组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
其他（硅光子波导生物传感器）
检测对象
抗兔免疫球蛋白G（anti-rabbit IgG）、抗羊免疫球蛋白G（anti-goat IgG），样品基质为PBS缓冲液（微流控通道内）
检测原理
传感器采用无标记倏逝场波导检测。点样在传感窗口上的IgG受体与溶液中的抗IgG分析物特异性结合，在波导表面形成分子层。SOI光子线波导具有薄硅芯和高芯-包层折射率对比，TM模倏逝场强，分子层使波导有效折射率变化。传感臂为1.8 mm双螺旋波导，累积相位变化与表面敏感度和长度成正比。平衡MZI将相位变化转换为干涉强度变化，InGaAs相机采集强度并拟合提取相位。平衡臂长匹配使温度漂移低于0.005 rad/°C，实现近温度无关实时监测。
检测灵敏度
LOD: <0.3 pg/mm2（表面覆盖）；可分辨表面覆盖: ≈0.25 pg/mm2；相位噪声: 4×10^-4 rad；饱和相移: ≈2 rad；对应可分辨分子质量: ≈0.5 fg
效应效果
该芯片实现6个传感元件的多路复用，单输入光纤经级联分路，InGaAs相机并行读出，动态范围约36 dB（12 bit）。选择性方面，兔IgG受体对200 nM抗兔IgG产生约2–2.4 rad相移，山羊IgG受体对不匹配抗兔IgG响应小且慢约10倍；BSA对照相移<0.1 rad，表明封闭有效。温度依赖<0.005 rad/°C，约为抗IgG信号0.2%/°C，无需精密温控。光纤-波导耦合损耗<3 dB，波导传播损耗<0.6 dB/mm。作者认为其噪声水平与商用SPR系统相当或更优，并可通过多像素平均进一步改善，适用于高通量、实时、无标记分子结合检测。
传感器的构成
- 基底/换能器：SOI晶圆（0.26 μm硅层、2 μm埋氧），电子束光刻与反应离子刻蚀定义0.26 μm×0.45 μm光子线波导，构成平衡马赫-曾德尔干涉仪（MZI）和1.8 mm双螺旋传感臂。
- 上包层/隔离层：2 μm厚SU-8聚合物上包层，用于光学隔离波导模式与样品溶液，并在MZI传感臂处开窗暴露波导。
- 微流控层：50 μm厚SU-8层中定义190 μm宽微流控通道，两端设1 mm储液池，与PDMS盖板密封，用于样品输送。
- 表面活化层：氧等离子体在暴露波导上形成3 nm SiO2，硝酸清洗活化后用3-aminopropyltriethoxysilane（APTES）硅烷化，提供氨基用于分子固定。
- 识别元件：用非接触机器人点样器在单个传感元件点样山羊IgG、兔IgG或BSA（PBS稀释至1 mg/ml，450 pL），干燥后形成受体/封闭层。
- 信号标记物：无标记检测，不添加荧光、酶或纳米标记物；被测物结合直接改变波导表面附近有效折射率。
- 读出系统：1560 nm TM偏振激光经透镜光纤耦合，级联1×2/1×8光功率分配器分路，320×240像素InGaAs红外相机并行采集MZI输出强度并提取相位。
中文摘要
本文报道了一种用于多路复用、实时、无标记分子检测的硅光子线波导生物传感器阵列芯片。该芯片与商用自动点样工具兼容，并单片集成了用于样品输送的微流控通道。每个阵列传感元件为1.8 mm长的螺旋波导，折叠在130 μm直径的区域内，并纳入平衡马赫-曾德尔干涉仪，具有近温度无关的响应。传感器按400 μm间距网格排列，通过级联1×2光功率分配器由单根输入光纤寻址。作者利用互补和不匹配的免疫球蛋白G受体-分析物对以及牛血清白蛋白，演示了抗体-抗原反应的实时监测。每个传感元件的检出水平对应小于0.3 pg/mm2的表面覆盖。
英文摘要
We demonstrate a silicon photonic wire waveguide biosensor array chip for the simultaneous monitoring of different molecular binding reactions. The chip is compatible with automated commercial spotting tools and contains a monolithically integrated microfluidic channel for sample delivery. Each array sensor element is a 1.8-mm-long spiral waveguide folded within a 130 microm diameter spot and is incorporated in a balanced Mach-Zehnder interferometer with a near temperature independent response. The sensors are arranged in a 400 microm spacing grid pattern and are addressed through cascaded 1x2 optical power splitters using light from a single input fiber. We demonstrate the real-time monitoring of antibody-antigen reactions using complementary and mismatched immunoglobulin G receptor-analyte pairs and bovine serum albumin. The measured level of detection for each sensor element corresponds to a surface coverage of less than 0.3 pg/mm(2).