魏晨崴 曹暾2)?

1) (大連理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 大連 116000)

2) (大連理工大學(xué)光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院, 大連 116000)

生物傳感器是近年來的熱點(diǎn)研究方向, 其中基于折射率變化的光學(xué)傳感器在靈敏度方面具有很大優(yōu)勢(shì).本文基于α-MoO3 設(shè)計(jì)了一種集成微流腔的法布里-珀羅諧振腔比色生物傳感器.理論分析了BK7/Ag/SiO2作為諧振腔反射面的可行性, 并進(jìn)一步用傳輸矩陣法分析了所設(shè)計(jì)的比色生物傳感器的透射光譜.當(dāng)微流腔通過不同濃度的NaCl 溶液時(shí), 比色生物傳感器顯示出明顯的顏色變化.該比色生物傳感器靈敏度最高可達(dá)600 nm/RIU, 可分辨NaCl 溶液9‰的濃度變化.由于α-MoO3 具有獨(dú)特的各向異性的光學(xué)性質(zhì), 該比色傳感器可以通過簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)工作波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)以更好地適應(yīng)人眼的光敏感區(qū).另一方面, 調(diào)節(jié)微流腔的厚度也改變?cè)摫壬飩鞲衅鞯墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng).該比色生物傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成、操作成本低、實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn),為以后設(shè)計(jì)可調(diào)諧比色傳感器提供了一種新的選擇.

1 引 言

近年來, 生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)療保健領(lǐng)域?qū)z測(cè)液體中生物成分和化學(xué)成分的需求逐漸增長(zhǎng)[1?3].在現(xiàn)階段多種的傳感分析技術(shù)中, 基于折射率變化的光學(xué)傳感技術(shù)在靈敏度方面有很大的優(yōu)勢(shì).例如, 通過檢測(cè)葡萄糖溶液的折射率變化可以確定葡萄糖溶液的濃度, 進(jìn)而可以用于控制糖尿病[4].在過去的研究中, 已有多種傳感器用于檢測(cè)溶液折射率的變化, 其中最主要的類型是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且尺寸緊湊的光纖生物傳感器.然而這種光纖生物傳感器仍存在一些缺點(diǎn), 比如靈敏度相對(duì)較低(基于光柵的光纖)、機(jī)械強(qiáng)度和耐久性較弱(錐形光纖傳感器)、昂貴的微加工程序[5?7].另一方面, 基于表面等離子共振的光學(xué)生物傳感器已被證實(shí)具有高靈敏度和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力[8], 但這種傳感器造價(jià)高昂且對(duì)環(huán)境溫度敏感.

法布里-珀羅諧振腔(Fabry-Pérot, FP)諧振腔有著悠久的歷史, 1899 由Pérot 和Fabry 提出并設(shè)計(jì)[9].在光學(xué)領(lǐng)域中, FP 諧振腔是指由兩片平行反射面(反射鏡)構(gòu)成的光學(xué)腔.只有滿足FP 諧振腔的共振條件, 光波才能穿過該諧振腔[10].FP 諧振腔具有控制、測(cè)量光波的能力, 廣泛應(yīng)用于通訊、激光、光譜學(xué)、傳感器等領(lǐng)域[11?14].隨著加工制造技術(shù)的提高, 多種可調(diào)諧FP 諧振腔被設(shè)計(jì)制造[15,16]出來.最近, 一種集成微流腔的FP 生物傳感器被提出.通過調(diào)節(jié)FP 諧振腔兩面反射鏡間的有效介質(zhì), FP 諧振腔可以揭示其對(duì)相移改變或吸收率改變的敏感度[13,14].因此, FP 諧振腔是一種設(shè)計(jì)無標(biāo)簽生物傳感器的優(yōu)秀方法.FP 諧振腔傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 制備成本低, 可以有效地替代其他用于檢測(cè)溶液中生物成分的光學(xué)生物傳感器.

