塑料光柵生物傳感器的傳感特性分析

龔冬梅，孫小芳，王巨峰，莊琳玲

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門361021）

生物傳感器是由敏感元件產生信號并對信號加以處理的生物量轉換元件，其中敏感元件是傳感器的核心.目前，生物傳感器主要有光學生物傳感器［1］、電化學生物傳感器［2］、測熱型生物傳感器［3］、半導體生物傳感器和測聲型生物傳感器［4］等.近年來，光學生物傳感器的發展較為迅速［5］.在眾多光柵應用中，光柵傳感器的研究一直是光學傳感器的研究熱點，如光纖光柵傳感器［6-8］、光柵位移傳感器［9］、光柵表面等離子體共振傳感器［10］.光學塑料具有很多潛在的優點，如成本低廉、工藝簡單和光學性能優良等.利用光學塑料制作微納結構光柵正在受到人們越來越多的重視［11-13］.劉暢等［14］將塑料CD光盤光柵用于表面等離子體共振（SPR）傳感器，使SPR傳感器制作成本降低.本文基于塑料矩形光柵制作生物傳感器，以微量葡萄糖作為檢測樣本，分析傳感器的檢測靈敏度和線性傳感特性.

1 實驗原理及裝置

塑料光柵生物傳感器原理，如圖1所示.矩形光柵凹槽內為生物分子介質，光從光柵底垂直入射，設光柵槽深為h，周期為Λ，光柵凹槽內生物分子介質厚度為t，塑料基板折射率為n1，生物分子折射率為n2，則光線1和光線2通過光柵時產生的相位差為

圖1 塑料矩形光柵生物傳感器原理圖Fig.1 Schematic diagram of plastic rectangular grating bio-sensor

根據文獻［15］可知：矩形光柵衍射效率一般表達式為

由此可得，垂直入射下占空比ρ＝0.5的光柵衍射效率為

式（3）中：m為衍射級次.

由式（3）可得光柵0級和1級衍射效率之差為

當光柵凹槽內充滿生物分子介質時，即t＝h，則式（4）變為

從式（4）可知：當生物分子介質折射率n2已知時，通過測量光柵0級和1級衍射效率之差D0-1可求得生物分子介質厚度t，稱為厚度法.對于未知折射率n2的生物分子介質，可通過測量D′0-1，再由式（5）求得n2，稱為折射率法.

實驗裝置主要包括半導體激光器（LD）、分光鏡、柱面透鏡、光學衰減器、線陣CCD傳感器和數據處理模塊，如圖2所示.綠光LD的532 nm波長激光束經分光鏡無轉折地進入柱面透鏡，紅光LD的650 nm波長激光束經分光鏡轉折90°后進入柱面透鏡.從YZ平面看，激光束經柱面透鏡后仍保留原來光束寬度不變，垂直入射塑料光柵后衍射產生0級和±1級光束，經過光衰減器到達線陣CCD傳感器探測面.從XZ平面看，柱面透鏡將激光束會聚于塑料光柵上，由于激光束扇形平面與光柵方向平行，透過光柵后仍保留原來扇形形狀不變，在探測面上（XY平面）形成長條狀光斑，容易被線陣CCD探測到，避免了線陣CCD探測面的光束對準問題（圖3）.CCD的光強度響應靈敏度高，響應近似為線性響應，線性擬合相關系數可達0.999［16］.

采用離子刻蝕［17］石英模板結合熱壓印方法制作低成本塑料矩形光柵［18］.石英模板的光柵表面為矩形，光柵常數10μm量級，塑料基板為聚碳酸酯，當石英模板光柵凹槽深度為百納米量級時，復制出的塑料矩形光柵表面也具有矩形結構.樣品池為與光柵同質塑料圓環，緊密粘貼在光柵表面，樣品池內徑3 mm，高度2 mm，取樣體積14.14μL，如圖3所示.

