组成图示
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传感器类型
其他（光学波导环谐振器生物传感器）
检测对象
互补DNA靶标（complementary DNA target），样品基质为水溶液（water）
检测原理
该传感器采用无标记光学换能机制。单链DNA探针通过硅烷连接层固定在SOI槽波导的低折射率槽区表面。当样品中的互补DNA靶标扩散至传感表面时，与探针发生特异性杂交，形成双链DNA。由于双链DNA折射率（1.53）高于单链DNA（1.456），且DNA层厚度保持约8 nm，传感界面局部折射率升高。槽波导中准TE模式在槽区具有较强场增强，DNA层功率限制因子约10%–12%，因此界面折射率变化会显著改变波导模式有效折射率。有效折射率变化使环谐振器的共振波长发生位移，位移量随杂交程度或靶标浓度增加而增大，最终通过光谱波长读出实现检测。
检测灵敏度
LOD: 1.43 × 10−6 RIU；灵敏度: 856 nm/RIU；共振波长位移: 6.12 nm
效应效果
该文为数值模拟研究，未报告实际样品加标回收率、选择性、稳定性或重现性数据。模拟表明，在槽宽100 nm、导轨宽180–220 nm、导轨高320 nm时，可获得最大有效折射率差、功率限制和灵敏度；准TE模式在DNA层的功率限制因子约10%–12%，准TM模式约4%–5%。与文献中槽宽200 nm、导轨宽500 nm的683 nm/RIU相比，本设计灵敏度达856 nm/RIU。作者还验证了数值方法，对文献[13]和[14]结构的波长位移分别模拟为5.56 nm和3.2 nm，与原文5.4 nm和3 nm一致。估计总传播损耗约26.25 dB/cm。作者主张该传感器结构紧凑、无标记，可用于实时监测DNA杂交。
传感器的构成
- 基底/换能器：SOI槽波导环谐振器（Si/SiO2），提供1550 nm光模式与共振波长读出
- 槽区光场增强层：低折射率槽区（slot region）与水（RI 1.31），增强光与传感介质相互作用
- 连接层：硅烷（silanes），厚度1 nm，RI 1.42，用于固定DNA探针
- 识别元件：单链DNA探针（ssDNA probe），厚度8 nm，RI 1.456，识别互补DNA
- 被测物结合态：互补DNA靶标（complementary DNA target）与探针杂交形成双链DNA（dsDNA），RI 1.53，厚度8 nm
- 信号读出：环谐振器共振波长位移（resonance wavelength shift），由有效折射率变化产生
中文摘要
本文提出一种基于硅基槽波导环谐振器的无标记生物传感器，用于检测DNA杂交事件。作者采用基于全矢量H场有限元方法，对槽波导中准TE和准TM模式的场分布、有效折射率、功率限制因子及灵敏度进行数值分析。槽波导由两条纳米尺度硅轨构成，光场被限制在低折射率槽区，从而增强光与传感介质相互作用。传感表面先修饰1 nm硅烷连接层，再固定8 nm单链DNA探针；当互补DNA靶标存在时，探针与靶标杂交形成双链DNA，使DNA层折射率由1.456升至1.53，引起波导模式有效折射率变化，并转化为环谐振器共振波长位移。在槽宽100 nm、导轨宽180–220 nm、导轨高320 nm的优化结构下，理论灵敏度为856 nm/RIU，检测限为1.43×10−6 RIU。该设计具有紧凑、无标记、可实时监测生物分子相互作用的潜力。
英文摘要
A finite element method based on the full-vectorial H-field formulation has been employed to achieve the maximum field penetration in the sensing medium of the slot-waveguide-based ring resonator biosensor. The use of nanometer scale guiding structure where optical mode is confined in a low-index region permits a very compact sensor with high optical intensity in the region, which makes it possible to detect minimum refractive index change, and offers higher sensitivities. We analyze the change in effective refractive index of mode, sensitivity, and power confinement of the proposed slot-waveguide-based ring resonator biosensor for the detection of DNA hybridization. The biosensor exhibited theoretical sensitivity of 856 nm per refractive index unit (RIU) and a detection limit of 1.43×10(-6) RIU.