二維范德瓦爾斯(2D van der Waals, 2D vdW)材料吸引了大量的研究.2D vdW 材料是由層狀晶體構(gòu)成, 層與層之間通過范德瓦爾斯力約束,具有很多獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì).自從石墨烯于2004 年被成功制備[17]以來, 越來越多的2D 材料加入了2D vdW 材料這個(gè)大家庭.石墨烯具有典型的對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu), 表現(xiàn)出各向同性的物理性質(zhì).另一類2D vdW 材料的晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同程度的不對(duì)稱性, 如黑磷(black phosphorus, BP)[18?23]、碲化鎵 (gallium telluride, GaTe)[24?26]、六角氮化硼(hexagonal boron nitride, hBN)[27,28].由于晶體結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性, 這類2D vdW 材料不僅能如各向同性的石墨烯一樣具有高開關(guān)比、高電子移動(dòng)性等2D 材料的性質(zhì), 還可以表現(xiàn)出電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等方面的各向異性.這種各向異性豐富了物理學(xué)應(yīng)用, 并為設(shè)計(jì)可調(diào)諧裝置提供了新的維度.其中, 光學(xué)2D vdW 材料是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)新型光學(xué)極性設(shè)備的優(yōu)良選擇[29?32].α 型三氧化鉬(α-phase Molybdenum trioxide, α-MoO3)是其中的佼佼者,作為一種新興天然2D vdW 材料, 具有非對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu), 表現(xiàn)出獨(dú)特的各向異性光學(xué)性質(zhì).相較其他雙折射率材料, 比如BP 和CaCO3, α-MoO3實(shí)現(xiàn)了低光學(xué)耗散和高折射率比的良好平衡.最近,Zheng 等[33]在近紅外波段證實(shí)了通過照射極性材料—α-MoO3可以產(chǎn)生一種混合準(zhǔn)粒子, 即聲子極化子(phonon polaritons, PhPs).這一研究引起了廣泛關(guān)注, α-MoO3的PhPs 得到了進(jìn)一步深入的研究, 多種新型納米光學(xué)設(shè)備得以發(fā)展, 比如寬譜吸收器、高品質(zhì)因數(shù)極化子諧振器、亞波長(zhǎng)光學(xué)調(diào)諧和聚焦設(shè)備[33?36].與人工超材料相比, 天然2D vdW 通常具有更低的光學(xué)損耗, 也不需要復(fù)雜的光刻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)功能.

比色生物傳感器是一種以顏色變化為檢測(cè)分析基礎(chǔ), 可以通過裸眼或分光光度計(jì)進(jìn)行觀察、檢測(cè), 進(jìn)而對(duì)待測(cè)目標(biāo)物進(jìn)行定性或定量檢測(cè)的光學(xué)生物傳感器.比色生物傳感器有諸多優(yōu)勢(shì), 比如裸眼可見、操作成本低、設(shè)計(jì)制備成本低、實(shí)時(shí)檢測(cè)、不需要配備昂貴的精密分析儀器等.另一方面, 由于人眼中視錐細(xì)胞的數(shù)量不同, 人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的可見光敏感度不同, 進(jìn)而對(duì)不同顏色的分辨能力不同.一般而言, 人眼對(duì)綠光(580 nm)的敏感度最強(qiáng).故在比色生物傳感器中實(shí)現(xiàn)工作波長(zhǎng)的調(diào)諧顯得尤為重要, 通過調(diào)節(jié)工作波長(zhǎng)可以使比色生物傳感器盡可能工作在人眼的顏色敏感區(qū).可調(diào)諧光學(xué)設(shè)備通常集成相變材料實(shí)現(xiàn)調(diào)諧功能, 為使相變材料相變, 需額外附加結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱等操作[37,38].本文在可見光波段設(shè)計(jì)基于α-MoO3的FP 諧振腔比色生物傳感器, 顏色可隨著NaCl 溶液折射率的變化而變化.通過改變器件的方向 (或入射光的偏振角)即可實(shí)現(xiàn)調(diào)諧, 從而更好地匹配人眼對(duì)光的敏感區(qū)間.另一方面, 改變FP 諧振腔比色生物傳感器中微流腔的層厚可以拓展該傳感器的工作區(qū)間至整個(gè)可見光波段.我們?cè)O(shè)計(jì)的比色傳感器能實(shí)現(xiàn)最高600 nm/RIU 的檢測(cè)靈敏度, 品質(zhì)因數(shù)達(dá)到23.1, 最高可以分辨NaCl 溶液約9‰的濃度變化.我們?cè)O(shè)計(jì)的生物傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于集成, 在可見光波段實(shí)現(xiàn)了較高的可調(diào)檢測(cè)靈敏度, 通過人類視覺系統(tǒng)的比色能力實(shí)現(xiàn)方便快捷的生物檢測(cè)功能, 為以后設(shè)計(jì)可調(diào)諧比色傳感器提供了一種新的思路.