圖2 實驗裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of experimental device

圖3 CCD探測面上的衍射光斑及輸出信號波形圖 Fig.3 Diffraction pattern on the surface of CCD chip and the waveform of output signal

2 實驗結果與分析

2.1 葡萄糖沉積膜厚度測量的傳感特性

為了檢驗測量方法的可行性，通過測量葡萄糖溶液蒸發沉積膜的厚度進行濃度測量.由于固體葡萄糖的折射率基本固定，可當作折射率已知，適用于式（4）.對于相同體積的葡萄糖溶液，在光柵凹槽內的沉積厚度與溶液濃度成正比，因此沉積膜厚度測量與溶液濃度測量具有相同的傳感特性.實驗前，用去離子水配制濃度c分別為100，200，…，900μg·d L-1的葡萄糖溶液作為待測介質，分別注入塑料光柵傳感器樣品池中（圖4），樣品池內溶液經過加溫蒸發沉積，在光柵凹槽內形成納米厚度葡萄糖薄膜，光柵凹槽深度為300 nm.為了保證葡萄糖溶液只沉積在光柵凹槽內，蒸發過程中樣品池始終保持微振動狀態，同時注入的葡萄糖溶液均充滿樣品池，使每次測量溶液體積一致.

圖4 塑料光柵傳感器樣品池結構Fig.4 Structural schematic of the sample cell of plastic grating sensors

用650 nm激光測量衍射效率差D0-1（用輸出電壓值表示）與葡萄糖溶液濃度c的關系曲線，如圖5所示.圖5中：每個測量點為3次測量的平均值.根據圖5中數據計算可得：葡萄糖溶液濃度每改變100 μg·d L-1，對應輸出電壓改變14.06 m V，可見塑料光柵傳感器測量系統具有很高的靈敏度，測量靈敏度優于100μg·d L-1.實驗曲線同時證明了傳感器具有很好的線性響應.

2.2 葡萄糖溶液折射率測量法的傳感特性

分別配制成濃度為100，200，…，900 mg·d L-1的葡萄糖溶液，注滿樣品池中，蓋上玻璃蓋板，使玻璃蓋板的下表面與溶液完全接觸.在25℃室溫下測量衍射效率差D0-1與葡萄糖溶液濃度的關系曲線，如圖6所示.圖6中：用650 nm激光測量，光柵凹槽深度為542 nm.比較圖5和圖6可知：與厚度測量法相比，折射率測量法的靈敏度低了3個數量級，其靈敏度為葡萄糖溶液濃度每改變100 mg·d L-1，對應衍射輸出電壓差變化22.53 m V.

圖5 厚度法測量葡萄糖溶液濃度的實驗結果Fig.5 Experimental results of glucose concentration by thickness measurement

圖6 折射率法測量葡萄糖溶液濃度的實驗結果Fig.6 Experimental results of glucose concentration by refractive index measurement

2.3 結果分析

生物分子的檢測通常在溶液中進行，并且以分子在溶液中的濃度加以表示.通過比較厚度法和折射率法測量葡萄糖溶液濃度的實驗，可以看到厚度法比折射率法具有更高的靈敏度.這是因為被測介質在厚度法中全部進入光柵凹槽中，而折射率法中樣品池里只有少量被測介質在光柵凹槽中，在光柵中產生的光程差差別較大，所以前者的測量靈敏度明顯高于后者.厚度法測量葡萄糖溶液濃度需要經過蒸發過程，實驗操作復雜，測量周期長.如果要提高折射率法的測量靈敏度，可通過增加光柵凹槽深度的方法，如為了制作上容易實現，可采用粗光柵結構.

由于溫度不但會影響葡萄糖溶液和沉積膜層的折射率，還會影響測量電路的穩定性，上述實驗結果均是在相同環境溫度下測量得到的.因此，實驗曲線要在相同實驗條件下才具有普適性，且不同分子溶液的測量曲線也不同.實驗發現圖5和圖6的測量曲線位置對光柵刻槽深度很敏感，所以要求光柵刻槽深度的制作精度很高，這是矩形光柵作為生物傳感器的不足之處.

3 結論

采用塑料光柵作為生物傳感器的載體元件，通過分析塑料光柵0級和1級衍射效率之差與光柵凹槽深度、介質厚度和折射率的關系，得到塑料光柵生物傳感器的厚度法和折射率法傳感特性公式.實驗制作了塑料光柵生物傳感器測量裝置，以葡萄糖溶液為樣本，測試了不同濃度的葡萄糖溶液.

實驗結果表明：測量葡萄糖溶液濃度時傳感器在所測量的范圍內具有很好的線性響應，且厚度法比折射率法具有更高的靈敏度，測量靈敏度優于100μg·d L-1.塑料光柵作為生物傳感器的載體元件，具有制作成本低，完全非接觸測量對被測樣本無損傷，敏感元件體積小，所需被測樣品少等優點，同時采用衍射光強差測量方法，檢測容易，設備簡單.

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