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平面光波导在实时测试生化反应新方法的应用研究

时间:2018-12-30 18:17:38 来源:天游 作者:匿名



1简介

近年来,基于导波光学的平面光波导技术,集成光电子电路,集成光路技术和光波导传感技术得到了迅速发展。其中,平面波导生物和化学传感器已被用于量化蛋白质吸附,确定亲和力,并以其高灵敏度确定细菌和活细胞的吸附。研究人员正在努力寻找性能更好的光波导传感器[1]。目前,随着覆盖层的折射率的变化,在导模的条件下使用波导来检测一类经典的商用光波导传感器,以测试导模的有效折射率。当R HOVATH等人。研究了反对称波导波导传感器,提出了增加由于样品吸附等引起的波导截止厚度的理论。当波导结构的截止厚度变得大于膜的厚度时,原始引导光从开始到结束被切断,并且可以通过使用该性质[1]来分析材料。在本文中,我们认为:是一个三层平板波导。使用该性质的生化反应的实时测试具有局限性。通过在四层平板波导中使用可变折射率材料,该特性可用于改变覆盖层的折射率。实时监控。灵敏度和薄膜厚度之间的关系也通过数值分析给出,并与传统装置进行比较。

2经典ev逝波生物传感器及其灵敏度[1]

光栅耦合经典消逝波生物传感器的结构如图1所示.TiO2-SiO2镀在玻璃基板上,以不同角度激发的激光通过特定角度的耦合光栅耦合到波导结构中,耦合角取决于导波传播常数N.当该平面波导结构用作渐逝波生物传感器时,可以实时感测传播常数的变化以感测环境的变化。光栅耦合角的精度决定了ΔN的最小值。这里使用它作为微折射计,即,必须通过监测ΔN来最终获得覆盖层的折射率的变化Δnc。图2是三层平板波导结构的示意图。它的eigenequation是

图8是显示经典结构灵敏度与通过数值分析绘制的膜厚度之间的关系的图。在图8所示的结构中,s {nc}在截止厚度处为零[1];在λ=114nm处的0阶模式的灵敏度达到最大值0.1359,并且λ=449nm处的一阶模式的灵敏度最大化。值为0.0861。在λ=782nm处的二阶模式的灵敏度达到最大值0.0641。3基于波导截止特性的光波导生化传感器

3.1三层平板波导中的导波截止分析[1]

图2显示了三层平板波导,其中覆盖层是分析物。截止厚度dc是

其中nmax=max {ns,nc}; nmin=min {ns,nc}。当涂层的折射率由于吸附等而改变时,截止厚度dc相应地改变。折射率变化量Δnc与截止厚度dc之间的关系如图4所示。将Ti-SiO2膜(nF=1.75)镀在玻璃的底部(ns=1.471),覆盖层中的介质为水(nc0=1.33)。当折射率由于涂层介质的变化而开始上升时(nc=1.33Δnc),截止厚度dc变小;当nc=ns时,截止厚度dc=0.此时,即使零阶模式也不会被切断。随着nc继续上升,光波导结构是反对称结构(nc>

在ns),截止厚度dc开始增加,并且当增加到大于波导层的厚度df时,导通模式被关闭。 RHOVATH等。相信这个属性可以用于分析物分析。

3.2关于在三层平板波导中使用导波的波导特性的技术讨论

从公式(3)可知,零阶模的截止厚度dc最小,因此可以检查反对称波导中的零阶模。 Dc是波导结构的每层的折射率nF,nc,ns和波长λ的函数。当确定nF,ns和λ时,包层指数nc唯一地确定dc的值,使得不能实时监测重叠折射率nc的动态变化。如果在引导层或基板中使用可变折射率材料,则可以实现实时监控。在本文中,极化聚合物用作可变折射率材料。由于电极在聚合物的上侧和下侧上施加电压,因此在设计中形成四层平面波导结构,如图2所示。聚合物,高折射率膜,气隙和待测物体形成四层波导结构。为此目的,可以进一步讨论四层平面波导。