2 基于α-MoO3 的FP 腔生物傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 所示為基于α-MoO3的FP 諧振腔生物傳感器3D 示意圖和剖面示意圖, 主要由Ag 層(防氧化SiO2鍍膜)反射鏡和微流腔構(gòu)成, 下層Ag層上還集成了α-MoO3以增強(qiáng)共振效果并實(shí)現(xiàn)調(diào)諧功能.層狀斜方晶α-MoO3結(jié)構(gòu)(圖1(a)插圖)由雙層非對(duì)稱MoO6八面體晶格組成, 具有高度各向異性的晶體結(jié)構(gòu).MoO6八面體結(jié)構(gòu)包含[001]方向上的邊共享模式和[100]方向上的角共享模式, 在豎直[010]方向上則由弱范德瓦爾斯力約束.FP腔集成了微流腔從而使待測(cè)生物樣本可以從腔中通過.Ag 層用于提升共振信號(hào)強(qiáng)度從而提供通過FP腔中的液體成分的高靈敏度、高分辨率實(shí)時(shí)響應(yīng).使用微流腔避免了將生物樣本與傳感區(qū)域貼合所需的輔助壓力裝置[39], 同時(shí)增強(qiáng)了光-物質(zhì)相互作用從而可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)較小體積的生物樣本[4,40].通過檢測(cè)透射譜的峰值波長(zhǎng)的位移即可監(jiān)控FP腔中生物樣本折射率的變化.在FP 諧振腔生物傳感器中的下層SiO2/Ag 薄膜上集成了α-MoO3, 從而實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧光學(xué)生物傳感器, 只需改變器件的方向 (或入射光的偏振角)即可實(shí)現(xiàn)調(diào)諧, 將FP諧振腔生物傳感器的工作頻段轉(zhuǎn)移, 亦可實(shí)現(xiàn)一定程度上的靈敏度切換.本文定義晶體結(jié)構(gòu)方向[100]和[001]分別為笛卡爾坐標(biāo)系下的x 方向和y 方向, 偏振角φ = 0°為x 偏振方向, φ = 90°為y 偏振方向, 入射角θ = 0°為垂直入射, 入射光波長(zhǎng)為可見光波段(450 —750 nm).常見的可調(diào)諧傳感器裝置通常通過集成相變材料實(shí)現(xiàn)[37,41,42], 相變材料需要外接設(shè)備以加熱等方式完成相變從而實(shí)現(xiàn)傳感器的調(diào)諧.利用α-MoO3作為調(diào)諧器件則無需復(fù)雜的外接設(shè)備, 極大地降低了傳感器的制造成本.若在上層Ag/SiO2薄膜上也集成α-MoO3形成對(duì)稱結(jié)構(gòu), 由于α-MoO3在可見光波段折射率虛部極小, 可以看作透明材料, 故此時(shí)Ag/SiO2/α-MoO3整體將視為FP 諧振腔的兩面反射鏡, 降低了α-MoO3的調(diào)諧能力, 所以采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu), 只在下層SiO2/Ag 薄膜上集成了α-MoO3.本文中設(shè)計(jì)的基于α-MoO3的FP 諧振腔生物傳感器工作在可見光波段, 具有快速實(shí)時(shí)響應(yīng)、高機(jī)械強(qiáng)度、高靈敏度、高準(zhǔn)確性、可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn), 這種傳感器制備相對(duì)簡(jiǎn)單, 無需復(fù)雜的光刻技術(shù).在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域, 糖尿病病人需要時(shí)刻監(jiān)控體內(nèi)關(guān)鍵電介質(zhì)(NaCl 和KCl)的濃度[43], 故本文以NaCl 溶液為例測(cè)試所設(shè)計(jì)的基于α-MoO3的FP 腔生物傳感器的靈敏度.

