导模共振光学生物传感器研制
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摘 要
本文研制了一种新型光学生物传感器：导模共振光学生物传感器，该传感器
利用一个亚波长光栅结构产生导模共振效应，当用白光入射照明时，仅在共振波
长处～100%反射，其它波长被传输通过传感器结构。当覆盖在生物传感器表面的
生物样品发生浓度变化或是生化反应时，会对共振波长起一个调谐作用，从而导
致共振波长发生改变，表现为尖峰波长值移动(peak wavelength value)，通过测量
PWV 值的移动可以进行一系列的生物检测。导模共振光学生物传感器具有无需荧
光标记、高通量、可以实时监测的优点，并且可以做到小体积、批量生产，从而
降低成本，扩展应用范围。
导模共振光学生物传感器的表面结构决定了传感器的初始共振波长和灵敏
度。本文通过研究影响导模共振特性的因素，找出了控制导模共振波长、共振带
宽、旁带和线形的结构参数，其中光栅层周期主要决定共振波长，光栅层填充系
数和调制强度对带宽有很大影响，各层厚度主要影响旁带和线形。结合光波导理
论导，将导模共振结构的光栅层等效成各向同性的光波导，给出了预测共振波长
的简便方法。并且结合薄膜光学的抗反射条件，通过光栅层和波导层
4/
—
4/
（四分之一光学厚度）的抗反组合，优化了导模共振结构的设计。文中给出了一
个以氧化铪为材料的双层导模共振结构优化设计。模拟结果显示，这一结构共振
波长1550.7nm，旁带低于5%，带宽40nm，线形对称。若接收光谱仪分辨率为0.02nm，
则计算得到双层氧化铪结构导模共振光学生物传感器的灵敏度为
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108.1
H
n
。
关键词：导模共振 生物传感器 严格耦合波分析 薄膜光学
光波导理论
ABSTRACT
This paper developes a new type of optical biosensor: Guided-mode resonance
optical biosensor, a sub-wavelength grating structure is used by the sensor to create a
guided-mode resonance effect.When the sensor is illuminated with white light, only the
resonance wavelength is reflected ~ 100%, other wavelengths are transmitted through
the sensor structure. When the concentration of biological samples attaching the surface
of the biological sensor is changed, or biochemical reactions occur, the resonance
wavelength will be tuned, resulting in change of resonance wavelength, expressed as
shift of peak-wavelength value,by measuring the PWV shift, can do a series of
bio-detection. Guided-mode resonant optical biosensor has mang advantages:
fluorescent label-free, high-throughput, real-time monitor, and can also be mass
produced with small volume, thereby reducing costs and expanding range of
applications.
The surface structure of Guided-mode resonant optical biosensor determines the
sensor's initial resonance wavelength and sensitivity. In this paper, through researching
the factors that affect the characteristics of guided-mode resonance , parameters that
control the guided-mode resonance wavelength, resonance bandwidth,sideband and line
shape are identified, in which period of grating layer major decisions resonance
wavelength, fill factor and modulation intensity of grating layer great impact on the
bandwidth ,the thickness of layers adjacent to the sideband and line shape. Combining
with optical waveguide theory, the grating layer of guided-mode resonance structure is
approximated to isotropic optical waveguide, gaving an easy way to predict resonance
wavelength. Also combining with the anti-reflective conditions of film optics, the
grating layer and waveguide layer are designed of
4/
—
4/
(fourth optical thickness)
combination to give the optimized structure of guided-mode resonance. A optimized
design of guided-mode resonance structure fabriacting with hafnium oxide material is
given by this paper. Simulation results show that resonance wavelength of the structure
is 1550.7nm, sideband is less than 5%, bandwidth is 40nm, line shape is symmetric. If
the resolution of receiver spectrometer is 0.02nm, then the calculated sensitivity of the
two-layer guided-mode resonance optical biosensor fabriacting with hafnium oxide
material is
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108.1
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n
.
