下面是小编为大家整理的基于聚合物布拉格光栅高灵敏度折射率传感器：以细胞外囊泡检测为例,供大家参考。
基于聚合物布拉格光栅的高灵敏度折射率传感器：以细胞外囊泡检测为例
抽象
测量折光率（RI）的微小变化导致对不同生化物质的全面分析，为无创和具有成本效益的医疗诊断铺平了道路。近年来，通过体液中的细胞外囊泡（EV）检测癌症的液体活检由于侵入性和稳定性较低而变得非常流行。在这种情况下，我们提出了一种高灵敏度的 RI 传感器，该传感器基于紧凑型高折射率涂层聚合物波导布拉格光栅，包层下有金属。由于金属在包层下和高折射率涂层的综合作用，观察到 RI 灵敏度和动态范围的显着增强。通过结合有限元法（FEM）和耦合模态理论（CMT）方法对所提出的传感器进行了分析，在 1.32–1.44 的宽动态范围内表现出 408–861 nm/RIU 的灵敏度，并且在 150 nm 接近符合 EV 尺寸的波导表面内具有很强的瞬时场。上述性能使得所提出的器件适合于在早期阶段进行癌症的实时和片上诊断。
关键字：
基于光子晶体的光学传感; 折射率传感; 光学生物传感; 基于波导的传感 1. 引言
基于芯片实验室光子结构的折射率传感器最近引起了很多关注，并且正在成为一种至关重要的工具，因为它们结构紧凑，不受电磁干扰，并且适合与单个芯片中的其他光子组件以及微流体通道集成[1，2，3]].因此，基于光子结构的高灵敏度 RI 传感器使我们具有成本效益，快速，精确地检测物质，使其适用于环境监测，食品质量控制，特别是医疗诊断，如检测细菌感染，癌症，疾病，各种物理和生物参数以检查和治疗健康状况等。近年来 ，液体活检正在成为一种流行的医学诊断技术，通过检测不同的生物标志物（如循环肿瘤细胞（CTC）、循环肿瘤核酸 ctNAs（ctDNA，microRNA）以及细胞外囊泡（EVs）来检测和监测癌性肿瘤[8]。考虑到这些生物标志物存在于体液（如血液、唾液和尿液）中，液体活检是比组织活检侵入性较小的过程，可减轻其疼痛，并减少感染的机会[9，10]。在上述生物标志物中，EV 是细胞分泌的稳定膜颗粒，含有蛋白质，脂质和核酸的分子印记[11]。最近，由于它们的稳定性和它们在癌症早期阶段存在于体液中，它们引起了特别关注。此外，还发现 EV 在体液中的表达有望监测不同的疾病，包括神经退行性疾病[8]，心血管[12]和各种感染性疾病[13]。有鉴于此，文献中很少有基于电化学和光子结构的技术报道，这些技术显示了 EV 在早期检测和监测癌症方面的潜力[14，15，16]。所提出的结构还表明，EV 的检测取决于合适的生物识别元件以及 RI 灵敏度，因为 EV 的存在会导致样品 RI 发生相当大的变化。因此，设计一种光子传感器结构势在必行，该结构具有高 RI 灵敏度，占地面积小，损耗低，可通过 EV 生物标志物实时，无标记和高效检测癌症。
光子结构的 RI 灵敏度取决于引导模式与覆盖波导表面的传感介质相互作用的倏逝场。高相互作用场导致高灵敏度。多年来，已经提出了各种光子结构，例如表面等离子体极化子（SPP）[17，18]，2D 材料[19，20]，长周期光栅（LPG）[21，22]，多模干涉[23]，环形谐振器[24，25]，布拉格光栅[26，27，28，29，30，31]]等。基于 LPG，SPP，多模干涉仪和环形谐振器的结构的性能通常受到宽带宽，笨重设置或自由光谱范围的限制。另一方面，布拉格光栅没有上述问题，并且具有简单直接的坚固结构，具有窄带响应。在布拉格光栅中，正向传播基波模式耦合到反向传播基波模式，后者很好地限制在波导核心内。因此，与布拉格光栅相关的灵敏度通常低于基于其他结构的结构的报告灵敏度。因此，布拉格光栅中与传感介质相互作用场的增强可以产生非常高效的片上光子传感器。为了解决这个问题，在过去的二十年中，不同的研究小组已经报道了一些技术。