圖1 基于α-MoO3 的FP 諧振腔生物傳感器 (a) 3D 示意圖; (b)剖面示意圖.插圖為層狀斜方晶α-MoO3 結(jié)構(gòu)示意圖, 層間由范德瓦爾斯力約束Fig.1.Schematic of FP cavity biosensor based on α-MoO3:(a) 3D view; (b) cross-sectional view.The inset is the illustration of orthorhombic α-MoO3 with layered structure held by van der Waals’ forces.

傳輸矩陣法(transfer-matrix method, TMM)是電磁學(xué)和光學(xué)中常用的數(shù)學(xué)方法, 可以計(jì)算任意平面波(不同傳播方向、入射角、極性)通過多層平板結(jié)構(gòu)的透射譜、反射譜等光譜特征[44,45].利用TMM 可以在確定初始界面的輸入電場(chǎng)的條件下通過一系列矩陣操作得出輸出電場(chǎng).多層結(jié)構(gòu)可以看作是一個(gè)系統(tǒng)矩陣, 表示為單層矩陣的乘積.最后通過轉(zhuǎn)換系統(tǒng)矩陣即可得出輸出光譜的透射系數(shù)和反射系數(shù).本文設(shè)計(jì)的FP 諧振腔的反射鏡面由BK7/Ag/SiO2構(gòu)成.首先利用TMM 計(jì)算了三種結(jié)構(gòu)(單層BK7, BK7/Ag 和BK7/Ag/SiO2)的透射光譜, 如圖2 所示.由于BK7 基底在可見光波段具有較大的帶隙且?guī)缀鯖]有吸收, 入射光通過單層BK7 基底時(shí)的透射率可達(dá)0.95 左右.當(dāng)Ag 層薄膜(30 nm)覆蓋在BK7 基底上時(shí), 透射率顯著下降.這是因?yàn)槿肷涔獾墓庾訒?huì)與金屬的原子發(fā)生交互作用產(chǎn)生一系列反射、透射等, Ag 層薄膜也會(huì)對(duì)可見光波段的光子有一定的吸收作用.由于Ag 層薄膜在空氣中易氧化, 故在Ag 層薄膜上再鍍膜一層SiO2薄膜(3 nm)防氧化.SiO2在可見光波段一般可以認(rèn)為是透明材料且SiO2薄膜極薄, SiO2/Ag 薄膜的透射率只相對(duì)下降少許.入射光在到達(dá)Ag 層薄膜表面時(shí)會(huì)誘發(fā)Ag 中部分電子振蕩, 由于光子和自由電子的相互作用產(chǎn)生了金屬原子通過弱鍵合作用構(gòu)造出的負(fù)電子云.這些電子隨著入射光波長(zhǎng)改變而振蕩從而增強(qiáng)了反射.一些具有不同能量的光子不會(huì)與松散鍵合的電子發(fā)生相互作用, 從而成為了透射光和能量耗散(吸收).透射和反射光譜取決于整體有效折射率, 而SiO2由于極薄故在有效折射率中貢獻(xiàn)很小.在BK7 基底和SiO2中, 電子被牢牢地鍵合, 只能在其正常位置附近振蕩.這一運(yùn)動(dòng)影響了入射光的傳播, 降低了入射光的波速, 還會(huì)引發(fā)小的能量耗散.整體而言, 整體有效折射率的改變是由光子與Ag 層薄膜自由電子、SiO2的束縛電子、液態(tài)生物樣本的相互作用決定的, 這一相互作用與入射光的波長(zhǎng)高度相關(guān), 進(jìn)一步影響折射率.在基于α-MoO3的FP 腔生物傳感器中, 選取窄波長(zhǎng)范圍進(jìn)行傳感監(jiān)測(cè), 從而使得入射光波長(zhǎng)對(duì)折射率傳感測(cè)量的影響較小,可以忽略.

