组成图示
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传感器类型
其他（光波导光模光谱(OWLS)生物传感器）
检测对象
人血清白蛋白（Human Serum Albumin, HSA）；样品基质：PBS缓冲液（用于模拟血清中HSA检测）
检测原理
该传感器基于光栅耦合器光波导的倏逝场无标记检测。He-Ne激光经光栅以特定入射角耦合进入SiO2-TiO2波导，在表面形成倏逝场。Si3N4表面经TEA硅烷化并固定anti-HSA抗体后，流动池中的HSA与抗体特异性结合，在传感表面形成吸附层。HSA吸附使覆盖层折射率和厚度增加，改变导模的有效折射率，导致TE/TM入射角发生位移。OWLS仪器连续监测入射角变化，并借助Feijter公式将有效折射率转换为吸附质量与厚度。信号随HSA浓度升高而增大，在低浓度区近似线性，高浓度区呈Langmuir吸附S形饱和，无需荧光或酶标记放大。
检测灵敏度
动态范围: 10^-13 M–10^-3 M；线性范围: 10^-3 M–10^-6 M；灵敏度: 34 ng/cm2；R^2 = 0.99689（线性拟合）；R^2 = 0.9969（S形拟合）
效应效果
系统基线稳定，测量过程中响应无明显衰减，重复性误差小于10%。抗体功能化后OWLS信噪比由裸Si3N4芯片的41提高到56，芯片至少可重复使用3次。HSA检测范围为10^-13–10^-3 M，其中10^-3–10^-6 M呈线性，灵敏度为34 ng/cm2，线性拟合R^2=0.99689，S形拟合R^2=0.9969。作者指出其LOD虽未达同类研究报道水平，但比高/低白蛋白血症诊断所需灵敏度高3个数量级，且可直接获得吸附质量而非仅折射率单位变化，适用于实时定量免疫传感和光波导与微电子集成。
传感器的构成
- 基底/换能器：玻璃基底（glass substrate, ns=1.53）上170 nm SiO2-TiO2氧化波导层（nf=1.77）及光栅（2400 lines/mm，深度约20 nm），用于耦合激光并产生倏逝场。
- 纳米材料修饰层：10 nm Si3N4薄膜（RF磁控溅射，折射率约2.22），作为透明高折射率功能层，支持生物分子固定并利于微电子集成。
- 表面活化层：Piranha溶液、0.5 M NaOH/0.1 M HCl处理形成的富氧Si3N4/SiO2表面，提供可硅烷化羟基。
- 化学修饰层：三乙氧基硅烷醛（TEA）气相硅烷化形成的醛基表面，用于共价固定抗体。
- 识别元件：抗人血清白蛋白兔单克隆抗体（anti-HSA IgG，约150 kDa），经4 mM NaBH4还原胺化固定，识别HSA。
- 封闭剂：100 mM乙醇胺（10 mM PBS，pH 8.4）加4 mM NaBH4，封闭剩余醛基，降低非特异结合。
- 信号标记物：无标记（label-free），HSA蛋白本身在表面形成吸附层，其质量/折射率变化产生信号。
- 读出系统：He-Ne激光（632.8 nm）与OWLS仪器，通过TE/TM入射角和有效折射率换算吸附质量/厚度。
中文摘要
本文报道了一种在商用光学光栅表面溅射沉积10 nm透明氮化硅（Si3N4）薄膜的新型光波导光模光谱（OWLS）免疫传感器芯片。通过射频磁控溅射制备Si3N4功能层，并利用X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）表征其成分、厚度与形貌。芯片经Piranha溶液及NaOH/HCl活化后，用三乙氧基硅烷醛（TEA）气相硅烷化，再通过NaBH4介导的还原胺化将抗人血清白蛋白（anti-HSA）单克隆抗体直接共价固定于表面，最后用乙醇胺封闭剩余醛基。以anti-HSA/HSA体系为模型，在PBS中连续流注入10^-13–10^-3 M HSA，OWLS通过监测TE/TM入射角变化实时获得吸附质量与厚度。结果表明，Si3N4涂层保持光栅耦合性能，抗体功能化后信噪比由41提高到56，系统稳定、可重复使用，并能在诊断所需浓度以下实现高灵敏度检测，为光波导与微电子集成提供新途径。
英文摘要
New silicon nitride coated optical gratings were tested by means of Optical Waveguide Lightmode Spectroscopy (OWLS). A thin layer of 10 nm of transparent silicon nitride was deposited on commercial optical gratings by means of sputtering. The quality of the layer was tested by x-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy. As a proof of concept, the sensors were successfully tested with OWLS by monitoring the concentration dependence on the detection of an antibody-protein pair. The potential of the Si3N4 as functional layer in a real-time biosensor opens new ways for the integration of optical waveguides with microelectronics.