array roosterontwerp verlaagt niet alleen de productiekosten, maar biedt ook een relatief eerlijke omgeving voor het vergelijken van sensorprestaties.

Resultaten en discussie

We hebben geoptimaliseerde BSW-structuren ontworpen onder de twee sets detectieomstandigheden zoals getoond in Fig. 1 en 3 met s -gepolariseerd licht in beide gevallen. Reflectiviteitscurven van deze modi als functie van de invalshoek en golflengte worden respectievelijk getoond in Fig. 4a en b. DG-BSW- en GC-BSW-behuizingen hebben scherpe resonantiekenmerken bij hun excitatie, zowel als een functie van hoek en golflengte. In het DG-BSW-apparaat verscheen, toen de invallende golflengte rond 660 nm was, een scherpe dippiek bij θ =-4,3° door ondervraging van de invalshoek. In het GC-BSW-apparaat is de resonantiehoek θ = 7° komt overeen met een invallende golflengte van 633 nm. We ontdekten dat, hoewel een resonante piek met een hogere kwaliteitsfactor Q (>10³ ) waarde kan worden verkregen door de apparaatparameters te optimaliseren, de golflengtegevoeligheid en hoekgevoeligheid van de BSW-sensor bereikten slechts ongeveer 100 nm/RIU en 280°/RIU onder niet-azimutale verlichting. Onze 3D RCWA-simulaties komen overeen met de literatuur [24]. We hebben rekening gehouden met de nieuwe ontwerpvrijheid, azimuthoek φ , dienovereenkomstig.

Bloch oppervlaktegolf bij φ = 0°. Blauwe en rode curven geven de BSW-reflectie weer als een functie van de invalshoek (a ) en golflengte (b ) voor respectievelijk DG-BSW- en GC-BSW-configuraties

De gesimuleerde reflectie van de GC-BSW-sensor ontworpen om te werken in de buurt van θ = 7° en φ = 10° wordt getoond in Fig. 5a. BSW-koppeling vindt plaats in zeer smalle gebieden met een relatief lage reflectie-intensiteit (witte gebieden in Fig. 5a). Elke polaire hoek heeft een overeenkomstige azimuthoek die voldoet aan bijpassende voorwaarden om de BSW te exciteren. De BSW-modus in de heterostructuur vervalt langzaam naarmate de polaire en azimutale hoeken toenemen, en verdwijnt dan bij θ = 7.6° en φ = 12°. Gezien de moeilijkheid van monitoring onder een kleine hoek, hebben we gekozen voor een relatief grote hoek om de BSW te koppelen. De resonantiepiek is ongevoelig voor polaire hoekveranderingen maar zeer gevoelig voor azimutale hoekveranderingen. We hebben de elektrische veldverdeling van het monsterpunt berekend (θ = 7°; φ = 9,82°) om de resonantie te herkennen (Fig. 5b). De intensiteit neemt af in de richting van het rooster/lucht-interface en het veld oscilleerde vele malen door de periodieke structuur en vijf pieken gevormd in de L-H brekingsindex diëlektrische interface. De lichtgroene stippellijn in Fig. 5b geeft de brekingsindexverdeling van de GC-BSW-sensor in de Z weer -as richting. We ontdekten dat de magnetische veldintensiteit in de bio-oplossing geleidelijk afneemt langs de Z -richting, omdat de interactie tussen licht en oplossing afneemt met de afstand tot de afgeknotte laag. De BSW-penetratiediepte bereikte 2 m in de oplossing, wat tien keer groter is dan in de DG-BSW-configuratie.

een GC-BSW sensorreflectie versus azimutale en polaire hoeken. BSW gemaakt door verlichting (λ ₀ = 633 nm) nabij θ = 7° en φ = 10°. BSW-koppeling vindt plaats in zeer smalle gebieden (wit gebied) met een relatief lage reflectie-intensiteit. b Elektrisch veld (zwarte lijn) en brekingsindexverdeling (donkergroene stippellijn) binnen detectieconfiguraties (geval 2-modus). c x -j d x -z bovenaanzichten van de magnitudekaart van het elektrisch veld, berekend op operationele golflengte λ ₀ = 633 nm. Witte stippellijn geeft de locaties van de gaten in het elektrische veld aan