Key Words: guided-mode resonance, biosensor, rigorous
coupled-wave analysis, film optics, optical waveguide theory
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .................................................... 1
§1.1 生物传感器简介 ........................................ 1
§1.2 光学传感器简介 ........................................ 2
§1.2.1 光栅耦合 .......................................... 4
§1.2.2 共振镜（棱镜耦合） ................................ 4
§1.2.3 Mach-Zehnder 型干涉仪 ............................. 5
§1.2.4 表面等离子体共振 .................................. 5
§1.2.5 椭圆偏光法 ........................................ 6
§1.2.6 反射干涉 .......................................... 6
§1.3 GMR 生物传感器研究动机 ................................. 7
§1.4 GMR 发展 ............................................... 8
§1.5 GMR 生物传感器国内外研究现状 ........................... 9
第二章 严格耦合波分析理论 ..................................... 11
§2.1 电磁波基本理论 ....................................... 11
§2.2 严格耦合波分析法 ..................................... 12
§2.2.1 矩形光栅中 TE 偏振入射波衍射 ...................... 13
§2.2.2 矩形光栅中 TM 偏振入射波衍射 ...................... 16
§2.3 GMR 严格耦合波分析 .................................... 18
§2.3.1 多层介质中的反射与透射 ........................... 19
§2.3.2 多阶浮雕光栅的严格耦合波分析 ..................... 21
§2.4 小结 ................................................. 22
第三章 导模共振光学生物传感器表面结构设计 ..................... 23
§3.1 影响 GMR 特性的因素 ................................... 23
§3.2 入射光参数对 GMR 特性的影响 ........................... 24
§3.2.1 入射角对 GMR 的影响 ............................... 24
§3.2.2 入射模式对 GMR 的影响 ............................. 25
§3.3 光栅参数对 GMR 特性的影响 ............................. 26
§3.3.1 光栅周期对 GMR 影响 ............................... 26
§3.3.2 各层厚度对 GMR 的影响 ............................. 26
§3.3.3 各层折射率对 GMR 的影响 ........................... 28
§3.3.4 填充系数对 GMR 的影响 ............................. 29
§3.3.5 调制强度对 GMR 的影响 ............................. 30
§3.4 GMR 结构优化 .......................................... 31
§3.5 GMR 生物传感器结构设计 ................................ 35
§3.6 小结 ................................................. 39
第四章 导模共振结构制作 ....................................... 41
§4.1 基片处理 ............................................. 41
§4.1.1 基片清洗 ......................................... 41
§4.1.2 旋涂光刻胶 ....................................... 43
§4.1.3 基片前烘 ......................................... 44
§4.2 全息曝光显影 ......................................... 44
§4.3 后烘 ................................................. 46
§4.4 AFM 检测掩膜版 ........................................ 47
§4.5 制作刻蚀版 ........................................... 49
§4.6 制备的 GMR 结构 ....................................... 52
§4.7 小结 ................................................. 54
第五章 导模共振光学生物传感器检测平台 ......................... 55
§5.1 传感器检测平台 ....................................... 55
§5.1.1 光源 ............................................. 55
§5.1.2 光纤探头 ......................................... 56
§5.1.3 光谱仪 ........................................... 56
§5.2 标准溶液检测 ......................................... 59
§5.3 亲和反应检测 ......................................... 60
§5.4 小结 ................................................. 60
