组成图示
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传感器类型
其他（单片集成光学干涉生物传感器）
检测对象
链霉亲和素（streptavidin），样品基质为 50 mM 磷酸盐缓冲液（pH 7.4）中的蛋白溶液
检测原理
该传感器采用无标记光学干涉检测。生物素化 BSA 固定于 MZI 传感臂表面，链霉亲和素与生物素特异性结合后，在传感臂表面形成生物分子吸附层，使传感臂有效折射率和光程发生变化。宽带 LED 提供 VIS-NIR 光谱，MZI 传感臂与参考臂之间的相位差随结合量改变，FR-MZI 通过解析各输入频率的相位与强度变化，将结合事件转换为输出光谱的峰移和强度变化。光电二极管读取光谱信号，结合量越大，第一分钟信号越强，信号与链霉亲和素浓度呈线性关系。
检测灵敏度
LOD: sub nM range；线性关系: 反应第一分钟信号与链霉亲和素浓度呈线性关系
效应效果
作者以生物素-链霉亲和素模型结合实验验证传感器性能，实现亚 nM 链霉亲和素的实时无标记检测。反应第一分钟信号与链霉亲和素浓度呈线性关系，表明可用于极快速生物分子检测。器件将 LED、Si3N4 波导和光电二极管单片集成于约 50 mm2 硅芯片，传感臂仅 300 μm，避免外部光耦合，支持多路复用。FR-MZI 利用宽带光谱，降低单波长 MZI 的相位模糊和信号衰落风险，并提高灵敏度。结合晶圆级微流控封装，作者认为该器件具有便携、低成本、可量产的潜力。原文未报告 RSD、回收率、稳定性或与 ELISA/HPLC/qPCR 的对比数据。
传感器的构成
- 基底/换能器：硅（Si）晶圆，承载单片集成 LED、波导和光电二极管
- 光源：硅雪崩二极管 LED，击穿偏置下 VIS-NIR 宽带发光，峰值 650 nm
- 波导/干涉仪：氮化硅（Si3N4）平面波导，构成 MZI 传感臂与参考臂
- 覆盖层：二氧化硅（SiO2）薄膜，厚 2 μm，覆盖波导并在传感臂去除
- 识别元件：生物素化牛血清白蛋白（biotinylated BSA），固定于传感臂表面
- 封闭剂：牛血清白蛋白（BSA，10 mg/mL），封闭非特异性蛋白结合位点
- 微流控封装：聚碳酸酯（PC）流道腔与不锈钢管，UV 固化胶固定，输送样品
- 读出元件：pn 结光电二极管，接收 MZI 输出光并转换为电信号
中文摘要
本文报道基于标准硅工艺全单片集成马赫-曾德尔干涉仪（MZI）阵列用于无标记分析物检测。提出频率分辨马赫-曾德尔干涉（FR-MZI）概念，利用宽带光源中各频率的相位与强度变化，克服单波长 MZI 的相位模糊、信号衰落和长传感臂限制。器件在同一硅芯片上单片集成硅雪崩二极管 LED、氮化硅平面波导 MZI 和 pn 结光电探测器，传感臂长 300 μm，芯片面积约 50 mm2，可多路复用。结合晶圆级微流控封装，便于样品输送。以生物素-链霉亲和素模型结合实验验证，实现亚 nM 链霉亲和素检测，并实时无标记监测结合过程。这是 FR-MZI 概念及全单片集成 MZI 生物传感器的首次实验演示。
英文摘要
The application of fully monolithically-integrated Mach-Zehnder interferometer arrays fabricated by standard silicon technology to the label-free detection of analytes is introduced. Detection with the presented biosensor is based on a novel concept, the Frequency-Resolved Mach-Zehnder Interferometry (FR-MZI). In addition, a smart encapsulation based on an appropriately designed microfluidic system and performed at the wafer scale scheme for the easy delivery of the samples to be analyzed is demonstrated. Testing of the FR-MZI biosensors with model binding assays demonstrated the detection of streptavidin binding to immobilized biotin at concentrations in the sub nM range. This is the first experimental demonstration of the FR-MZI concept as well as the first demonstration of a monolithically fully-integrated MZI biosensor.