3.3四层平板波导导波截止分析[2]

图5所示的四层非对称平板波导结构为:n1≥n2≥n4≥n3。当κ0n1≥β≥κ0n2时,非对称平板波导的模式特征为只有折射率n1的区域约束电磁能量。下面仅分析TE模式。当n1=2.403,n2=2.257,n3=1,n4=1.941,λ=1.153μm时,该区域中方程(4)的色散曲线如图6所示。图6类似于模态色散曲线三层波导结构。对上述曲线的分析得到类似于三层波导结构的结论,即模式曲线的左侧从N=n2开始,右侧从N=n1开始,这是单调递增的函数。 。对应于N=n2处的模式曲线的膜的厚度是仅在折射率n1的膜中传播引导模式所需的最小厚度。其中,曲线和纵坐标的交点D10,D11和D12分别对应于第0阶,第1阶和第2阶模N=n2的膜厚。从等式(4)可知,:,当N=n2时,对应的厚度D1具有以下表达式:

D1和n2的变化量Δn2之间的关系如图4所示。从图7的分析可以看出,随着Δn2的增加,D1单调增加。因此,可以调节n2的折射率以调节截止厚度D1。

4基于四层波导截止特性的生化传感器探讨

4.1基于四层波导截止特性的生化传感器工作公式

图4是由聚合物,高折射率膜,气隙和测试对象形成的四层波导结构生化传感器的示意图,其折射率分布与图4一致。首先,通过溶液旋涂在ITO玻璃上电镀的极化聚合物在另一个ITO玻璃上反转,然后放置对称的棱镜耦合器。该装置可以通过上下ITO电极施加与极化电场一致并垂直于偏振膜表面的电压V.将上部ITO玻璃基板制成具有折射率为np的折射率匹配液体的棱镜耦合器的一部分。聚合物膜和上ITO层之间的耦合间隙是空气,即n3=1。对于某种模式,当D1≥d1时,模式被切断。表达式(5)可写为D1=d1

当待测物体的折射率改变时,n2实时改变,使得D1等于d1。此时,n1区域的被引导层的导电率从no到no,此时的n4可以根据表达式(6)计算。实现了对n4的实时测试。根据电光效应的原理,存在Δn(x)= - 0.5γeffE(x),其中γeff是聚合物的有效线性电光系数。因此,图4的整个装置可以由控制电路控制。但是,整个装置必须满足n1≥n2≥n4≥n3的条件。4.2经典的ev逝波生物传感器,基于四层波导

将特征生化传感器的灵敏度与经典的渐逝波生化传感器(以下简称渐逝波传感器)进行比较,并将生化传感器的灵敏度与四层波导截止特性(以下简称截止值)进行比较传感器)定义为

图8和图9分别是基于四层波导截止特性和膜厚度的经典消逝波生物传感器的灵敏度与生物传感器的灵敏度之间的关系,通过数值分析。从图中可以看出,在117nm处,: ev逝波传感器0阶模的最大灵敏度为0·1359;一阶模式在449nm处的最大灵敏度为0·0861。可以看出,一阶模式的灵敏度最大值低于零阶模式的灵敏度最大值,并且高阶模式的趋势是相同的。截止传感器的每种模式的最大灵敏度可以达到1.对于0阶模式,更高的灵敏度需要更小的膜厚度;对于更高阶模式,在更大的膜厚度下仍然具有高灵敏度。这可以有效地降低模塑过程的复杂性,同时确保高灵敏度。

5结论

基于以上分析,可以得出以下结论::与消逝波传感器相比,截止传感器更直观,灵敏度大大提高,厚膜上可实现大灵敏度,有效降低了灵敏度。成型过程的复杂性。

摘录自:中国计量与测量网络

[关键词]平面光波导,生化反应,AOC官方网站,北京世纪奥克

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