组成图示
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传感器类型
其他（集成光学波导生物传感器）
检测对象
C反应蛋白抗原（C-reactive protein, CRP，PBS缓冲液）、葡萄糖（glucose，去离子水溶液）
检测原理
该传感器以 Young 干涉仪为换能器，传感臂与参考臂间距 50 µm。TM 偏振 632.8 nm 光在倒脊聚合物波导中传播，顶部 80 nm Ta2O5 高折射率层将导模场推向传感窗口表面，增强倏逝场对表面吸附层的响应。CRP 抗体先吸附于波导表面，BSA 封闭后，PBS 中的 CRP 抗原与抗体结合，形成吸附层，使传感臂局部折射率和有效折射率改变，产生相位差；参考臂补偿温度等环境扰动。干涉条纹空间移动由 CMOS 相机记录，经二维快速傅里叶变换提取相位。葡萄糖溶液改变体相折射率用于校准。Ta2O5 层还阻挡水渗入聚合物，提高稳定性；二级荧光抗体结合进一步增加表面质量并验证特异性。
检测灵敏度
LOD: 3 × 10−7 RIU；表面吸附 LOD: about 100 fg/mm2；灵敏度斜率: ∂neff/∂nc = 0.11（实测），理论 0.12；表面吸附理论灵敏度: 2.1 × 10−4 nm−1；葡萄糖校准浓度: 0.005%、0.02%、0.04%、0.05%、0.1%、0.2%、0.6%、1% w/v
效应效果
80 nm Ta2O5 涂层可阻挡水渗入聚合物，使水相注入后相位数分钟内稳定，无涂层器件持续漂移。与无高折射率涂层聚合物波导相比，灵敏度提高 40 倍以上；体相折射率检测限约 3×10−7 RIU，表面吸附检测限约 100 fg/mm2，优于部分聚合物波导一个数量级，并与无机集成光学传感器（10−5~10−7 RIU）相当或更好。CRP 检测中，2 µg/mL 与 0.1 µg/mL 抗原分别引起约 8.2 rad 和 2.3 rad 相位变化，对应吸附层厚度 0.44 nm 和 0.12 nm，表面质量密度 280 pg/mm2 和 80 pg/mm2。阴性对照 mouse IgG 无明显响应，Alexa 546 标记二级抗体仅在特异结合通道产生强响应。未报告 RSD、实际样品回收率或与 ELISA/qPCR 的直接对比。
传感器的构成
- 基底/机械支撑：硅片（silicon wafer），提供机械支撑与平面基底
- 下包层/图案层：Ormocomp（n=1.520），UV压印形成倒脊沟槽，作为波导下包层
- 芯层：Ormocore（n=1.553），旋涂填充沟槽形成倒脊波导芯，约400 nm剩余层
- 上包层/传感窗口：Ormoclad（n=1.536），厚约20 µm，光刻开10 mm传感窗口，低折射率上包层
- 高折射率修饰层：Ta2O5薄膜（溅射，传感窗口内约80 nm，前缘20 nm渐变），增强表面倏逝场并阻挡水吸收
- 识别元件：CRP单克隆抗体（0.5 mg/mL），非特异性吸附于波导表面，捕获CRP抗原
- 封闭剂：BSA（2 mg/mL），封闭表面非特异结合位点
- 信号标记/确认元件：Alexa 546标记二级CRP抗体（13.2 µg/mL），结合抗原-抗体复合物，用于荧光显微确认
- 换能器构型：Young干涉仪（YI）传感臂与参考臂，间距50 µm，将表面吸附/折射率变化转换为干涉相位
中文摘要
本文报道了一种基于层状聚合物-无机复合波导的倏逝场生物传感器。该传感器采用紫外压印制备的聚合物倒脊波导，并在低折射率聚合物层上方溅射沉积 Ta2O5 薄膜，形成复合波导结构。Ta2O5 高折射率层可将导模光场推向波导表面，增强表面倏逝场探测，同时有效阻挡水分子渗入聚合物波导，使传感器在水相环境中快速稳定。器件以 Young 干涉仪作为换能平台，通过传感臂与参考臂的相位差实现无标记检测。实验以葡萄糖去离子水溶液校准体相折射率响应，并检测 C 反应蛋白（CRP）抗体与抗原的特异性结合。结果表明，该聚合物基传感器折射率检测限约为 3×10−7 RIU，分子吸附检测限约为 100 fg/mm2，性能可与无机集成光学生物传感器相比，展示了低成本制备高性能生物传感器的潜力。
英文摘要
An evanescent field sensor utilizing layered polymeric-inorganic composite waveguide configuration was developed in this work. The composite waveguide structure consists of a UV-imprint patterned polymer inverted rib waveguide with a Ta2O5 thin film sputter-deposited on top of the low refractive index polymer layers. The results suggest that the polymer based sensor can achieve a detection limit of 3 × 10(-7) RIU for refractive index sensing and corresponding limit of about 100 fg/mm2 for molecular adsorption detection. Besides enhancing the sensitivity significantly, the inorganic coating on the polymer layer was found to block water absorption effectively into the waveguide resulting in a stabilized sensor operation. The ability to use the developed sensor in specific molecular detection was confirmed by investigating antibody - antigen binding reactions. The results of this work demonstrate that high performance sensing capability can be obtained with the developed composite waveguide sensor.