基于布洛赫表面波检测血红蛋白性能增强型生物传感器及检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于布洛赫表面波检测血红蛋白光学传感器及检测方法，所述基于布洛赫表面波检测血红蛋白的光学传感器由上而下依次为光学棱镜、周期性光子晶体、硫化锌吸光介质层和血红蛋白溶液；所述周期性光子晶体由孔隙率50%和80%多孔硅交替N个周期排列而成。本发明专利技术可以在角域、波长域、相位域或强度域中观察吸光层中共振光谱的偏移，以推断生物分子在生物溶液中的行为。本发明专利技术所述的传感器是具有高灵敏度和高品质因子的光子晶体折射率传感器。器。器。

【技术实现步骤摘要】
基于布洛赫表面波检测血红蛋白性能增强型生物传感器及检测方法


[0001]本专利技术属于光学科学
，具体涉及一种基于布洛赫表面波检测血红蛋白的生物传感器及检测方法。

技术介绍

[0002]传感器在技术发展和应用方面已逐渐成为现代信息技术的支柱。近年来，各种传感器已广泛应用于医疗诊断、环境监测、食品安全、国防工业等领域。光学生物传感器因其固有的优点，如抗干扰能力强、能够进行遥感、响应时间快等，被认为是生物传感应用的重要设备。光学生物传感器通过检测受试物与光之间的相互作用，检测光的某些特性的变化，从而表征受试物的变化信息。
[0003]基于表面波原理的光学传感检测技术发展迅速。作为这项技术最典型的代表，表面等离子体波(surface plasmonwave，SPW)技术得到了大量的研究。SPW沿着金属层和介电层之间的界面传播，用于在传感器表面非常薄的一层中感知折射率的变化。SPW的一些固有性质限制了其性能的进一步改进。一方面，SPW色散是由有限数量的合适金属的性质决定的，不能任意调节。另一方面，由于金属的性质会使其在光的频率处的会产生大量的吸收损耗。
[0004]最近，全介电多层结构激发的布洛赫表面波(bloch surface wave，BSW)被用作生物传感的一种新机制。与SPW技术相比，基于BSW的生物传感器不仅具有较高的品质因数(figure of merit,FOM)，而且为调制共振条件和电磁场分布提供了多种设计自由度。因此，BSW被视为高性能传感中SPW的替代机制。BSW生物传感器的灵敏度可以根据BSW模式偏移和折射率变化之间的比率来定义。此外，生物传感器的传感性能通常通过FOM来量化。所以，如何利用BSW生物传感器以推断生物分子在生物溶液中的行为，成为本领域一直渴望解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中存在的问题,提供了一种基于布洛赫表面波检测血红蛋白传感器，本专利技术激发的BSW模式在传感器和溶液之间的界面处强烈局域化。由于强场增强，BSW对生物溶液的变化非常敏感。人们可以在角域、波长域、相位域或强度域中观察吸光层中共振光谱的偏移，以推断生物分子在生物溶液中的行为。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供一种基于布洛赫表面波检测血红蛋白传感器的检测方法。
[0007]本专利技术的技术方案是:
[0008]一种基于布洛赫表面波检测血红蛋白的生物传感器，由上而下的依次为光学棱镜、周期性光子晶体、硫化锌吸光介质层和血红蛋白溶液；所述周期性光子晶体由孔隙率50％和80％多孔硅(P
‑
Si)交替N个周期排列而成。
[0009]上述方案中，所述周期性光子晶体中，所述的孔隙率50％的多孔硅的折n
A
＝2.15，厚度d
A
＝151nm。
[0010]上述方案中，所述周期性光子晶体中，所述的孔隙率80％的多孔硅的折n
B
＝1.32，厚度d
B
＝246nm。
[0011]上述方案中，所述周期性光子晶体的周期数N＝6。
[0012]上述方案中，所述光学棱镜为BK7棱镜，折射率为n
pri
＝1.457。
[0013]上述方案中，所述硫化锌吸收介质的层厚度d
top
＝210nm。
[0014]上述方案中，所述血红蛋白溶液的浓度为从10g/dl以1g/dl的步长增加到13g/dl。
[0015]一种基于布洛赫表面波检测血红蛋白的光学传感器的检测方法，包括以下步骤：
[0016]入射光角度θ范围为69～70
°
