平面光波导用于实时测试生化反应新方法的研究

　　1　引　言

　　近年来,以导波光学为理论基础的平面光波导技术、集成光电回路和集成光路技术、光波导传感技术得到了迅速的发展。其中平面波导生物、化学传感器以其高灵敏度的性能已用于量化蛋白质的吸附、确定亲合力及确定细菌和活细胞的吸附力等工作中。科研人员正在试图找到性能更佳的光波导传感器[1]。目前, 一类经典商用光波导传感器是利用波导在导模条件下,测试导模有效折射率随覆盖层折射率变化而变化来进行传感的。R HOVATH等人在研究反对称模波导传感器时,提出了由于样品吸附等原因使波导截止厚度增加的理论。当波导结构的截止厚度变化到大于薄膜厚度时,原有的导波光从有到无,即截止,利用这一性质可进行物质分析[1]。本文通过分析认为:在三层平板波导中,利用这一性质进行生化反应实时测试存在局限性;通过在四层平板波导中使用变折射率材料,可利用这一性质对覆盖层折射率变化进行实时监测。文中还通过数值分析给出了其灵敏度与薄膜厚度的关系,并将其与经典装置进行了比较分析。

　　2　经典消逝波生物传感器及其灵敏度[1]

　　光栅耦合经典消逝波生物传感器的结构如图1所示。TiO2-SiO2镀在玻璃衬底上,不同角度激发的激光在特定角度通过耦合光栅耦合进波导结构,耦合角依赖于导波传播常数N。当这一平面波导结构用作消逝波生物传感器时,可通过实时监测传播常数的变化量来传感环境的变化,光栅耦合角的测试精度决定了最小ΔN值。此处将其作为微折射率计使用,即需要通过监测ΔN来最终得到覆盖层折射率的变化Δnc。图2是三层平板波导结构示意图。它的本征方程为

　　图8是通过数值分析绘出的经典结构灵敏度与薄膜厚度的关系图。在图8所示的结构中,s{nc}在截止厚度处为零[1];0阶模在λ=114nm 处的灵敏度达到最大值0.1359,1阶模在λ=449nm处的灵敏度达到最大值0.0861。2阶模在λ=782nm处的灵敏度达到最大值 0.0641。

　　3　基于波导截止特性的光波导生化传感器

　　3.1　三层平板波导中导波截止分析[1]

　　图2所示为三层平板波导,覆盖层为待分析物。截止厚度dc为

　　式中,nmax=max{ns,nc};nmin=min{ns,nc}。覆盖层折射率由于吸附等原因在发生变化时,截止厚度dc随之变化。折射率变化量Δnc与截止厚度dc的变化关系如图3所示。在玻璃(ns=1.471)底部镀上Ti-SiO2薄膜(nF=1.75),覆盖层中的介质为水 (nc0=1·33)。当由于覆盖层介质发生变化使折射率开始升高(nc=1.33+Δnc)时,截止厚度dc变小;当nc= ns时,截止厚度dc=0。这时即使是零阶模也不会截止。随着nc的继续升高,即光波导结构为反对称结构(nc> ns)时,截止厚度dc开始增加,当增加至大于导波层厚度df时,导模截止。RHOVATH等人认为,可利用此性质进行待测物分析。