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（光子晶体纳米腔光学生物传感器）
检测对象
人免疫球蛋白G（human IgG，PBS缓冲液含0.005% Tween 20基质）；牛血清白蛋白（BSA，PBS缓冲液基质，选择性对照）
检测原理
该传感器基于硅绝缘体上硅（SOI）二维光子晶体波导中的点缺陷纳米腔。w1波导与纳米腔形成高Q共振，TE光场主要限制在缺陷孔内的低折射率空气区域，因此对局部折射率变化高度敏感。芯片表面经SiO2、APDMES和戊二醛功能化后固定抗人IgG抗体。当人IgG与抗体结合时，在纳米腔孔壁形成蛋白层，使局部折射率升高，导致共振模式波长发生红移。红移量随IgG浓度增加而增大，并符合Langmuir吸附等温线，高浓度下趋于饱和。多个串联纳米腔产生独立共振峰，同一分析物使多个峰同步红移，从而实现纠错或冗余检测。该过程为无标记检测，不依赖荧光、酶或电化学放大。
检测灵敏度
LOD: 1.5 fg；灵敏度: 2.3 ± 0.24 × 10^5 nm/M；RI灵敏度: 64.5 nm/RIU (10^-2 RIU)；检测浓度范围: 6.7 × 10^-10 M–6.7 × 10^-6 M；Langmuir拟合 R^2 = 0.9214
效应效果
器件对IgG检测具有特异性：15 μM BSA非靶蛋白归一化红移为0.041 ± 0.3 nm，与缓冲液负对照相近，远小于6.7 × 10^-6 M IgG响应。三个串联纳米腔在6.7 × 10^-6 M IgG下均出现约3.5 nm红移，验证纠错/冗余检测。响应符合Langmuir行为，KA为1.38 × 10^6 M^-1，KD为7.2 × 10^-7 M。Q因子300–500，标准差主要来自芯片间抗体固定差异。相比SPR，其折射率灵敏度较低但检测面积更小；1.5 fg检测限优于文献2.5–4.0 fg，作者认为可发展为超灵敏多路复用传感器。
传感器的构成
- 基底/换能器：p型硅绝缘体上硅（SOI）晶圆，400 nm顶层硅与1 μm埋氧层，提供光子晶体波导和纳米腔光场限制
- 光子晶体结构：三角晶格空气孔阵列（25×26），晶格常数372/380/388 nm，空气孔半径111/114/117 nm，形成光子带隙
- 波导层：w1波导，由移除一行空气孔形成，用于传输TE模式并耦合纳米腔
- 纳米腔缺陷：波导旁单个空气孔半径减小至73/75/77 nm，形成点缺陷纳米腔，增强局域光场并产生共振峰
- 表面氧化层：900 °C干热氧化形成的SiO2层，用于后续化学功能化
- 化学交联层：APDMES与戊二醛（glutaraldehyde）修饰，用于固定抗体
- 识别元件：抗人IgG抗体（anti-human IgG），特异性捕获人IgG
- 信号标记物：无标记（label-free），不添加荧光或酶标记，信号来自生物结合引起的局部折射率变化
- 读出系统：可调谐激光器、偏振控制器、锥形透镜光纤/锥形脊波导和InGaAs光电二极管，检测透射光谱共振波长红移
中文摘要
本研究报道了一种基于硅光子晶体（PhC）波导的光学生物传感器，可实现无标记且具有纠错能力的生物检测。该传感器利用与硅光子晶体波导耦合的纳米腔共振模式波长随环境折射率变化而发生偏移的原理进行检测。作者采用有限差分时域（FDTD）方法预测纳米腔结构的光学特性，并通过标准纳米光刻和反应离子刻蚀工艺制备器件。实验结果表明，该结构具有10^-2 RIU的折射率灵敏度。通过检测人免疫球蛋白G（human IgG）验证了其生物传感能力，器件灵敏度为2.3 ± 0.24 × 10^5 nm/M，最低检测限可达1.5 fg。实验还证明该光子晶体器件对IgG检测具有特异性，且浓度依赖响应符合Langmuir行为。该器件展现出作为微尺度无标记纠错传感器的巨大潜力，未来有望发展为超灵敏多路复用检测平台。
英文摘要
A photonic crystal (PhC) waveguide based optical biosensor capable of label-free and error-corrected sensing was investigated in this study. The detection principle of the biosensor involved shifts in the resonant mode wavelength of nanocavities coupled to the silicon PhC waveguide due to changes in ambient refractive index. The optical characteristics of the nanocavity structure were predicted by FDTD theoretical methods. The device was fabricated using standard nanolithography and reactive-ion-etching techniques. Experimental results showed that the structure had a refractive index sensitivity of 10(-2) RIU. The biosensing capability of the nanocavity sensor was tested by detecting human IgG molecules. The device sensitivity was found to be 2.3±0.24×10(5) nm/M with an achievable lowest detection limit of 1.5 fg for human IgG molecules. Additionally, experimental results demonstrated that the PhC devices were specific in IgG detection and provided concentration-dependent responses consistent with Langmuir behavior. The PhC devices manifest outstanding potential as microscale label-free error-correcting sensors, and may have future utility as ultrasensitive multiplex devices.