组成图示
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传感器类型
比色生物传感器
检测对象
过氧化氢（hydrogen peroxide, H2O2）；样品基质：含 50 µM ABTS 的 0.1 M 醋酸缓冲液（pH 5）
检测原理
传感器以共价固定于硅空心波导内壁的辣根过氧化物酶（HRP）为识别/催化元件。样品中的过氧化氢（H2O2）进入波导芯后，在 HRP 催化下氧化无色共底物 ABTS，生成绿色 ABTS•+ 阳离子自由基。该产物在 670 nm 处具有强吸收，使沿波导传播的 670 nm 光发生附加衰减。H2O2 浓度越高，单位时间内生成的 ABTS•+ 越多，波导芯内吸收越强，输出光功率越低，转换为吸收单位（AU）后信号越大。酶催化反应提供化学放大，使低浓度 H2O2 也能产生可测吸收。670 nm LED 经单模光纤端火耦合注入波导，输出光由多模光纤收集并用硅 PIN 光电二极管检测，从而得到与 H2O2 浓度相关的吸收信号。
检测灵敏度
实验：LOD: 20 ± 1 µM；线性范围: 10–300 µM H2O2；灵敏度: (3.0 ± 0.1) × 10^-3 AU/µM；SNR: 约 20 dB。模拟：LOD: 5 µM；线性范围: 10–300 µM H2O2；灵敏度: 2.7 × 10^-3 AU/µM。
效应效果
实验校准曲线与数值模拟结果高度一致，表明空心硅波导吸收传感机制可靠。无 H2O2 时系统总损耗为 3.7 dB；在 10–300 µM 范围内线性，灵敏度 (3.0 ± 0.1)×10^-3 AU/µM，LOD 20 ± 1 µM，缓冲液信噪比约 20 dB。同一波导器件经 10% HF 去除硅烷层再生后重复测量四次，未观察到 HRP 活性损失，显示结构可再生。动力学研究至 1000 µM H2O2，表观 Michaelis-Menten 常数为 0.44 mM，低于溶液酶的 0.68 mM，说明固定化酶对底物亲和力更高。作者认为该 CMOS 兼容工艺可集成 PIN 光电二极管和微流控通道，适合开发低成本、易使用、微型化的芯片实验室生物传感器平台。
传感器的构成
- 基底/换能器：纯硅（Si）空心集成波导，DRIE 刻蚀，宽 50–80 µm、深 50 µm、长 5 mm，作为光波导与样品通道
- 波导盖：抛光硅盖（Si lid）用夹子固定，封闭空心芯并限制光传播
- 表面氧化层：10% HF 清洗及 piranha 溶液（H2SO4-H2O2 3:1）轻氧化，生成硅羟基（Si-OH）
- 硅烷修饰层：气相 3-(2,3-环氧丙氧基)丙基三乙氧基硅烷形成硅氧烷键，提供环氧基团
- 识别元件：辣根过氧化物酶（HRP, type VI）共价结合于环氧硅烷表面，催化 H2O2
- 封闭/清洗：0.02% Tween 20 磷酸缓冲液（PB）冲洗去除非共价吸附 HRP，再用 PB 冲洗
- 信号底物：2,2′-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid)（ABTS）作为 HRP 共底物，氧化后生成绿色 ABTS•+
- 光学读出：670 nm LED、单模光纤端火耦合、多模光纤收集、硅 PIN 光电二极管，测量输出光功率/吸收单位
中文摘要
本文报道了首个基于纯硅空心集成波导的吸收生物传感器。以辣根过氧化物酶（HRP）为模型识别元件，制备并数值模拟、实验表征了用于检测过氧化氢（H2O2）的酶传感器。波导宽度为50–80 µm、深度为50 µm、长度可达5 mm，仅通过一次光刻步骤和深反应离子刻蚀（DRIE）即可制备。随后采用硅烷化化学将HRP共价固定于波导内壁。模拟结果表明，传感器对H2O2在10–300 µM范围内呈线性响应，灵敏度为2.7×10^-3 AU/µM。实验结果与模拟一致，获得10–300 µM H2O2的线性范围、3×10^-3 AU/µM的灵敏度和约20 dB的信噪比。固定酶动力学研究得到表观Michaelis-Menten常数为0.44 mM。该简单技术可制备低成本、易使用、微型化的通用生物传感器平台，有望用于芯片实验室系统。
英文摘要
The first absorbance biosensor based on pure silicon hollow integrated waveguides is presented in this work. With the use of horseradish peroxidase (HRP) as a model recognition element, an enzymatic sensor for the measurement of hydrogen peroxide was fabricated, numerically simulated, and experimentally characterized. Waveguides with widths ranging from 50 to 80 microm, having a depth of 50 microm and lengths up to 5 mm were easily fabricated by just one photolithographic step. These were further modified by covalent immobilization of HRP using silanization chemistry. Simulation studies of the proposed approach showed a sensor linear behavior up to 300 microM H2O2 and a sensitivity of 2.7 x 10(-3) AU/microM. Experimental results were in good agreement with the simulated ones. A linear behavior between 10 and 300 microM H2O2, a sensitivity of 3 x 10(-3) AU/microM, and a signal-to-noise ratio around 20 dB were attained. Also, kinetic studies of the activity of the immobilized enzyme on the silicon waveguide surface gave an apparent Michaelis-Menten constant of 0.44 mM. The simple technology proposed in this work enables the fabrication of cost-effective, easy-to-use, miniaturized biosensor generic platforms, these being envisioned as excellent candidates for the development of lab-on-a-chip systems.