開放式多通道多芯少模光纖表面等離子體共振生物傳感器*

肖士妍 賈大功? 聶安然 余輝 ? 吉喆 張紅霞 劉鐵根

1) (天津大學精密儀器與光電子工程學院,光電信息科學與技術教育部重點實驗室,微光機電系統技術教育部重點實驗室,天津 300072)

2) (石家莊鐵道大學機械工程學院,石家莊 050043)

基于多芯少模光纖結構特性,提出了一種具有開放式感知通道的多芯少模光纖表面等離子體共振生物傳感器.建立了多芯少模光纖表面等離子體共振生物傳感器的模型,利用有限元方法分析了纖芯氣孔間距、膜層厚度、膜層材料以及不同傳輸模式對傳感器性能的影響,并討論了傳感器多通道感知性能.仿真分析發現,纖芯氣孔間距決定了倏逝波的耦合強度,材料特性和模式共同影響了表面等離子體共振峰的位置和靈敏度.經過計算可知: 當單個凹槽傳感通道上沉積100 nm銦錫氧化物薄膜,分析物折射率范圍為1.33—1.39時,LP11ax 模式對應的平均光譜靈敏度為 12048 nm/RIU(其中 RIU 為折射率單位,即 refractive index unit),最高靈敏度為 20824.66 nm/RIU,最大折射率分辨率可達 4.8 × 10–6 RIU;當光纖外圍凹槽鍍上不同厚度的金膜、銀膜和銦錫氧化物膜時,既可以單獨探測生物物質,也可以聯合檢測同一生物物質,實現了傳感通道的控制靈活性和測試物質的多樣性.

1 引 言

生物傳感器在臨床診斷、藥物檢測、食品安全和環境監測等諸多領域發揮著重要作用[1–3].相比于傳統生物傳感器,表面等離子體共振(surface plasmon resonance,SPR)生物傳感器不僅能提供生物分子相互作用的特異性、親和性和動力學表征以及復雜樣品中目標分析物的濃度水平等信息[4,5],還具有超高的折射率 (refractive index,RI)靈敏度、快速的響應時間、實時檢測和無需熒光標記等優勢,成為研究化學和生物化學的重要工具[6,7].

光纖具有體積小、抗電磁干擾、易于集成和信號可長距離傳輸等優點,是SPR生物傳感器的理想載體[8].目前,為提高光纖SPR傳感器的性能,各種不同結構特性的光纖被用作傳感器的載體,如D形光纖[9]、楔形結構光纖[10]和光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF) 等.D 型光纖傳感區的橫截面為D型,待測物涂敷在傳感區的平面上;楔形結構的光纖采用拋磨的方式將光纖傳感區加工成楔形,待測物同樣涂敷于楔形表面上.這兩種光纖的傳感區都為平面,在活菌檢測時由于菌液流動性大,使得采用水浸法測試待測物的誤差較大,如果將平面改成凹槽,將有效解決上述問題[11].相比平面型傳感區,PCF包層內周期性排列的空氣孔可以作為待測物的檢測通道,但是由于空氣孔直徑較小,難以高效填充分析物和鍍SPR激發材料膜層,造成待測物與光信號之間的響應時間變長,影響生物物質的檢測精度和效率[12].為了解決PCF-SPR生物傳感器存在的缺陷,具有開放式空氣孔結構的光纖將是一種有效的解決方案.因為該類型光纖更容易制作出凹槽,從而便于容納待測物.2017 年,Liu 等[13]提出一種基于 PCF 的雙通道中紅外SPR傳感器,該傳感器在水平方向上開設兩個開放式傳感通道,通過物理或化學方法可以將金膜沉積在開環壁上,分析物能夠通過開放通道流入.由于在兩個半開放通道處芯模同時激發SPR,因此無法選擇傳感通道.2019 年,Yang 等[14]提出了一種凹形的PCF能夠實現RI范圍為1.19—1.29的生物化學物質的檢測,該傳感器在開放的矩形槽表面上沉積銦錫氧化物(indium tin oxide,ITO)進行SPR傳感.盡管上述文獻中沒有強調凹槽傳感通道的作用,但是這些想法為解決液狀生物物質檢測存在的問題提供一種有益的思路.然而由于上述傳感器采用微納加工技術,器件相對難以加工,且在生物樣本測試時難以實現多種不同生物物質同時檢測.

