组成图示
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传感器类型
其他（光子晶体薄膜光学传感器）
检测对象
单纳米颗粒（single nano-particle，半径 75±25 nm，空气基质）；设计检测生物分子（bio-molecules，水基样品如血、唾液、尿液）
检测原理
法向单色光入射到二维光子晶体薄膜时，在导波共振波长（约 566 nm 和 630 nm）耦合到导波共振模式，使膜内尤其是通孔内电场显著增强。若孔内捕获纳米颗粒或生物分子，颗粒在增强场中感应电偶极矩，发生瑞利散射；散射功率与局部电场平方、颗粒半径六次方及颗粒-介质介电对比度平方相关。散射光破坏薄膜平移对称性，部分耦合到更高衍射级并出射膜外。显微镜背照明和 CCD 将出射光聚焦成像，颗粒位置形成亮斑；共振波长下背景透射降低，对比度增强，从而实现单颗粒空间定位。当前实验依赖物理捕获/缺陷，设计阶段拟通过 SiO2 孔内表面功能化实现特异性识别，使目标在最大场强位置被捕获。
检测灵敏度
单颗粒检测半径: 75 nm；未报告 LOD、线性范围、灵敏度斜率或 R^2。
效应效果
实验在空气中演示，未使用真实生物样品，因此未报告选择性、抗干扰、RSD、回收率或与 ELISA/HPLC/qPCR 的对比。薄膜在 566 nm 和 630 nm 出现透射凹陷，表明支持导波共振；638.4 nm 下 Si3N4 折射率为 1.998±0.01，SiO2 为 1.464±0.01。半径 75±25 nm 的 trapped nano-particle 在 626 nm 附近对比度最大，并在共振波长下明显亮于背景；较大晶格缺陷未显示共振增强，说明小颗粒散射机制。作者认为每个通孔可作单颗粒传感器，多孔阵列提供大动态范围，通孔泵送有利于捕获，适合未来点诊和水基生物样品检测。
传感器的构成
- 基底/支撑衬底：200 µm 厚双面抛光硅片（Si wafer），提供机械支撑，背面刻蚀后形成悬空 PC 薄膜。
- 底层介质层：Si3N4 薄膜（约 50 nm，LPCVD），构成膜外表面，可化学钝化以减少非特异吸附。
- 中间功能层：SiO2 薄膜（约 50 nm，poly-Si LPCVD 后热氧化），位于通孔内部，提供可功能化表面。
- 顶层介质层：Si3N4 薄膜（约 50 nm，LPCVD），与底层共同形成三层膜，提供折射率对比和应力补偿。
- 识别元件（设计）：SiO2 孔内表面功能化位点（未具体材料），用于捕获目标生物分子，使目标位于最大场强位置。
- 光子晶体结构：方格通孔阵列（周期 a=490 nm，孔半径 r=145 nm，RIE 刻蚀），支持导波共振并增强孔内电场。
- 光学读出系统：卤素灯、单色仪、Olympus BX61 TRF 显微镜、Olympus F-view II CCD 相机，法向背照明并读取透射/散射光强。
中文摘要
本文提出一种用于生物分子检测的光学传感器，其核心为具有亚微米厚度和通孔的平面二维光子晶体（PC）薄膜。该薄膜通过法向照明耦合导波共振模式，在通孔内形成高光学场，从而可检测小于光学显微镜衍射极限的纳米颗粒。作者报道了 PC 薄膜的设计与制备，薄膜由 Si3N4/SiO2/Si3N4 三层构成，方格通孔周期约 490 nm、孔半径约 145 nm，并在其中捕获了一颗纳米颗粒。同时搭建了由卤素灯、单色仪、光学显微镜和 CCD 相机组成的成像系统，对薄膜进行背照明成像。实验结果显示，被捕获的纳米颗粒在图像中呈现为亮斑，首次实验可检测半径约 75 nm 的单颗粒。该结构还可通过孔内表面功能化实现特异性生物分子捕获，面向生物传感器应用。
英文摘要
A sensor designed to detect bio-molecules is presented. The sensor exploits a planar 2D photonic crystal (PC) membrane with sub-micron thickness and through holes, to induce high optical fields that allow detection of nano-particles smaller than the diffraction limit of an optical microscope. We report on our design and fabrication of a PC membrane with a nano-particle trapped inside. We have also designed and built an imaging system where an optical microscope and a CCD camera are used to take images of the PC membrane. Results show how the trapped nano-particle appears as a bright spot in the image. In a first experimental realization of the imaging system, single particles with a radius of 75 nm can be detected.