例如，Dai etal。[26]已经报道了一个开放的顶脊，将基本模式直接暴露在环境介质中以增强灵敏度。在水介质（RI = 1.33）作为环境的情况下，RI 灵敏度在 25-33 nm/ RIU 之间。Tripathi 等人进一步提高了灵敏度[27]，利用高折射率对比硅波导表面模态场的不连续性，产生 239 nm / RIU 的灵敏度。然而，已经考虑在硅波导的顶部增加一个光敏包层，以形成光栅，阻碍参与模式直接与环境介质相互作用。为了进一步将核心模式暴露给传感介质，亚波长光栅（SWG）几何形状与横向加载块一起使用，作为布拉格光栅[28，29]。在 SWG 中，除了倏逝场外，核心中的一部分导向力也与传感介质相互作用。按照这种结构，最近报道了 507 nm / RIU 的高灵敏度[29];然而，双周期性（SWG 和布拉格光栅）的要求以及形成光栅的块的周期性载荷也带来了器件几何形状
的复杂性。早些时候，我们已经报道了一种基于布拉格光栅的传感器，其包层下有金属，采用简单的脊波导几何形状[30]。已经观察到，包层下的金属可以显着增强非等离子体模式的传感介质中的消逝场，并且在 RI 范围为 1.3-1.4 时产生 237-578 nm / RIU的灵敏度，适用于生物传感。此外，与以前的结构不同，由于 TE 和 TM 模式的差分模态损耗大，所提出的传感器不需要任何波导双折射控制或任何分析仪/偏振片。然而，传感器结构几乎没有问题，例如由于金金属层引起的器件成本以及硅酸盐芯与金属层之间的附着力差。在最近的一项研究中，作者报告说，聚合物波导上的高折射率涂层也可以显著提高 RI 灵敏度[31]。在 1.4至 1.59 的 RI 范围内，报告的灵敏度更高（169-527 nm / RIU），略高于典型的生物传感 RI 范围。本文报道了聚合物脊波导几何形状中金属包层下和高折射率涂层的组合现象，目的是进一步提高生物传感范围内的 RI 灵敏度。灵敏度相当高，在 1.32 至1.44 的宽 RI 范围内，在 408 至 861 nm/ RIU 之间变化。所提出的传感器也被发现具有成本效益并且易于实际实现。此外，已经注意到，由于高折射率涂层，在波导表面的 150nm 范围内，倏逝场的增强相当高，使其成为 EV 检测的绝佳选择，因为 EV的典型尺寸属于此范围。
2. 传感器配置和建模
所提出的传感器的原理图如图 1 所示，其中（a）表示 3D 视图，而（b）表示横截面视图。它由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成的聚合物芯组成，芯子下方有一层薄薄的银（Ag）金属层，厚度 t m .值得注意的是，与参考文献[30]中的硅酸盐磁芯不同，这里我们认为 PMMA 是波导磁芯，因为它与金属层具有良好的附着力。此外，PMMA 可以直接充当光刻胶和波导核心，这使得使用深紫外光刻或电子束光刻可以很容易地形成脊波导，这已经报道了众所周知的介电负载表面等离子体极化子（DLSPP）波导几何形状[32]。整个结构被认为是用纳米二氧化钛层（TiO）包覆的 2 ）
具有厚度 t H ，可以按照溅射技术沉积[29，33]。由于整个结构都涂有高折射率层，因此金属层不会暴露在环境介质中。因此，银被认为是金属层而不是金，这可以显着降低器件成本，使其适合大规模生产。
布拉格光栅被认为是写在 PMMA 磁芯中，作为具有周期性 Λ 和长度 L 的折射率的周期性调制。利用 PMMA 对紫外辐射的光敏性，可以通过定期暴露于紫外激光来形成布拉格光栅[34，35]。值得注意的是，在写入光栅时，波导磁芯两侧的 Ag 层的反射可能是一个令人担忧的问题。因此，可以在波导磁芯的顶部使用设计合理的掩模，仅将波导的 PMMA 磁芯暴露在紫外激光下[34]。分析物本身充当传感器几何形状的上覆层。