為了提高生物物質檢測精度,本文基于含有空氣孔的多芯少模光纖 (few-mode multicore fiber,FM-MCF)提出一種SPR生物傳感器,實現多種生物物質一次檢測.FM-MCF結合多芯光纖(multi-core fiber,MCF)[15]和少模光纖 (few-mode fiber,FMF)[16]的優點,能夠顯著提升單根光纖的傳輸容量[17],并且有模式色散低、非線性低、少量模式共同傳輸[18]等優點,便于搭建穩定、緊湊的光纖傳感器.本文通過COMSOL仿真軟件研究纖芯氣孔距離、膜層厚度和膜層材料以及不同模式對傳感器性能的影響,并給出器件的優化參數,以期研制的生物傳感器具有更好的靈敏度和靈活的感知通道.

2 傳感器感知模型

本文提出的SPR生物傳感器的傳感模型如圖1所示.從圖1(a)中可見,該傳感器含有6個凹槽型傳感通道,每個凹槽都可作為一個獨立的傳感通道,便于鍍一層SPR激發材料和填充液態生物試劑.考慮到光纖上鍍膜的復雜性和多個通道產生的損耗譜的重疊,選擇三種不同厚度的材料(金、銀、ITO)作為涂層,調整共振峰的位置.通道1和通道6上分別鍍有40 nm和30 nm厚度的金膜,通道2和通道3分別為30 nm和40 nm厚度的銀層,通道4和通道5分別為90 nm和100 nm厚度的ITO層.

該傳感器能夠實現多通道獨立感知不同生物化學物質,是由使用的FM-MCF結構所決定的.FM-MCF橫截面如圖1(b)所示,該光纖外圍6根纖芯呈六邊形排列,每根纖芯周圍排布有六個氣孔.FM-MCF 的包層直徑為 192 μm,纖芯直徑為13.1 μm,氣孔直徑為 9.4 μm,纖芯間距為 40 μm,氣孔間距為13.3 μm.利用化學腐蝕法加工傳感器時,通過精確控制腐蝕速度,可以得到如圖1(a)所示的開放式空氣孔,從而實現凹槽型傳感通道的制作.為了分析傳感器參數對性能的影響,本文利用基于有限元方法 (finite element method,FEM)的軟件COMSOL Multiphysics軟件來研究分析傳感器的性能并研究模式的特征.由于光纖的幾何對稱性,只需要計算整個光纖截面的六分之一以提高計算效率.FEM網格化及邊界條件見圖1(c),紅色部分為周期性邊界條件,最外面設置了一層完美匹配層 (perfectly matched layer,PML).本文采用自由三角形網格來離散化整個區域,最后整個計算區域一共包含17883個域單元和825個邊界元,總的自由度為126095.

圖1 (a) FM-MCF SPR 生物傳感器的橫截面;(b) FM-MCF 橫截面;(c) FEM 網格劃分Fig.1.(a) Cross section of the FM-MCF SPR biosensor;(b) cross section of the FM-MCF;(c) FEM mesh for calculation.

設SPR材料的厚度為t,在可見光和近紅外區域的介電常數由Drude-Lorentz模型給出[19]:

其中ωp代表等離子體頻率,k是頻率為ωj√、強度為fj、載流子壽命為 1 /Γj的振子數目,.

3 仿真結果與分析

由于光纖結構和敏感單元材料共同決定了SPR生物傳感器的性能,下面將詳細分析纖芯氣孔間距、傳感區膜層厚度、材料和模式對傳感器性能的影響,并分析、討論SPR傳感器多通道性能.