Figuur 5c en d tonen de magnitudekaarten van het elektrische veld in x -j en x -z respectievelijk vlakken berekend op de operationele golflengte λ ₀ = 633 nm . De resultaten van Fig. 5b en d komen nauw overeen. De veldverdeling bij de oplossing/TiO₂ interface beïnvloedt grotendeels de algehele prestaties van de GC-BSW-sensor door de overlap-integraal tussen het verdwijnende veld en de ruimtelijke verdeling van de diëlektrische constante van het detectiegebied. We hebben de effecten van de polaire hoek op de azimutale reflectiespectra in de GC-BSW-configuratie onderzocht door polaire hoeken θ te testen. van 6,92°, 6,94°, 6,96°, 6,98°, 7° en 7,02°. Om de hoge gevoeligheid te beoordelen, hebben we ook de volledige breedte op half maximum (FWHM) van de resonante dip en de piekhoogte van de dip bepaald. Zoals getoond in Fig. 6, kwamen typische symmetrische lijnvormen naar voren als de azimuthoek θ toegenomen. De resonantiepiekhoogte nam toe naarmate de resonantiepiek FWHM afnam. Bij een grotere polaire hoek verschoof de BSW-resonantie naar een grotere azimuthoek als gevolg van het golfvector-aanpassingseffect.

Azimutale reflectiespectra voor verschillende invalshoeken θ . Typische symmetrische lijnvormen ontstaan als azimuthoek θ neemt toe. De BSW-resonanties verschuiven naar hogere azimuthoeken vanwege het golfvector-afstemmingseffect

Verliesvrije materialen (d.w.z. die met nulwaarden voor extinctiecoëfficiënten κ) worden verondersteld in de meeste numerieke simulaties [24, 25, 30]. Sinibaldi et al. [36] bestudeerde de invloed van materiaalverliezen op de prestaties van de BSW-sensoren om te ontdekken dat de extinctiecoëfficiënt van lagen met een hoge index κ_H heeft slechts een geringe invloed op de resonantiekarakteristieken; ze introduceerden een uitsterving κ_L = 10⁻⁴ naar de lage indexlagen berekend via de transfermatrixmethode (TMM). Losse materialen zijn nodig om een dip in het reflectiespectrum [22] waar te nemen.

Om de invloed van verlies te bestuderen, hebben we de azimutale reflectiespectra van DG-BSW- en GC-BSW-structuren beoordeeld (Fig. 1 en 3) met en zonder rekening te houden met het verlies zoals getoond in Fig. 7. In ons geval, verliesvrije TiO₂ materialen kunnen de BSW-dippiek in het reflectiespectrum opwekken. Verliezen in de DBR verslechteren de BSW-lijnvorm die wordt verkregen in het verliesvrije geval. We analyseerden het verstoringseffect dat wordt veroorzaakt door niet-nulwaarden voor κ op de resonanties. In het DG-BSW-geval nam de FWHM van de resonanties eerst af en nam vervolgens toe naarmate de extinctiecoëfficiënt toenam van 0 tot 10⁻³ , terwijl de resonantiediepte het tegenovergestelde deed. We bereikten de optimale vorm van de BSW-resonantielijn toen de extinctiecoëfficiënt κ 10⁻⁴ bereikte . De resonantie nam snel af naarmate de coëfficiënten verder toenamen (κ_H = 10⁻² ). In de GC-BSW-configuratie nam de lijnbreedte langzaam toe als κ_H nam toe, evenals de BSW-resonantiepiekwaarde. De resonantiedip werd groter naarmate het energieverlies in de biosensor toenam.

een Vormvariaties van de resonantielijn voor DG-BSW-configuratie en extinctiecoëfficiënten κ_H = 0 (verliesloos), 2 × 10⁻⁴ , 10⁻⁴ , 10⁻³ , 10⁻² . b Variaties voor GC-BSW-configuratie. Lossless TiO₂ materialen wekken BSW-dippiek op in het reflectiespectrum. Uitstervingscoëfficiëntwaarden onderdrukken de rand van de BSW-resonantieband