主要场分量的模态场分布 E x
(E y ）
的 TE 00 （TM 00 ）模式如图 2 所示，模态有效指数为 1.3833+ 8.13339×10 −5 i （1.4712 + 6.8074 × 10 −4 波导参数为 w = 1.2 μm，h = 1.2 μm，t m = 200 纳米，t H = 30 nm，下一节将详细讨论如何选择此类参数。采用 COMSOL 多物理场的全矢量有限元法 （FEM）
对所提出的传感器进行了模式分析。
图 2 显示了与 TE 关联的倏逝场 00 模式在环境介质中相当高，而 TM 00 模式大多局限于与金属层相邻的核心。发现环境介质中的分数模态功率（FMP）对于 TE 为 37.6% 00 模式，而 TM 为 21.8% 00 模式。
此外，TE 的虚构部分 00 模式有效指数比 TM 低一个阶 00 模式。因此，传播长度 L p TE 的（功率变为输入功率的 1/e 的距离）
00 模式 （1.51 mm）
比 TM 模式 （0.18 mm）
高得多。鉴于这两个因素，分析是在考虑 TE 的情况下进行的 00 mode，这是结构的非等离子体模式。
前向传播 TE 00 模式耦合到向后传播的 TE 00 通过光栅模式，并在相位匹配条件下在反射光谱中产生谐振峰值 哪里 和 是 TE 的共振波长和模态有效指数 00 模式，分别。耦合模态理论（CMT）产生由方程控制的反射频谱[29，30]。
(1) 哪里 是相位失配因子， 是损耗系数，以及 其中 是 [30] 给出的耦合系数，
(2) 在上面的等式中，n 合作 表示波导磁芯的 RI，∆n 是光栅强度，即 RI 调制的幅度，E 是功率归一化电场。在相位匹配波长处，反射率达到其峰值，这可以通过将条件置于公式（1）中获得 这出来了， (3) 哪里 .所提出的结构（S）的灵敏度是在共振波长相对于环境介质 RI 变化的变化之后计算的，可以表示为[29]，
(4) 哪里 n 一个 表示环境 RI 和 表示基本模式的组索引。为了考虑波导材料 RI 的波长依赖性，对硅基底[30]、PMMA 核心[36]和 TiO 使用了相应的 Sellmeier 关系。
2 涂层[37]，而对于银层，Johnson 和 Christy 的数据已被考虑分别具有折射率的实部和虚部的立方和线性拟合，如[38，39]中所述。
3. 结果和讨论
3.1. 设计和性能评估
为了了解高折射率涂层对灵敏度的影响，将所提出的高折射率涂层金属包覆脊波导（HI-MCRW）结构与无高折射率涂层的金属包覆脊波导（MCRW）进行了比较。在这两种情况下，都考虑了方形横截面（w = h），PMMA 是核心材料。由于对于基于布拉格光栅的结构，首选单模（SM）操作，因此首先，已为 TE 模式确定了两种几何形状的 SM 区域。图 3 中 a、b 的实部模态有效指标为 TE 00 模式和第一个高阶模式 TE 10 已分别绘制为 HI-MCRW 和 MCRW 的方形横截面宽度 w 的函数。
该图显示，HI-MCRW 结构的 SM 区域为 0.76 μm 至 1.6 μm，而 MCRW 为 1 μm 至 1.86 μm。金属层的厚度为 200nm，以减少基板中的功率泄漏[21]。值得注意的是，随着高折射率层厚度的增加，虽然环境中的功率会增加，但芯中的功率也会降低，导致耦合强度降低，从而延长光栅长度。因此，高折射率 TiO 的厚度 2 层被认为是 30 纳米。光栅长度为 0.8 mm，使其小于（高于 TE（TM）模式的传播长度 1.51 mm（0.18 mm）。这确保了与 TM 模式相关的功率在输出端可以忽略不计，从而消除了偏振片分离 TE 和 TM 模式的要求。