3.1 纖芯氣孔間距的影響

SPR傳感器采用倏逝波激發,而倏逝波的泄露情況與纖芯到氣孔的距離有關,其影響芯模與等離子體模的波矢匹配.采用化學腐蝕法制作FMMCF SPR生物傳感器凹槽通道的過程如圖2所示.圖2(a)是包層剛好腐蝕到與空氣孔相切.之后,氫氟酸不斷地進入氣孔同時腐蝕氣孔和包層.最終,包層直徑逐漸減小,氣孔直徑逐漸增大,直至氣孔與纖芯相切,如圖2(b)所示.圖2(c)表示如果腐蝕過程仍繼續,纖芯和其余氣孔都會遭到破壞,不利于光纖結構的穩定性.

當三個化學腐蝕階段中纖芯和氣孔間距分別為d=2.1,0 和－2.1 μm,待測分析物折射率na從1.33增加到1.36,半開放槽中鍍50 nm厚度的金膜時,不同纖芯氣孔間距d和損耗曲線之間關系如圖3(a)所示.

圖3(a)中,虛線、實線和點劃線分別表示不同分析物 RI下,d為－2.1,0 和 2.1 μm 時的損耗曲線.從圖3(a)中可見,當分析物RI從1.33增加到1.36時,無論纖芯氣孔間距是多少,共振峰都將發生紅移,且隨著d的減小,光譜損耗增加.這是因為纖芯氣孔間距d的減小使得更多的能量從纖芯耦合到金屬層,增強了SPR效應.不同d時的共振波長和光譜靈敏度關系如圖3(b)所示,當d=0 時,RI變化引起的共振波長漂移最大;因此,當d=0 時,對應的光譜靈敏度 (S(λ)=?λpeak/?na,其中lpeak是損耗峰處的共振波長,na是分析物RI)最大,為 1546 nm/RIU (其中 RIU 為折射率單位,即 refractive index unit).除光譜靈敏度之外,半高全寬 (full width at half maximum,FWHM)和品質因子 (figure of merit,FOM)也是衡量 SPR傳感器性能的重要參數,其中FOM定義為傳感器光譜靈敏度和半高全寬的比值.在圖3(c)中,當d從－2.1 μm 變化到 2.1 μm 時,FWHM(FOM)分別為70.6 nm (21.67 RIU–1),74.3 nm (20.81 RIU–1)和 73.1 nm (15.42 RIU–1).根據上述結果可知: 當d=0時傳感器具有更好的性能(見圖2(b)),因為此時傳感器具有最大靈敏度和較高的FOM;盡管此時FWHM較大,但是光纖具有穩定的傳光性能.

圖2 氫氟酸腐蝕FM-MCF過程中纖芯和氣孔間距d的變化 (a)包層與最外側氣孔相切;(b)腐蝕氣孔與纖芯恰好相切;(c)纖芯被腐蝕;下方的插圖是紅色區域的放大示意圖Fig.2.The core-hole distance d variation during using hydrofluoric acid to fabricate the groove channel: (a) Cladding is tangent to the outermost air-holes;(b) air-holes are tangent to the cores;(c) fiber cores are also etched.The inserts below are zoom-in of red region.

圖3 (a)當 na=1.33—1.36 時不同 d 的芯模損耗光譜曲線;(b)不同 RI下 d 對共振波長和靈敏度的影響;(c) d 與傳感器FWHM和FOM的關系Fig.3.(a) Loss spectra of the core mode with different d when na=1.33—1.36;(b) the effect of d on both resonance wavelength and sensitivity with various RI;(c) relations between d and FWHM as well as FOM of the sensor.

