Ультрачувствительный биосенсинг с использованием двумерных решеток из массива отверстий, связанных с волнами Блоха на поверхности

Аннотация

Представлен компактный беспроводной биосенсор, связывающий волны Блоха на поверхности (BSW) через двумерную (2D) сублинговую решетку из массива отверстий, осажденную на верхнем слое распределенного брагговского рефлектора (DBR). Возбуждая BSW либо на поверхности решетки (DG-BSW), либо на интерфейсе DBR-раствор (GC-BSW), достигаются угловые чувствительности 1190°/RIU и 2255°/RIU соответственно. Численное моделирование подтверждает, что материальные потери в многослойном стеке минимально влияют на качество резонанса, обеспечивая надежный сенсинг с высокой фигурой мерита в широком диапазоне показателей преломления.

Фон

Фотонные устройства, поддерживающие поверхностные моды резонанса — такие как поверхностные плазмонные поляртоны (SPP), резонансы управляемых мод и волны Блоха на поверхности (BSW) — находятся на передовой беспроводного real-time биосенсинга для медицинской диагностики и экологического мониторинга. Хотя SPR остается промышленным стандартом, его зависимость от металлических пленок ограничивает чувствительность (обычно несколько сотен нм/RIU) и вводит поглощающие потери. BSW, генерируемые в полностью диэлектрических фотонных кристаллах, предлагают заметно более высокую чувствительность, настраиваемое усиление поля и пренебрежимое поглощение, делая их привлекательными для next-generation биосенсоров.

Существующие BSW сенсоры часто используют громоздкие призматические геометрии связи (Кретшмана). Мало исследований изучали решеточные конфигурации связи, упрощающие оптическую установку. Здесь предлагаются две 2D решеточные конфигурации, возбуждающие BSW в разных локациях: на поверхности решетки (DG-BSW) и на интерфейсе DBR-раствор (GC-BSW). Сравнивая эти конфигурации, идентифицируются оптимальные параметры для максимизации угловой чувствительности при минимизации сложности фабрикации.

Методы

Случай 1: Конфигурация поверхностной дифракционной решетки BSW (DG-BSW)

Структура DG-BSW (рис. 1) состоит из пятипериодного DBR (SiO₂/TiO₂), за которым следует 60-нм буфер SiO₂ и 116-нм Si₃N₄ решетка с круглыми воздушными отверстиями. Период решетки, радиус отверстия и толщина: Λ=510 нм, r=145 нм, h=116 нм. Свет, падающий под полярным углом θ и азимутальным φ, связывается в BSW моду через решетку. Материальные потери включены через мнимые показатели преломления: γ_SiO₂=0, γ_TiO₂=10⁻⁴. Слои DBR четвертьволновые при рабочей длине волны (λ₀=657 нм), давая d_L=100 нм, d_H=70 нм.

Рigorous coupled-wave analysis (RCWA) в Diffract MOD (RSoft Photonics Suite) использовался для расчета спектров отражения и распределений поля. Симуляции выявили острый Фано-резонанс при θ=4,3° для λ≈660 нм, с полем BSW, проникающим ~200 нм в воздух и достигающим интенсивности 42× от падающего поля.

Поскольку область высокого поля находится внутри узких отверстий, проникновение анализа ограничено, потенциально снижая чувствительность. Для решения предлагается альтернативная конфигурация.

Случай 2: Конфигурация управляемой решеткой связанной BSW (GC-BSW)

В дизайне GC-BSW (рис. 3) сенсорная область перемещается к дну DBR. TiO₂ слой, прилегающий к раствору, уменьшается до 30 нм, остальные толщины слоев неизменны. 2-мкм биорaствор (n≈1,333) помещается непосредственно на высокоиндексную TiO₂ поверхность. Возбуждение BSW происходит, когда s-поляризованный свет связывается через решетку при θ≈7° и λ≈633 нм, формируя поверхностное дефектное состояние, усиливающее эванесцентное поле на интерфейсе раствора.

Симуляции показывают, что поле BSW проникает 2 мкм в раствор — в 10 раз глубже, чем в случае DG-BSW — что приводит к более сильному взаимодействию с аналитами и более высокой угловой чувствительности.

Результаты и обсуждение

Кривые отражательности для обеих конфигураций DG-BSW и GC-BSW демонстрируют острые высоко-Q резонансы как функции угла падения и длины волны (рис. 4). DG-BSW дает впадину при θ=4,3° (λ≈660 нм), GC-BSW показывает резонанс при θ=7° (λ≈633 нм). Угловая чувствительность превышает 1190°/RIU (DG-BSW) и 2255°/RIU (GC-BSW), превосходя конвенциональные призматические сенсоры на порядок.

Азимутальное допрос GC-BSW (рис. 5) выявляет высокоселективный резонанс, значительно сдвигающийся при минимальных изменениях показателя преломления. Распределение поля показывает сильное перекрытие с сенсорным слоем, объясняя превосходную чувствительность. Ширина резонанса (FWHM) остается узкой (<0,5°) даже при повышенных потерях (γ_TiO₂≤10⁻³), подтверждая надежность дизайна.

Рис. 6 демонстрирует, что увеличение полярного угла сужает FWHM сохраняя глубину резонанса, позволяя тонкую настройку ответа сенсора. Анализ потерь (рис. 7) указывает, что коэффициент поглощения κ=10⁻⁴ дает оптимальный баланс между глубиной и шириной, тогда как большие потери деградируют Q-фактор без сдвига резонанса.

Расчеты азимутальной чувствительности (уравнение 3) показывают, что Δn=5×10⁻⁴ вызывает сдвиг 0,1° в DG-BSW и 0,2° в GC-BSW, соответствующий заявленным чувствительностям. Конфигурация GC-BSW последовательно превосходит DG-BSW как по чувствительности, так и по FWHM, давая фигуру мерита (FOM) 2255°/RIU.

В целом, обе решеточные конструкции демонстрируют превосходную производительность по сравнению с традиционными призматическими BSW сенсорами, без строгих ограничений показателя преломления для диэлектрического стека и с масштабируемыми параметрами дизайна, позволяющими работу в любом желаемом спектральном диапазоне.

Заключение

Продемонстрированы два компактных 2D решеточных биосенсора на волнах Блоха, связанных массивом отверстий, достигающих угловых чувствительностей 1190°/RIU (DG-BSW) и 2255°/RIU (GC-BSW) при углах падения ниже 10°. Архитектура GC-BSW в частности предлагает двукратное увеличение чувствительности и более узкий резонанс по сравнению с DG-BSW, сохраняя низкий фуутпринт фабрикации. Эти дизайны прокладывают путь для интегрированных высокопроизводительных платформ биосенсинга «лаборатория на чипе», которые можно адаптировать к любой длине волны настройкой параметров решетки и DBR.