圖2 三種結(jié)構(gòu)的透射光譜, 包括單層BK7, BK7/Ag 和BK7/Ag/SiO2Fig.2.Transmittance spectrum of three different structure,including single layer BK7, BK7/Ag and BK7/Ag/SiO2.

運(yùn)用TMM 計(jì)算不同濃度NaCl 溶液通過基于α-MoO3的FP 諧振腔生物傳感器的透射率.TMM中特征矩陣考慮到了FP 諧振腔各層厚度、折射率在不同入射光波長(zhǎng)下的影響.NaCl 溶液不同濃度下的折射率來源于前人的工作[46].選取入射角θ = 75°.由于消光系數(shù)和色散效應(yīng)在可見光波段對(duì)折射率的影響較小, 可以忽略, 故在計(jì)算中設(shè)消光系數(shù)為0, 忽略色散效應(yīng).SiO2的厚度只有3 nm, 故SiO2在可見光波段的吸收效應(yīng)也可以忽略.在FP 諧振腔比色傳感器設(shè)計(jì)中, Ag 層太厚會(huì)阻止入射光穿過FP 諧振腔使透射率太低, Ag 層太薄則難以形成良好的諧振, 即透射譜共振峰品質(zhì)因數(shù)低.本文設(shè)計(jì)的基于α-MoO3的FP 諧振腔比色傳感器中Ag 層薄膜的厚度選為30 nm, 兼顧了透射率和品質(zhì)因數(shù).SiO2層薄膜的厚度 為3 nm, 可 以 保證Ag 層不被氧化同時(shí)不會(huì)過多影響FP 諧振腔.α-MoO3層太厚時(shí)生物樣本溶液折射率改變對(duì)整體FP 諧振腔內(nèi)有效折射率的影響會(huì)降低, 即生物傳感器的靈敏度會(huì)降低, 若α-MoO3層太薄, 則生物傳感器的調(diào)諧性能下降.本文選取α-MoO3層的厚度為100 nm, 兼顧了調(diào)諧性和靈敏度.表1 總結(jié)了仿真計(jì)算中所有的各層材料的參數(shù).

表1 TMM 計(jì)算FP 諧振腔透射光譜所用的參數(shù)Table 1.Parameter for simulation of transmittance spectrum of proposed FP cavity biosensor using TMM.

3 FP 腔生物傳感器的光譜及傳感性能表征

通過改變FP 諧振腔中集成的微流控的生物樣本空間的厚度, 本文所設(shè)計(jì)的基于α-MoO3的FP諧振腔生物傳感器的工作范圍可以拓展到整個(gè)可見光區(qū)域.當(dāng)微流腔的厚度在300 nm 時(shí), 基于α-MoO3的FP 諧振腔生物傳感器的主要工作波長(zhǎng)范圍為600—650 nm.圖3(a)和圖3(b)所示分別為x 偏振光(φ = 0°)和y 偏振光(φ = 90°)時(shí)純水(0%)和不同濃度(5%—25%)的NaCl 溶液通過微流腔時(shí)FP 諧振腔生物傳感器的透射光譜圖.FP諧振腔的相位延遲δ 可表示為

其中d 是兩面反射鏡間的距離, ng為兩面反射鏡間介質(zhì)的有效折射率, θtran是透射角, λ0是入射光源的波長(zhǎng).考慮干涉條件, 若要形成共振增強(qiáng), 則需要諧振腔內(nèi)往返一周的相位延遲為2π 的整數(shù)倍, 即δ = 2mπ, 其中m 為正整數(shù), 也指代FP 諧振腔中共振峰的階數(shù).共振峰的頻率ν, 即達(dá)到最大透射率時(shí)的頻率可表示為