3.2 膜層厚度的影響

膜層厚度t也是SPR傳感器中一個非常重要的參數,它直接影響著SPR傳感器的共振波長位置和損耗光譜特性.當na=1.33 時,不同材料的共振波長(lRes)和限制損耗隨t的變化如圖4所示.在圖4(a)中金膜厚度 (tAu)從 30 nm增加到60 nm,共振波長分別為 472.1,526.1,558.1 nm和 577 nm;在圖4(b)中銀膜厚度 (tAg)從 20 nm增 加 到 50 nm,共 振 波 長 從 311.65 nm 增 長 到466.01 nm;在圖4(c)中氧化銦錫 (tITO)從 90 nm變 到 120 nm時 ,共振波長也相應增長(從1366.28 nm 到 1604.58 nm);可知隨著t的增加,共振波長朝長波方向移動,且波長間隔逐漸減小.通常,隨著t的增大,共振波長向長波方向移動,限制損耗逐漸減小.然而,當tAu從 30 nm 增加到40 nm 時 (tAg從 20 nm 增 加 到 30 nm,tITO從90 nm 增加到 100 nm),限制損耗有小幅增長,從3.64 dB/cm 到 3.70 dB/cm.然后,隨著t的增加,限制損耗快速降低.從圖4中還可以看出三種材料的芯模損耗光譜的FWHM隨t的變化.對于金膜,起初FWHM隨t減小,在40 nm時達到最小值;當t大于40 nm時(對于Ag和ITO分別為30 nm和 100 nm),FWHM 開始增大.因此,可以通過改變激發材料薄膜的厚度來調節SPR峰的共振深度和共振位置.

圖4 不同膜層厚度下的芯模損耗光譜 (a)金膜;(b) 銀膜;(c) ITOFig.4.Loss spectra of the core mode for different coating thickness (t): (a) Au;(b) Ag;(c) ITO.

3.3 膜層材料的影響

圖5 當 na 變化時傳感器的共振光譜 (a) 金膜厚度為40 nm;(b) ITO 膜厚度為 100 nmFig.5.Loss spectra of the sensor with na increasing: (a) tAu=40 nm;(b) tITO=100 nm.

薄膜材料是影響SPR現象的重要因素之一,不僅貴金屬可以用來激發SPR,一些半導體氧化物材料也可以用來激發SPR.與貴金屬相比,半導體材料的電導率遠遠低于金屬材料,這主要是由于半導體材料的載流子濃度低于金屬材料,因此其共振峰位置與金屬材料有顯著差異.當選擇金作為激發SPR的敏感單元材料,最佳的薄膜厚度為40 nm;當選擇 ITO 作為半導體 SPR 材料時,其最佳厚度為100 nm.

兩種不同的材料共振光譜如圖5所示,可見隨著na增加,共振峰均發生紅移,金膜的共振峰位于可見光范圍,而ITO膜的共振峰在近紅外波長.ITO膜的光譜損耗遠高于金膜,但是共振峰有明顯的展寬,這是因為ITO膜的等離子體頻率小于金屬的等離子體頻率.

兩種材料的共振峰波長與分析物RI的關系如圖6所示,其中黑色方塊為不同na時的共振波長,紅色曲線為共振波長的二次擬合曲線.根據擬合公式和靈敏度公式可知,當分析物RI以0.01的步長從 1.33增加到 1.42時,金膜材料的 FM-MCF SPR 傳感器的平均靈敏度為 2624 nm/RIU;當na為 1.33—1.39時,ITO材料的 FM-MCF SPR傳感器的平均靈敏度為 8829.14 nm/RIU;當na=1.42 和na=1.39 時,兩種傳感器的最高靈敏度分別為 4999 nm/RIU 和 13737.08 nm/RIU.

圖6 待測物 RI與共振波長之間的關系 (a) 金膜厚度為 40 nm;(b) ITO 膜為 100 nmFig.6.Relations between na and resonance wavelength for different t: (a) tAu=40 nm;(b) tITO=100 nm.

