组成图示
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传感器类型
其他（硅光子无标记生物传感器）
检测对象
氯化钠（NaCl）水溶液（样品基质：去离子水及不同浓度NaCl水溶液）
检测原理
该传感器采用无标记光学换能。样品溶液经PDMS微流控通道流过芯片，其折射率随NaCl浓度变化。第二环谐振器的倏逝场与流体相互作用，流体折射率变化改变该环有效折射率，使其谐振波长相对第一环发生小偏移。Vernier级联结构将这一相对偏移放大为透射包络峰的大位移，灵敏度达1070 nm/RIU。低成本宽带SLED光源经输入光栅泵浦器件，AWG将透射谱分成16个波长通道并输出至空间分离端口，近红外相机并行成像。对包络峰进行平方洛伦兹拟合得到峰位，峰位随溶液折射率线性移动，从而实现实时定量检测。BCB包层热光系数与水接近，两环热响应相似，提高温度稳定性。
检测灵敏度
LOD: 1.6 · 10−5 RIU；灵敏度: 1070 nm/RIU；噪声标准差: 17.4 pm（1 min 平滑）
效应效果
器件在低成本宽带光源下实时监测去离子水与三种NaCl水溶液折射率变化，峰位噪声经1 min平滑后为17.4 pm，灵敏度1070 nm/RIU，检测限1.6×10^-5 RIU，与使用昂贵可调谐激光的类似Vernier传感器处于同一量级。作者认为其比集成光子晶体滤波器的环谐振器宽带探测方案预期好约一个数量级，因为传感器灵敏度高10倍且光谱分辨率略优。BCB包层与水热光系数接近，使器件对温度变化耐受且无需温控。相机读出受软件限制为6 Hz，存在信号漂移，盐水呈负漂移、去离子水呈正漂移，可能源于离子向聚合物包层扩散。该方案支持多通道并行读出，有利于降低无标记生物传感系统成本并提高便携性。
传感器的构成
- 基底/换能器：绝缘体上硅（SOI）晶圆，220 nm高硅顶层、2 µm埋氧，450 nm宽单模波导，CMOS兼容193 nm光刻与干法刻蚀。
- 传感谐振器：Vernier级联双环谐振器，两个不同往返长度（约1271 µm与1257 µm），6 µm弯曲半径折叠，方向耦合器间隙180 nm。
- 光谱滤波/读出：16通道阵列波导光栅（AWG），通道间隔1.6 nm，将透射谱分成多波长通道并输出到空间分离端口。
- 封装/保护：600 nm厚苯并环丁烯（BCB）聚合物包层，低水吸收，覆盖芯片并在第二谐振器处开窗，使倏逝场与流体相互作用。
- 微流控层：聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控通道，截面600 µm×50 µm，直接键合芯片，注射泵以10 µL/min输送溶液。
- 光耦合结构：输入/输出波导绝热渐变至10 µm宽脊波导并刻蚀二阶光栅，用于TE偏振光出射；单模光纤对接输入光栅。
- 识别元件：未具体报道固定受体；无标记检测，实验以水溶液折射率变化表征。
中文摘要
近期，廉价绝缘体上硅（SOI）无标记生物传感器已可实现对生物相关分子的快速、准确定量检测，适用于医学诊断与药物开发。然而，虽然传感器芯片可低成本制备，准确监测其透射谱波长偏移通常需要昂贵可调谐激光器。为此，作者将高灵敏度Vernier级联传感器与阵列波导光栅（AWG）光谱滤波器集成，使传感器透射谱被划分为多个波长通道并传输至空间分离的输出端口，从而可用低成本宽带光源实现波长探测。实验表明，该器件可实时监测水溶液折射率变化，检测限达1.6×10^-5 RIU，与更昂贵的探测方案具有竞争力，显示其在低成本无标记生物传感中的应用潜力。降低光源复杂度还有望进一步集成光源与探测器，降低器件成本并提高便携性。
英文摘要
Recently, cheap silicon-on-insulator label-free biosensors have been demonstrated that allow fast and accurate quantitative detection of biologically relevant molecules for applications in medical diagnostics and drug development. However, whereas the sensor chip can be made cheaply, an expensive tunable laser is typically required to accurately monitor spectral shifts in the sensor's transmission spectrum (wavelength interrogation). To address this issue, we integrated a very sensitive Vernier-cascade sensor with an arrayed waveguide grating spectral filter that divides the sensor's transmission spectrum in multiple wavelength channels and transmits them to spatially separated output ports, allowing wavelength interrogation with a much cheaper broadband light source. Experiments show that this sensor can monitor refractive index changes of watery solutions in real time with a detection limit (1.6·10(-5) RIU) competitive with more expensive interrogation schemes, indicating its applicability in low-cost label-free biosensing. The relaxation on the complexity of the source, moreover, offers the prospect to integrate the source and detectors to further reduce the device cost and to increase its portability.