Onze resultaten suggereren dat verliesvrije TiO₂ materialen zorgen voor een optimale BSW-resonantie. Bij het overwegen van verlies, een denkbeeldig deel zo groot als 10⁻³ kan de amplitude van de reflectie en de Q . onderdrukken van de resonantie zonder de positie van de piek te beïnvloeden. Onze simulaties toonden ook aan dat de extinctiecoëfficiëntwaarden een cruciale rol spelen bij het bepalen van het optimale compromis tussen de diepte en breedte (d.w.z. FWHM) van BSW-resonantie.

Het primaire doel van deze studie was om een ontwerpschema op te stellen voor labelvrije detectieplatforms op basis van een 2D-rooster om BSW's te prikkelen, dus we blijven detectielocaties verkennen om de prestaties als RI-sensor te optimaliseren en te verbeteren. RI-biosensoren zijn over het algemeen ontworpen om kleine brekingsindexmodulaties te detecteren die worden veroorzaakt door variaties in de concentratieverhoudingen van biomoleculen. We beschouwen de azimutale gevoeligheid ($ {\mathrm{S}}_{n_{\mathrm{bio}},\varphi } $) dus als een zinvol waarneembaar:

$$ {\mathrm{S}}_{n_{\mathrm{bio}},\varphi }=\frac{\varDelta \varphi}{\varDelta {n}_{\mathrm{bio}}} $$ ( 3)

waar Δφ is de verandering in azimuthoek en Δn _bio is de verandering in de brekingsindex van de detectielaag. De reflectiviteitscurven als functie van de azimuthoek voor verschillende biomolecuulwaarden worden getoond in Fig. 8. Voor de DG-BSW-configuratie is de golflengte (λ ₀ ) en invalshoek (θ ) zijn vastgezet op respectievelijk 657 nm en 4,3° (Fig. 8a); voor de GC-BSW-configuratie, λ ₀ = 633nm en θ = 7° (afb. 8b). Wanneer de brekingsindex van de biomoleculen gelijkmatig verandert, piekt de BSW-resonantie in beide gevallen op blauwe verschuiving. Dat wil zeggen, een kleine verandering in de waarde van de brekingsindex (Δn _bio = 0,0005) zorgt ervoor dat de azimuthoekverschuiving tussen de resonantiepieken groter wordt bij kleine azimuthoeken.

Reflectiviteitscurven als functie van de azimuthoek voor verschillende oplossingswaarden. een DG-BSW-configuratie, waarbij golflengte (λ ₀ ) en invalshoek (θ ) zijn gefixeerd op 657 nm en 4,3°; b voor GC-BSW-configuratie, λ ₀ = 633 nm en θ = 7°

We hebben ook de detectiekenmerken van de DG-BSW- en GC-BSW-configuraties vergeleken om de gevoeligheid (zwarte balk) en FWHM (rode balk) te voorspellen, zoals weergegeven in figuur 9 als een functie van de omringende brekingsindex (SRI). We ontdekten dat zowel de gevoeligheid als de FWHM monotoon toenam naarmate de variaties in biomoleculen toenam. De gevoeligheid van de GC-BSW-configuratie was ongeveer twee keer die van de DG-BSW, terwijl de FWHM van de resonanties smaller was in GC-BSW dan die van DG-BSW.

Detectiekenmerken van de DG-BSW (a ) en GC-BSW (b ) configuraties:voorspelde gevoeligheid en FWHM als functie van SRI. De gevoeligheid van de GC-BSW-configuratie is ongeveer twee keer zo groot als die van de DG-BSW

Figuur van verdienste (FOM) [25] is een andere belangrijke prestatie-indicator voor sensoren. FOM kan in de RI-sensor worden verbeterd door FWHM te verlagen, de spectrale gevoeligheid S [°/RIU] te verhogen, of beide, als FOM∝S/FWHM. De FOM van veel optische sensoren wordt beperkt door een intrinsieke afweging tussen spectrale gevoeligheid en FWHM. De azimutale gevoeligheid bereikte 1190°/RIU voor het DG-BSW-geval en 2255°/RIU voor de GC-BSW bij de maximale omvang (Vgl. (3)). Dit houdt in dat de GC-BSW-sensor een nauwere overlap heeft tussen de resonantiemodus en de detectielaag dan DG-BSW. De berekeningen ondersteunen ook de resultaten getoond in Fig. 2 en 5b, waarbij de detectielaag van de GC-BSW een hogere penetratiediepte van het lichtveld heeft, wat leidt tot een hogere gevoeligheid dan DG-BSW.