3.4 模式的影響

由于光纖的色散特性,光纖中可以傳輸不同的模式,模式也會影響SPR傳感器的性能[20].本文使用的FM-MCF在1550 nm時每個纖芯只支持LP01和LP11模式,小于1550 nm時有更多的傳輸模式.為了研究模式的特征及影響,在有限元分析過程中模式分析設置時適當增加了模式數量,以保證所需模式能夠計算到.由于ITO材料恰好適用于近紅外波長,因此選擇ITO為敏感介質材料.當tITO=100 nm,na=1.33 時,在兩種模式的共振波長處的電場分布和光場分布如圖7所示.圖7(a)描述了在共振波長為1460 nm處,LP01x模式與等離子體模耦合時的電場分布,當X=46.5 μm 時,即ITO薄膜的界面處,電場模上存在一個尖峰,這意味著產生了SPR.圖7(b)為LP01x模式與等離子體模的耦合時光場分布,其中紅色箭頭表示電場的極化方向.圖7(c)描繪了在共振波長為1510 nm處,LP11ax模式與等離子體模耦合時的電場分布,相應的光場分布如圖7(d)所示.可以看出,LP11ax激發的倏逝場比LP01x強且電場強度振幅比LP01x大,這意味著高階模式激發SPR優于基模.

圖8(a)為當分析物RI為1.33—1.39時LP11ax模式激發的SPR共振波長與光譜損耗之間的關系,與圖5(b)中LP01模相比,在相同RI下LP11ax模激發的SPR共振峰有紅移.圖8(b)給出了共振波長與RI的二次擬合曲線.當na為1.33—1.39時的平均靈敏度為12048 nm/RIU,最高的靈敏度為20824.66 nm/RIU,遠高于 LP01模的平均靈敏度(8829.14 nm/RIU)和最高靈敏度 (13737.08 nm/RIU).產生上面結果的原因是高階模式的芯模RI更小,這使得它更容易與表面等離子體波耦合,傳感器的最高分辨率也從 7.28×10?6RIU (LP01x)提高到 4.8×10?6RIU (LP11ax).通常光纖中能夠傳輸大量的模式,每個模式激發的SPR共振峰都有輕微的偏移,疊加在一起會導致光譜展寬.當使用FM-MCF SPR傳感器時,可以選擇性地激發高階模態從而有效地減小光譜展寬.

圖7 (a) LP01x 模的電場分布;(b) LP01x 模的光場分布;(c) LP11ax 模的電場分布;(d) LP11ax 模的光場分布Fig.7.(a) Electric field distributions of LP01x;(b) optical field distributions of LP01x;(c) electric field distributions of LP11ax;(d) optical field distributions of LP11ax.

圖8 (a) LP11ax 模激發的光譜損耗曲線;(b) LP11ax 模激發時na與共振波長之間的關系Fig.8.(a) Loss spectra excited by LP11ax mode;(b) relations between na and resonance wavelength at LP11ax mode.