，采用TE波以固定入射波长λ＝1060nm，方位角从光学棱镜入射，经过周期性光子晶体共同作用下激发布洛赫表面波，到达最外层硫化锌吸光介质层，形成共振峰。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益成果：本专利技术所述传感器为含硫化锌的布洛赫表面波光子晶体折射率传感器，其结构包含棱镜，周期性光子晶体，硫化锌吸光介质层。其中，周期性光子晶体是由孔隙率50％和80％的多孔硅组成。本专利技术激发的BSW模式在传感器和溶液之间的界面处强烈局域化。由于强场增强，BSW对生物溶液的变化非常敏感。可以实现硫化锌材料对特定光频率的电磁波的强烈吸收，即此时可以实现对该光频率的电磁波完全吸收，即对应的反射率等于零，从而在反射中形成共振峰，建立共振峰角度和血红蛋白溶液的折射率的关系。人们可以在角域、波长域、相位域或强度域中观察吸光层中共振光谱的偏移，以推断生物分子在生物溶液中的行为。本专利技术所述的传感器是具有高灵敏度和高品质因子的光子晶体折射率传感器。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施方式的基于布洛赫表面波检测血红蛋白光学传感器的结构示意图。
[0019]图2为本专利技术实施方式的基于布洛赫表面波检测血红蛋白光学传感器x
‑
z平面结构示意图。
[0020]图3为本专利技术实施方式的器件实现布洛赫表面波传感时，整体装置的Ey场强分布。
[0021]图4为本专利技术实施方式的待测物为血红蛋白溶液，棱镜入射波长为1060nm时，改变血红蛋白溶液浓度的情况下，TE偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。
[0022]其中：1.BK7棱镜；2.周期性光子晶体；3.硫化锌吸光介质层；4.血红蛋白溶液。
具体实施方式
[0023]如图1和图2所示为基于布洛赫表面波检测血红蛋白光学传感器的一种较佳实施方式，所述基于布洛赫表面波检测血红蛋白的光学传感器由上而下依次为光学棱镜、周期性光子晶体、硫化锌吸光介质层和血红蛋白溶液；所述周期性光子晶体由孔隙率50％和80％多孔硅交替N个周期排列而成。
[0024]所述周期性光子晶体2中，所述的孔隙率50％的多孔硅的折n
A
＝2.15，厚度d
A
＝151nm。
[0025]所述周期性光子晶体2中，所述的孔隙率80％的多孔硅的折n
B
＝1.32，厚度d
B
＝246nm。
[0026]所述周期性光子晶体2中，所述周期性光子晶体的周期数N＝6。
[0027]所述光学棱镜为所述光学棱镜为BK7棱镜1，折射率为n
pri
＝1.457
[0028]所述硫化锌吸收介质3的层厚度d
top
＝210nm在周期性光子晶体2中引入硫化锌吸光介质层3,破坏了光子晶体结构的规律性,形成光子晶体谐振腔。采用Kretschmann棱镜耦合结构,入射光通过BK7棱镜1耦合到周期性光子品体2中,并使光局域到谐振腔内,通过设计硫化锌(ZnS)吸光介质层3使得满足谐振条件的光波长被逐步吸收并形成震荡,使之出现尖锐的共振dip峰，从而建立入射角与光反射率的关系。通过改变待测样品的折射率,共振dip峰出现的位置也随之改变,通过检测或共振峰角漂移来实现对待测样品折射率的动态检测。
[0029]所述血红蛋本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于布洛赫表面波检测血红蛋白的生物传感器，其特征在于由上而下的依次为光学棱镜、周期性光子晶体、硫化锌吸光介质层和血红蛋白溶液；所述周期性光子晶体由孔隙率50％和80％多孔硅(P
‑
Si)交替N个周期排列而成。2.根据权利要求1所述的一种基于布洛赫表面波检测血红蛋白的生物传感器，其特征在于，所述周期性光子晶体中，所述的孔隙率50％的多孔硅的折n
A
＝2.15，厚度d
A
＝151nm。3.根据权利要求1所述的一种基于布洛赫表面波检测血红蛋白的生物传感器，其特征在于，所述周期性光子晶体中，所述的孔隙率80％的多孔硅的折n
B
＝1.32，厚度d
B
＝246nm。4.根据权利要求1所述的一种基于布洛赫表面波检测血红蛋白的生物传感器，其特征在于，所述周期性光子晶体的周期数N＝6...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴迪，魏曼丽，刘思彤，李润华，佟禹欣，马季，
申请(专利权)人：辽宁石油化工大学，
类型：发明
国别省市：