當(dāng)兩束相鄰的光束相位延遲為π 的整數(shù)倍時(shí)通過FP 諧振腔生物傳感器的透射率達(dá)到最大值0.6 左右.相位延遲δ 與入射光波長(zhǎng)負(fù)相關(guān), 與FP諧振腔的有效群折射率和腔體厚度正相關(guān)(方程(1)).當(dāng)基于α-MoO3的FP 諧振腔生物傳感器的結(jié)構(gòu)固定后, 透射率的峰值波長(zhǎng)只取決于待測(cè)NaCl溶液的濃度.從圖3(c)中可以看出, 當(dāng)待測(cè)NaCl溶液的濃度從0% (純水)提升到25%時(shí), 相應(yīng)的折射率也從n = 1.333 提升至n = 1.3778, x 偏振光下透射率的峰值波長(zhǎng)從橘黃色(λ = 618 nm)紅移至紅色(λ = 640.7 nm), y 偏振光下透射率的峰值波長(zhǎng)從杏黃色(λ = 603.6 nm)紅移至橘紅色(λ =626.3 nm), λ 為共振峰波長(zhǎng).由于y 偏振光下α-MoO3的折射率相較x 偏振光下更低, 故y 偏振光下透射譜相對(duì)x 偏振光下發(fā)生藍(lán)移, y 偏振光下的透射峰值波長(zhǎng)藍(lán)移了14 nm 左右.

圖3 入射光分別為 (a) x 偏振光(φ = 0°)和(b) y 偏振光(φ = 90°)時(shí)純水(0%)和多種濃度(5%—25%)的NaCl 溶液通過FP 諧振腔生物傳感器的微流腔(300 nm)的透射光譜圖; (c) 入射光分別為x 偏振光(φ = 0°)和y 偏振光(φ = 90°)時(shí)純水(0%)和多種濃度(5%—25%)的NaCl 溶液通過FP 諧振腔生物傳感器的微流腔(300 nm)的色彩圖Fig.3.Transmittance spectrum of the FP cavity biosensor on (a) x polarization (φ = 0°) and (b) y polarization (φ = 90°) while the micofluidic chamber (300 nm) was filled with NaCl solution in different concentration; (c) colormap for NaCl solution in different concentration filled in micofluidic chamber (300 nm) at x polarization (φ = 0°) and y polarization (φ = 90°).

對(duì)于生物傳感器, 靈敏度(sensitivity, S)是一個(gè)重要的指標(biāo), 通常定義為可測(cè)量物理量變化(透射峰波長(zhǎng), nm)/折射率變化(refractive index unit,RIU):

生物傳感器的另一個(gè)指標(biāo)是品質(zhì)因數(shù)(figure of merit, FoM), 可定義為

其中 FWHM 為透射光譜的半寬高(full width at half maximum).

如圖4 所示, x 偏振光下和y 偏振光下透射峰波長(zhǎng)隨折射率(NaCl 溶液濃度)近似線性變化.圖中線性擬合斜率即為靈敏度, 在x 偏振光下和y 偏振光下的靈敏度約為507 nm/RIU.由Ag 層反射鏡構(gòu)成的FP 諧振腔實(shí)現(xiàn)了良好的共振效果, 在x 偏振光下的FoM 為15.8, 在y 偏振光下的FoM 為15.3.最小可覺差(just-noticeable difference, JND)代表人或其他動(dòng)物某一特定器官受到刺激時(shí)所能察覺到的最小改變.顏色的改變本質(zhì)是光的波長(zhǎng)發(fā)生變化, 在可見光范圍內(nèi)從長(zhǎng)波長(zhǎng)到短波長(zhǎng)可簡(jiǎn)單分為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)和紫.在合適的觀測(cè)條件下, 裸眼的分辨能力最強(qiáng)為0.4 nm (光波長(zhǎng)580 nm處), 在光波長(zhǎng)490—620 nm 范圍內(nèi)分辨能力約為1 nm, 隨著光波長(zhǎng)紅移至650 nm 處, 裸眼的分辨能力降低至3.6 nm 左右[49].JND 存在個(gè)體差異,也會(huì)因環(huán)境、心理生理狀態(tài)等發(fā)生改變.考慮到人眼對(duì)顏色的分辨能力及該FP 生物傳感器的工作范圍, 運(yùn)用該FP 生物傳感器使用者可分辨約39‰的NaCl 溶液的濃度變化.由方程(2)可知, 透射峰波長(zhǎng)與FP 腔內(nèi)有效折射率的一次成反比, 故當(dāng)入射光的極性改變時(shí), α-MoO3的折射率隨之改變,從而改變了FP 諧振腔內(nèi)有效折射率, 實(shí)現(xiàn)了不同入射極性下透射峰波長(zhǎng)的位移.而靈敏度S 則與FP 諧振腔內(nèi)有效折射率的二次方成反比.由方程(2)可推出不同NaCl 溶液濃度引發(fā)的共振峰頻率變化 ? υS:

