组成图示
示意图生成中
传感器类型
荧光生物传感器
检测对象
色氨酸（tryptophan, Trp），样品基质：甘油（glycerol）溶液；文中亦提出可拓展至 NAD(P)H、血清素（serotonin）等天然发色团
检测原理
脉冲激光（约583 nm）耦合进入 SiON 波导并激发环型微腔共振。微腔的谐振增强使腔内功率高于入射功率，且导模横向限制更强，从而在微腔上方倏逝体积内形成高局域光强。覆盖在微腔上的色氨酸（Trp）在该倏逝场中同时吸收两个光子，发生双光子吸收（TPA），随后发射 300–450 nm 紫外荧光。荧光强度与 Trp 浓度 C 成正比，并随激发功率平方或脉冲峰值功率增大而增强。通过 350–400 nm 带通滤光片和 CCD 采集 UV 图像即可读出信号。放大策略主要来自微腔 Q 值带来的 G^2 谐振增强和双光子过程的二次功率依赖；估算 Q≈10^5 时 TPF 强度较直波导提高 10^4 倍以上。
检测灵敏度
LOD: 10−8 M（原文：down to 10−8 M；detection of as low as 10−8 M of Trp should be feasible）；直波导估算: ∼2 × 10−5 M（原文：detection of ∼2 × 10−5 M appears feasible）
效应效果
实验使用 SiON 环型微腔，583.2 nm 共振 Q=1630±136，相对传输凹陷约 10%，估算 PMC=0.30Pin；自由光谱范围约 1.75 nm，与计算值 2.1 nm 一致。共振时微腔区域出现紫外荧光，偏离共振至 584.2 nm 时微腔荧光消失，波导区域不变，说明信号来自微腔共振模式。荧光强度与脉冲重复频率倒数线性相关，支持双光子机制。当前器件因耦合效率低、Q 值有限，波导 TPF 强于微腔；作者指出优化后 Q≈10^5 时 TPF 可较直波导增强 10^4 倍以上，有望检测 10−8 M Trp 及 NAD(P)H、血清素等天然发色团，并可结合免疫分析等表面识别技术。
传感器的构成
- 基底/换能器：SiON 集成光学波导（Si3N4/SiO2/SiON，n(Si3N4)=2.00、n(SiO2)=1.47、n(SiON)=1.55），用于导光并产生倏逝场
- 谐振增强层：环型集成光学微腔（IO MC，Q=1630±136），通过谐振增强腔内功率并限制导模
- 覆盖介质/样品层：甘油（glycerol，n=1.47），覆盖微腔与波导，作为色氨酸溶液介质
- 识别元件：无特异性识别元件，直接检测天然荧光团色氨酸（tryptophan, Trp）的双光子荧光
- 信号标记物：色氨酸（Trp）作为内源荧光团，双光子吸收后发射 300–450 nm 紫外荧光
- 激发光源：可调谐脉冲 Rhodamine 6G 染料激光器（583.2 nm，τp=8 ps，f=4 MHz），提供双光子激发光
- 读出系统：N2 冷却 CCD 相机，配合 notch filter 和 350–400 nm 带通彩色玻璃滤光片采集 UV 图像；另用散射/传输光谱（Ps/Pt）识别微腔谐振
中文摘要
本文报道了利用集成光学（IO）微腔（MC）实现双光子激发荧光（TPF）倏逝激发的可行性。微腔通过腔内功率的谐振增强和导模的强二维限制，在倏逝场区域提供双光子吸收所需的高局域光强。数值估算表明，与长度等于微腔周长的常规直波导相比，微腔处的 TPF 强度可提高 10^4 倍以上，从而有望将紫外吸收发色团的检测限降至 10^-8 M。实验采用 SiON 技术制备的环型微腔，以甘油溶液中的色氨酸（Trp）为紫外吸收荧光团，在 583.2 nm 共振波长下用脉冲染料激光激发，观察到 300–450 nm 紫外荧光；当激发波长偏离共振时微腔区域荧光消失，且荧光强度与脉冲重复频率倒数呈线性关系，证实信号来自双光子过程。该工作为基于微腔的谐振增强双光子生物传感提供了理论与实验基础。
英文摘要
Application of an integrated optics (IO) microcavity (MC) for evanescent excitation of two-photon excited fluorescence (TPF) is demonstrated. The MC provides a high local intensity, which is required for the TPF, because of resonant enhancement of the intracavity power and a strong two-dimensional confinement of the guided mode. Numerical estimations show a large increase, by more than a factor of 10(4) of the TPF intensity at the MC compared to a conventional straight waveguide. This will lead to a significant improvement of the detection limits of UV-absorbing chromophores (down to 10(-8)M) when using the MC as a biosensor. Feasibility of TPF excitation using an IO MC is confirmed experimentally for the first time.