第六章 结论与展望 ............................................. 63
参考文献 ...................................................... 65
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................ 69
一、论文 ...................................................... 69
二、科研项目 .................................................. 69
致谢 .......................................................... 70
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 生物传感器简介
生物传感器是一门典型的多学科交叉高新技术，它结合了生物科学、化学、
物理学、医学、电子信息科学及其它相关技术，能够对待检测生物化学物质进行
快速的分析和实时的监测。生物传感器的原理如图 1-1 所示，生物传感器的构成
主要包括两部分：分子识别元件(生物敏感膜)和换能器。生物传感器用固定化的生
物活性成分(酶、抗体、 激素、核酸)或生物体本身(组织、全细胞、 细胞器)作为
敏感元件，利用生物活性物质所具有的高度选择性来识别待测生物化学物质。当
待测物质进入分子识别元件，经过分子识别，发生生物化学反应，反应的信号通
过各种物理、化学信号换能器转变成可以定量分析和处理的电信号，从而获得待
测物的浓度等信息。
最先出现的生物传感器是酶电极。20 世纪 60 年代，美国的 Clark 教授等首先
描述了酶电极，他们把葡萄糖氧化酶溶液包夹在两层透析膜间形成液层，再贴在
氧电极上，氧的浓度下降与溶液中的葡萄糖浓度相关，输出的电信号可以用于监
测液层中的反应。然而，由于提纯的酶价格昂贵，酶电极的使用期限也较短，限
制了酶电极的进一步发展。人们开始研究微生物电极、细胞器传感器、动植物组
织传感器和免疫传感器等新型生物传感器。经过长期的不懈努力，生物传感器融
合了众多的新知识和技术，成为了一个涉及面广，多学科交叉的领域。
生物传感器分类方法主要有三种，根据输出信号的产生方式可以分为亲和生
物传感器、代谢生物传感器和催化生物传感器；根据生物传感器中分子识别元件
的不同可以分为酶传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、微生物传感
待测物质
物理量或
化学量变化
电信号
图1-1 生物传感器原理
导模共振光学生物传感器研制
2
器、核酸传感器和分子印迹传感器，如图 1-2 所示；根据生物传感器中换能器的不
同可以分为光生物传感器、热生物传感器、声波生物传感器、电导/阻抗生物传感
器、电化学生物传感器和悬臂梁生物传感器。
生物传感器在生物医学、食品工业、环境监测、国防工业及制药工业等诸多
领域中有广泛的应用。例如，在医学领域生物传感器可以用来测试癌细胞对各种
抗癌药物的反应，通过这种方法筛选出最有效的治疗药物。在食品工业中生物传
感器可用于检测食品原料、半成品和成品的质量，测试食品中有无有害物质。在
环境监测中，生物传感器可以进行水污染的监测。制药工业中，将生物传感器用
于过程监视，可以迅速地获取各种数据，有效地加强了产品的质量管理。生物传
感器在军事上可以用来快速探测生物武器、化学武器，预防生化战。在近些年中，
生物传感器又对生物表达化学、表面定性、分子标记以及纳米技术领域新出现的
生物技术创新作出响应，并带动了在各种环境下应用的增长。随着生物防卫和环
境领域以及工业控制应用的强劲增长，生物传感器成为进行快速精确分析的首选
方式。
1.2 光学传感器简介
光学传感器能够定量测定光辐射的一个或多个基本特性，例如振幅、相位、
频率和偏振。在生物传感应用中，活动性的变化，密度变化，生物化学结构或生
物结构的空间分布变化导致了这些特性中的某一个的变化。生物传感系统中的生
生物分子识别元件
图1-2 生物传感器根据分子识别元件分类
第一章 绪论
3
物结构可以大致分为催化活性体（酶）和亲和基（抗体和受体）。将酶的活动性与
光学参数相结合，受酶反应影响的发光物质是必需的。光学传感器更适用于检测
亲和反应中的结合活动。信号的产生可以是结合过程中光学参数的微小变化，光
学检测标签的微小变化，与某一反应物的耦合或反应物内在变化。显然，不需要
标记反应物的检测更普遍和更适用于广泛领域的问题解决。无标记的检测可以认
为是直接检测。
直接检测在检测传感器表面密度的性能上取决于生物传感界面上覆盖的受
体，这样的生物层典型为单层覆盖，因此基于吸收作用的光学传感器不能提供足
够的灵敏度。依赖导光传播变化的探测更加可靠，其效应包括了相位改变，波导
结构的耦合，表面等离子体共振，光栅耦合，双光束干涉和模拍干涉。此外，反
射技术也可以被应用，如椭圆偏光法，对于光偏振态的改变有很高的灵敏度，或
是更简单的技术，如薄膜中的多次反射干涉。因为不能直接测量相位或偏振态，
这些方法都是基于强度的局部或空间调制。在大部分应用中，传感区域受到探测
器消逝场的限制。传感器材料主要是玻璃型表面或贵金属表面（例如表面等离子
体共振）。受体层需要固定在传感器材料上。受体层的效用和质量取决于迁移性、
可达到性和固定受体的结构和间隔分子。由于这些原因，层和界面的光学特性是
优化传感器质量的有效方法。
量化亲和反应的经典方法是使用标记分子，标记可以是放射性材料、荧光团
或酶。而直接探测方法无需标记分子，在以下领域有很好的应用：(a)在监测结合
过程中可以获得不断变化的信息，例如动态信息。(b)时间受到限制，繁殖直到平
衡的建立需要很长的时间。(c)要避免标记化合物的使用。现在一些使用这种动态
方法的直接光学系统已经商业化。所有商业化的方法都是使用消逝场技术，通过
检测配合基浓度变化引起的折射率变化来监测亲和反应。
最常使用的光学检测原理有以下几种：
1.全内反射荧光(TIRF)；
2.光栅耦合(GCP)；
3.共振镜(RM)；
4.表面等离子体共振(SPR)；
5.基于波导的 SPR(WSPR)；
6.集成光学干涉仪(IO)；
7.椭圆偏光法(ELL)；
8.光反射干涉(RIFS)；
9.荧光共振能量转移法(FRET)。
摘要：
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摘要本文研制了一种新型光学生物传感器：导模共振光学生物传感器，该传感器利用一个亚波长光栅结构产生导模共振效应，当用白光入射照明时，仅在共振波长处～100%反射，其它波长被传输通过传感器结构。当覆盖在生物传感器表面的生物样品发生浓度变化或是生化反应时，会对共振波长起一个调谐作用，从而导致共振波长发生改变，表现为尖峰波长值移动(peakwavelengthvalue)，通过测量PWV值的移动可以进行一系列的生物检测。导模共振光学生物传感器具有无需荧光标记、高通量、可以实时监测的优点，并且可以做到小体积、批量生产，从而降低成本，扩展应用范围。导模共振光学生物传感器的表面结构决定了传感器的初始共振波长...
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