圖4 x 偏振光下和y 偏振 光下基于α-MoO3 的FP 諧振腔生物傳感器透射峰波長(zhǎng)隨折射率變化, 微流腔厚度為300 nmFig.4.The peak wavelength of transmittance spertrum of FP cavity biosensor based on α-MoO3 on x polarization and y polarization as a function of refractive index, while the thickness of microfluic chamber is 300 nm.

其中ng1, ng2分別代表不同NaCl 溶液濃度下的FP 諧振腔內(nèi)折射率.在FP 諧振腔結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定的情況下, 入射光的極性改變引發(fā)的有效折射率的改變對(duì)靈敏度S 的影響較小, 因此不同偏振光下基于α-MoO3的FP 諧振腔生物傳感器的靈敏度幾乎沒有變化.

為使基于α-MoO3的FP 諧振腔生物傳感器的工作范圍轉(zhuǎn)移, 提高FP 諧振腔中微流腔的厚度至550 nm.圖5(a)和圖5(b)分別為x 偏振光和y 偏振光時(shí)不同NaCl 溶液濃度通過微流腔時(shí)FP諧振腔生物傳感器的透射光譜圖, 該FP 諧振腔生物傳感器的主要工作波長(zhǎng)范圍為550—600 nm.由于FP 諧振腔內(nèi)厚度增加, 透射率略微降低, 當(dāng)兩束相鄰的光束相位延遲為π 的整數(shù)倍時(shí)通過FP諧振腔生物傳感器的透射率達(dá)到最大值0.58 左右.從圖5 中可以看出, 生物樣本空間厚度改變后的FP 諧振腔生物傳感器也可以完成生物傳感的功能且工作波段藍(lán)移了約50 nm.從圖5(c)中可以看出, 同樣檢測(cè)0%濃度(純水)到25%濃度的NaCl溶液, x 偏振光下透射率的峰值波長(zhǎng)從櫻草色(λ =560.6 nm)紅移至鵝黃色(λ = 587.3 nm), y 偏振光下透射率的峰值波長(zhǎng)從柳綠色(λ = 550.9 nm)紅移至近純黃色(λ = 577.9 nm).該生物傳感器也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧功能, 在y 偏振光下透射譜相對(duì)x 偏振光下發(fā)生藍(lán)移, y 偏振光下的透射峰值波長(zhǎng)藍(lán)移了10 nm 左右.此外, 基于α-MoO3的FP 諧振腔生物傳感器在生物樣本空間的厚度為550 nm 時(shí)的透射譜的強(qiáng)度和品質(zhì)因數(shù)也能保持穩(wěn)定, 在x 偏振光下的FoM 為23.1, 在y 偏振光下的FoM 為22.2.