Het is vermeldenswaard dat de gevoeligheid van beide BSW-configuraties die we hebben getest een orde van grootte hoger is dan die van het conventionele op prisma's gebaseerde schema (zie tabel 1). In tegenstelling tot elk biosensorontwerp op basis van prismagekoppelde excitatie, is er geen strikte brekingsindexlimiet voor het diëlektrische composiet dat wordt gebruikt in DG-BSW- of GC-BSW-configuraties [37,38,39,40,41,42]. Door de parameters van 2D-roosters en DBR op de juiste manier te schalen, kunnen de voorgestelde sensorconfiguraties effectief worden gerealiseerd in elk golflengtebereik.

Conclusies

In deze studie hebben we 2D-roosterconfiguraties en detectietoepassingen voor oppervlaktediffractie onderzocht. We bouwden een meerlagige diëlektrische heterostructuur van subgolflengte hole-array rooster en gedistribueerde Bragg-reflectie (DBR) met enkele perioden (N = 5) om hooggevoelige BSW-resonanties met lage zijbanden te realiseren. Een DG-BSW-configuratie aan het oppervlak en een alternatief geleid GC-BSW-schema werden ontworpen op basis van de RCWA-methodologie. Een theoretische gevoeligheid van 2255°/RIU werd bereikt met een kleine polaire hoek van de verlichting (<-10°) en azimutale hoekzwaaien rond dezelfde waarden. De hoekgevoeligheid was één orde hoger dan die van sensoren op basis van prisma-gekoppelde polaire belichtingen (in het algemeen niet groter dan 300°/RIU). De geoptimaliseerde GC-BSW-sensor vertoonde een bijzonder grote toename in gevoeligheid (tweevoudig) en smallere BSW-resonantie in vergelijking met de DG-BSW-biosensor. Beide 2D-grating-gekoppelde sensorplatforms die in dit onderzoek zijn getest, vertonen een lage kwaliteitsfactor in vergelijking met traditionele BSW RI-sensoren, maar ze kunnen worden verbeterd door de periode af te stemmen (Λ ), gatradius (r ), en dikte (h ).

De voorgestelde schema's voor opwindende Bloch-oppervlaktegolven, DG-BSW en GC-BSW, vertegenwoordigen nieuwe klasse compacte configuraties voor zeer gevoelige biosensing en kunnen in de toekomst een waardevolle kans bieden om 'lab-on-chip'-technologieën op nanoschaal te ontwikkelen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens die tijdens dit onderzoek zijn gegenereerd of geanalyseerd, zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel.

Afkortingen

1DPC:: 1D fotonisch kristal
2D:: Tweedimensionaal
BSW's:: Bloch oppervlaktegolven
DBR:: Gedistribueerde Bragg-reflectoren
DG-BSW:: Diffractie-rooster BSW
FOM:: Cijfer van verdienste
FWHM:: Volledige breedte op halve maximum
GC-BSW:: Roostergekoppelde BSW
V:: Kwaliteitsfactor
RCWA:: Strenge gekoppelde golfanalyse
RI:: Brekingsindex
S:: Gevoeligheid
SPP's:: Oppervlakte plasmon polaritonen
SPR:: Oppervlakteplasmonresonantie
TMM:: Overdrachtsmatrixmethode

Grafeenoxide in een composiet met zilveren nanodeeltjes vermindert de fibroblast- en endotheelcelcytotoxiciteit van een antibacterieel nanoplatform Een op fenantroline gebaseerde fluorescerende sonde voor zeer selectieve detectie van extreme alkaliteit (pH > 14) in waterige oplossing

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal