组成图示
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传感器类型
其他（硅光栅光学生物传感器）
检测对象
生物素（biotin），样品基质为 PBS 缓冲液（10 mmol），测量在空气中进行
检测原理
该传感器利用亚波长硅光栅的泄漏模共振，正常透射峰对表面附近折射率和薄膜厚度高度敏感。硅光栅表面先沉积多聚赖氨酸和戊二醛，再固定链霉亲和素，并用乙醇胺封闭未反应位点，PBS 清洗去除非特异吸附。当生物素与链霉亲和素发生高亲和特异性结合时，光栅表面形成约 9.25 nm 的生物层，有效折射率约 1.502，使局部光场和共振条件改变，导致正常透射共振峰波长红移。链霉亲和素固定引起约 7±1 nm 位移，生物素结合再引起约 8±1 nm 位移，总位移约 15 nm。信号随结合生物量增加而增大，灵敏度为 1.61 nm/nm 厚度变化和 197 nm/RIU 折射率变化；本文未采用酶催化或核酸扩增等放大策略。
检测灵敏度
灵敏度: up to 197 nm/RIU；1.61 nm/nm
效应效果
选择性方面，经乙醇胺封闭和 PBS 清洗的 dev(1,2,5) 仅显示生物素特异结合位移 8±1 nm；未清洗的 dev(3,4) 因生物素物理吸附产生 110 nm 和 95 nm 的大位移，说明封闭与清洗可显著抑制非特异结合。重现性方面，链霉亲和素固定位移为 7±1 nm，生物素结合位移为 8±1 nm，不同沟槽宽度器件对结合事件的响应基本一致。AFM 显示生物层均匀覆盖，均匀性 ±0.48 nm；椭偏仪测得厚度 9.25±0.25 nm、折射率 1.502（1137 nm）。荧光素标记链霉亲和素在 514 nm 的共聚焦信号确认固定。作者认为该芯片尺寸小、响应快、易于固定且所需分析物量少，适合无标记蛋白结合检测；但未报告 LOD、线性范围、RSD、回收率或实际样品验证。
传感器的构成
- 基底/换能器：双面抛光硅片（425 µm）及表面硅光栅（周期 630 nm，沟槽宽 359–480 nm，深约 400 nm），作为光学共振换能器。
- 化学修饰层：多聚-L-赖氨酸（poly-L-lysine, PLL，1:100 水溶液）沉积，提供正电荷表面以捕获链霉亲和素。
- 交联/反应层：戊二醛（glutaraldehyde，12.5%）覆盖，与 PLL 结合并固定链霉亲和素。
- 识别元件：链霉亲和素（streptavidin，0.016 µmol/mL in PBS）固定于光栅表面，特异性结合生物素。
- 封闭剂：乙醇胺（ethanolamine，40 mmol）封闭未反应戊二醛位点，减少非特异结合。
- 目标分子：生物素（biotin，12.27 µmol/mL in PBS）作为无标记分析物与链霉亲和素结合。
- 验证标记：荧光素标记链霉亲和素（fluorescein-tagged streptavidin，514 nm 荧光）用于共聚焦确认固定。
- 清洗/缓冲：PBS（10 mmol）用于各步骤冲洗，去除未结合分子。
中文摘要
本文报道一种基于硅光栅的生物传感器，用于检测表面功能化蛋白结合。所设计的亚波长硅光栅对周围介质折射率变化具有最高 197 nm/RIU 的灵敏度，对光栅表面生物材料厚度变化的灵敏度为 1.61 nm/nm。器件通过多聚赖氨酸、戊二醛和乙醇胺封闭实现链霉亲和素的固定，并消除非特异结合，从而提高选择性和效率。实验中，将浓度为 0.016 µmol/mL 的链霉亲和素固定于硅基底，使用 12 µmol/mL 的生物素作为目标分子。在空气环境中对裸硅光栅、固定链霉亲和素后以及捕获生物素后的正常透射光谱进行测量。固定生物素后，正常透射共振峰波长总移动约 15 nm；其中固定链霉亲和素后共振峰移动约 7 nm。结合 FDTD 模拟、AFM 和椭偏表征，验证了生物层厚度、均匀性和光栅共振响应。
英文摘要
We demonstrate a silicon gratings-based biosensor to detect functionalized protein binding on its surface. The designed silicon gratings have sensitivities up to 197 nm/RIU in detecting refractive index change and 1.61 nm per nanometer of thickness change of bio-material on the surface of silicon gratings. Functionalizing proteins on gratings surface by eliminating unspecific binding makes this device more selective and efficient. Streptavidin at a concentration of 0.016 μmol/mL was functionalized on silicon substrate and biotin of 12 μmol/mL concentration was used as a target molecule in our detection experiments. Normal transmission measurements of gratings are made in air at different stages of immobilization, bare silicon grating, after attaching streptavidin and after trapping biotin. Total shifts in resonant peak wavelength of ∼15 nm in normal transmission were observed after immobilizing biotin with ∼7 nm of shift in resonant peak wavelength after functionalizing streptavidin to silicon substrate.