组成图示
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传感器类型
其他（光栅耦合多孔硅波导生物传感器）
检测对象
互补肽核酸（PNA，ACG AGG ACC ATA GCT A）；错配PNA（选择性对照）；样品基质：HEPES 缓冲液
检测原理
该传感器采用无标记导模光学检测。氧化多孔硅波导经3-APTES和Sulfo-SMCC功能化后，将16-mer探针DNA固定于孔壁。互补PNA进入多孔硅波导并与探针DNA杂交，使波导内有效折射率发生变化。由于光栅耦合条件满足 neff = (nc sinθ + mΛ)/λ0，导模有效折射率变化会改变耦合角θ，导致角度分辨反射谱中的反射峰发生位移。多孔硅的高比表面积使探针可固定于孔壁，且导模光场大部分位于可及区域，因此分子结合对光场的扰动强于倏逝波传感器。PNA浓度越高，杂交量越大，共振角位移越大，实验得到约7.3°/mM的灵敏度。
检测灵敏度
LOD: 约 1 μM（PNA，预期）；灵敏度: 7.3°/mM；小分子灵敏度: 42°/RIU（1090 nm/RIU）；预期小分子检测限: 10^-4 RIU
效应效果
全多孔硅光栅耦合波导在3-APTES、Sulfo-SMCC、探针DNA和反义PNA附着后分别产生1.70°±0.17°、3.82°±0.07°、0.83°±0.16°和0.81°的共振角位移，明显高于光阻光栅多孔硅波导（0.59°±0.08°）和SOI-SiO2光栅波导（0.062°）。互补PNA与错配PNA的响应选择性优于6:1，错配PNA位移0.07°，HEPES缓冲液位移0.015°。共振角在数分钟内稳定，样品间典型波动约±0.1°，杂交率约90%。RCWA计算表明其可及区域光场分布比SOI高32倍、比光阻光栅多孔硅高2倍，作者认为该结构适合小分子与核酸的无标记高灵敏检测。
传感器的构成
- 硅衬底：p+ 单晶硅（0.01 Ω·cm），经电化学刻蚀形成多孔硅结构，提供机械支撑与波导基底
- 波导层：低孔度多孔硅（PSi）波导层，厚度约190 nm、折射率约1.80，形成高折射率导模区域
- 衬底层：高孔度多孔硅（PSi）衬底层，厚度约1507 nm、折射率约1.21，形成低折射率包层并允许分子渗入
- 光栅耦合器：刻蚀 PSi 光栅，周期约1682 nm、高度约132 nm、空气填充因子49%，将入射光耦合进波导导模并出射反射峰
- 表面功能化层：3-APTES 硅烷化层与 Sulfo-SMCC 交联剂，在氧化 PSi 孔壁引入氨基并连接探针 DNA
- 识别元件：16-mer 硫醇修饰探针 DNA（5'-TAG CTA TGG TCC TCG T-3'，3' Thiol C3），固定于 PSi 孔壁用于捕获互补 PNA
- 信号标记物：无外源标记物，PNA/DNA 杂交改变波导有效折射率作为无标记光学信号
中文摘要
本文报道了一种基于光栅耦合多孔硅波导的导模生物传感器，用于提升分子检测能力。传感器将光栅耦合器直接刻蚀在多孔硅波导中，使待测分子能够穿过光栅进入波导内部，并与导模光场发生相互作用。当波导内发生核酸杂交时，导模的波矢受到显著扰动，可通过角度分辨反射测量加以检测。实验表明，该传感器对核酸杂交的检测灵敏度为7.3°/mM，相对于错配序列的选择性优于6:1。实验结果与基于严格耦合波分析的计算结果一致。全多孔硅光栅耦合波导结构使光场与表面结合分子之间的相互作用优于基于倏逝波的生物传感器。
英文摘要
Porous silicon waveguide biosensors that utilize grating couplers etched directly into porous silicon are demonstrated for improved molecular detection capabilities. Molecules are infiltrated through the grating couplers into the waveguide where they can interact with a guided waveguide mode. Hybridization of nucleic acids inside the waveguide is shown to significantly perturb the wave vector of the guided mode and is detected through angle-resolved reflectance measurements. A detection sensitivity of 7.3°/mM is demonstrated with selectivity better than 6:1 compared to mismatched sequences. Experimental results are in good agreement with calculations based on rigorous coupled wave analysis. Use of the all-porous silicon grating-coupled waveguide allows improved interaction of the optical field with surface-bound molecules compared to evanescent wave-based biosensors.