为了比较采用和不采用高折射率层的器件性能，HI-MCRW和MCRW的波导核心尺寸被认为是1.2×1.2 μm和1.5×1.5 μm，因此它们都位于各自 SM 区域的中间， 如图 3 中用红点标记。值得注意的是，图 图 3 中每张图中存在的不连续性可归因于在硅和铌酸锂波导几何形状中广泛研究的模式杂交（MH）现象[40，41]。在所提出的传感器中，它在峰值反射率中起着重要作用，因此在以下讨论之后进行了仔细的器件设计。在 MH 中，E x 和 E y 准 TE 和 TM 模式的场分量变得可比，因此无法区分模式偏振。在这里，MH 发生在 TE 之间 00 和 TM 10 模式，其强度可以用定义为[40]的杂交因子来衡量， (5) 在图 图 4 中，杂交因子（ ）
已被绘制为 HI-MCRW 结构的波导宽度的函数。在图中，蓝色和红色曲线分别表示 TE 00 和 TM 10 模式。在 w = 0.89μm 时，杂交因子变为 0.5，突出显示来自 E 的贡献 x 和 E y 两种模式的分量相等。由于图 图 3 绘制了结构的 TE 模式，并且在 w = 0.89μm 时无法区分该模式的极化，因此图中产生了不连续性。不连续性的范围由传播长度的行为决定 L p 关于光栅长度，如下所述。
已经注意到，在杂交点周围，与 TE 相关的模态损失 00 模式相当高，这会影响所提出的传感器的峰值反射率。为了说明这一点，在图 图 5a 中，我们绘制了传播长度 L p 作为 HI-MCRW 宽度（w）的函数，分别在两种模式和图 图 5b–d 中，对应于 A点，B 点和 C 点的三种不同宽度的反射光谱，如图 5a 所示。图 图 5a 中的虚线水平线表示光栅长度 0.8 mm。
在 B 点（杂化点），由于模式的传播长度远低于光栅长度，峰值反射率极小（<0.05），因此难以检测。在 A 点和 C 点，峰值反射率明显更高，因为模式的传播长度等于光栅长度。在环境 RI 中也观察到类似的行为。鉴于上述情况，从实际角度来看，在我们的分析中，我们忽略了混合点周围的区域，其中传播长度低于光栅长度。因此，图 图 3 中的不连续性范围表示 TE 传播长度的区域 00 模式小于光栅长度。
考虑到上述特性，图 在图 6 中，FMP 在环境介质中的变化作为环境 RI（n 一个 ）已经为波长为 1.55μm 的两种结构呈现。环境介质中的 FMP 定义为：
(6)
其中，Ar 表示覆盖环境介质的区域，而 E 和 H 是 TE 的电场和磁场分量 00 模式。在这两种情况下，图形都已绘制到 TE 的截止点 00 相对于环境（覆盖）RI 的模式，HI-MCRW 和 MCRW 分别为 1.45 和 1.416。如前所述，图中的不连续性是由于 MH 引起的，并且不连续性范围突出显示了传播长度低于 MH 周围光栅长度的环境 RI 范围。发现 FMP 主要位于 HI-MCRW结构的较高侧，因为高折射率涂层将引导模式拉向环境介质。在模式的截止值附近，HI-MCRW 的 FMP 为 79.4%，而 MCRW为 66.5%。对于 HI-MCRW 和 MCRW，环境 RI = 1.32 时的 FMP 分别为 37.7%和 20.7%，在较低的 RI 下也显示出更好的增强。
图 图 7 显示了所提出的 HI-MCRW 的反射光谱，用于三种不同的环境 RI。光栅周期被认为是 560nm，使得共振波长约为1.55μm，而光栅强度为 8×10 −4 .光谱显示共振波长的红移随环境 RI 的增加而增加。
相应的谐振波长和灵敏度分别如图 8a、b 所示，作为环境 RI（n 一个 ）
直至两个结构的截止点。同样，值得注意的是，图表中的不连续性是由于 MH 现象造成的。对于所提出的 HI-MCRW 结构，共振波长的总体偏移为 67.6 nm，几乎是 MCRW...