圖5 入射光分別為 (a) x 偏振光(φ = 0°)和(b) y 偏振光(φ = 90°)時(shí)純水(0%)和多種濃度(5%—25%)的NaCl 溶液通過FP 諧振腔生物傳感器的微流腔(550 nm)的透射光譜圖; (c) 入射光分別為x 偏振光(φ = 0°)和y 偏振光(φ = 90°)時(shí)純水(0%)和多種濃度(5%—25%)的NaCl 溶液通過FP 諧振腔生物傳感器的微流腔(550 nm)的色彩圖Fig.5.Transmittance spectrum of the FP cavity biosensor on (a) x polarization (φ = 0°) and (b) y polarization (φ = 90°) while the micofluidic chamber (550 nm) was filled with NaCl solution in different concentration; (c) colormap for NaCl solution in different concentration filled in micofluidic chamber (550 nm) at x polarization (φ = 0°) and y polarization (φ = 90°).

圖6 x 偏振光下和y 偏振光下基于α-MoO3 的FP 諧振腔生物傳感器透射峰波長(zhǎng)隨折射率變化, 微流腔厚度為550 nmFig.6.The peak wavelength of transmittance spertrum of FP cavity biosensor based on α-MoO3 on x polarization and y polarization as a function of refractive index, while the thickness of microfluic chamber is 550 nm.

如圖6 所示, x 偏振光下和y 偏振光下透射峰波長(zhǎng)隨折射率(NaCl 溶液濃度)近似線性變化.圖中線性擬合的斜率即為靈敏度, 在x 偏振光下和y偏振光下的靈敏度約為600 nm/RIU, 運(yùn)用該FP生物傳感器, 使用者可分辨約9‰的NaCl 溶液的濃度變化.由于生物樣本空間的厚度提高, FP 諧振腔中待測(cè)生物樣本對(duì)有效折射率的影響增大, 根據(jù)方程(2)可知FP 諧振腔生物傳感器對(duì)待測(cè)生物樣本的靈敏度會(huì)隨之提高.另一方面, FP 諧振腔中α-MoO3的相對(duì)占比下降, 從而調(diào)諧能力下降.在設(shè)計(jì)中, 應(yīng)該有效控制各層厚度, 從而實(shí)現(xiàn)靈敏度和調(diào)諧能力的平衡.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于α-MoO3的FP 腔比色生物傳感器, 使用Ag 層薄膜(30 nm)覆蓋在BK7基底上作為FP 諧振腔的反射面, 在Ag 層薄膜上鍍膜一層SiO2薄膜(3 nm)防氧化, 反射面間集成了微流腔使待測(cè)生物樣本溶液從腔中通過, 下層反射面上還集成了α-MoO3層(100 nm)從而在可見光波段增強(qiáng)了比色傳感器的靈敏度并實(shí)現(xiàn)了調(diào)諧效果.同時(shí), 調(diào)節(jié)微流腔的厚度也可以改變比色傳感器的工作區(qū)間.利用TMM 計(jì)算了所設(shè)計(jì)的基于α-MoO3的FP 腔比色生物傳感器在不同濃度NaCl 溶液通過微流腔時(shí)的透射光譜, 從相應(yīng)的色彩圖中可看出, 比色傳感器的顏色會(huì)隨NaCl 溶液的濃度發(fā)生明顯變化.設(shè)計(jì)的比色傳感器能實(shí)現(xiàn)最高600 nm/RIU 的檢測(cè)靈敏度, 品質(zhì)因數(shù)達(dá)到23.1,最高可以分辨NaCl 溶液約9‰的濃度變化.這種基于α-MoO3的FP 腔比色生物傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備成本低、易于光學(xué)器件的集成, 在可見光波段實(shí)現(xiàn)了高檢測(cè)靈敏度.該比色生物傳感器可通過旋轉(zhuǎn)器件實(shí)現(xiàn)工作區(qū)間的切換, 無需附加復(fù)雜裝置,更容易適配人類視覺系統(tǒng)的敏感區(qū)域.這種比色生物傳感器通過人類視覺系統(tǒng)的比色能力實(shí)現(xiàn)方便快捷的低成本生物檢測(cè)功能, 對(duì)進(jìn)一步研究高靈敏度、低成本、可調(diào)諧傳感器具有較大意義.