3.5 SPR傳感器多通道性能

上面分析SPR傳感器的性能都是基于單一凹槽,下面討論多通道時所設計傳感器的性能.由于FM-MCF的結構優勢,該傳感器可實現多物質測量,且每個感知通道可實現單獨控制,下面以1,2和5通道為例進行說明.由以上分析可知,金屬膜通道的探測范圍為1.33—1.42,ITO通道的探測范圍為1.33—1.39,這個范圍的RI涵蓋牛血清蛋白溶液、人體免疫球蛋白G和C反應蛋白等生物分子的RI范圍[21–23],因此提出的傳感器能實現1.33—1.42范圍內的生物分子的測量.檢測時,若傳感通道上采用對應測試生物分子的敏感膜層進行功能化,當該生物分子與敏感膜層接觸時會引起介質RI變化,從而實現對特定生物分子的測量;如果不同通道上修飾不同的敏感膜層,即可測試多種生物物質.例如,在通道1的金膜上用抗牛血清蛋白抗體對其進行生物功能化、通道2用山羊抗人免疫球蛋白功能化、通道5固定抗C反應蛋白單克隆抗體,便可檢測牛血清蛋白、人免疫球蛋白G和C反應蛋白三種生物物質.本文的傳感器在測量生物液體分析物時有別于普通光纖SPR傳感器需要將全部傳感區浸入液體內,通過配套使用液體微流體通道,將不同的待測物只滲入特定的傳感區,如此便可以實現對不同物質(其RI不同)的同時檢測.圖9為利用LP01模激發SPR測試三種物質時各通道的光譜損耗曲線,具體傳感區域的結構如圖1(a)所示.此時,1 通道與na=1.35 的牛血清蛋白溶液接觸、2通道與na=1.34的人體免疫球蛋白G接觸和5通道與na=1.33的C反應蛋白接觸,即可實現對三種生物物質的測量.從圖9可見,金、銀膜使1,2通道的共振波長位于可見光波段,ITO膜使5通道的共振波長位于近紅外波段,使用單個光譜儀就可以實現三個通道共振波長的分離,降低測試成本;若采用多個光譜儀則每個通道的獨立探測互不影響.從圖9中損耗曲線的插圖可以了解不同通道在共振時光場的分布情況,ITO膜的共振強度相對于金屬膜層更加明顯,這是由于大量能量從芯模轉移到激發材料和介質的交界面;同時,銀膜比金膜的共振強度更高,但是銀膜在空氣中相較于金膜更易氧化,需要特殊處理.插圖中的紅色箭頭表示電場方向,可以看出每個通道中的電場方向都垂直于激發材料界面,這是由于在不同位置的氣孔上鍍膜而引起的.

圖9 三種生物物質傳感時光譜損耗 (a) 1 通道 na=1.35,金膜;(b) 2 通道 na=1.34,銀膜;(c) 5 通道 na=1.33,ITO膜;插圖是共振發生時通道中光場分布Fig.9.The loss spectra of three bio-substances sensing:(a) Channel 1 for Au coating with na=1.35;(b) channel 2 for Ag coating with na=1.34;(c) channel 5 for ITO coating with na=1.33.Insets are optical field distributions for three channels.

圖10 當 na 從 1.33 增加到 1.34 時,多通道傳感檢測同種物質時的光譜損耗 (a) 1 通道;(b) 2 通道;(c) 5 通道Fig.10.Loss spectra for detecting one bio-substance simultaneously using multi-channel when na increases from 1.33 to 1.34: (a) Channel 1;(b)channel 2;(c) channel 5.

本文提出的傳感器除了可以實現多種物質的探測,還能實現多個通道對同一種物質測試,以提高靈敏度.圖10 為 1,2 和 5 通道同時探測na=1.33的牛血清蛋白時的光譜損耗圖,可以看出當na相同時,ITO的光譜損耗最高,其次是銀膜和金膜.當牛血清蛋白的na從 1.33增加到 1.34時,1通道的靈敏度為1237 nm/RIU,2通道的靈敏度為 1309 nm/RIU,5 通道的靈敏度為 5666 nm/RIU.因為在每個通道上鍍的SPR激發材料不同,每個通道的靈敏度存在差異,對于相同的RI變化來說,每個通道對其響應不同.這時,可以利用通道5測試牛血清蛋白,顯著提高了蛋白的測試靈敏度.經過上面分析可知,該FM-MCF SPR生物傳感器既能實現多種物質同時探測,也能實現同種物質的多通道同時探測,提高待測物檢測靈敏度,顯著增加傳感器的靈活性和適用范圍.

4 結 論

本文提出了一種具有開放式氣孔結構的FMMCF的SPR生物傳感器,使用軟件COMSOL Multiphysics分析和討論了光纖特性和等離子體激發材料對傳感器性能影響.結果表明,當凹槽上鍍有 100 nm厚度的 ITO折射率范圍為 1.33—1.39,LP11ax模與等離子體模發生耦合時,該傳感器通道可以獲得的平均靈敏度為12048 nm/RIU,最高靈敏度為 20824.66 nm/RIU,對應的最大RI分辨率為 4.8×10?6RIU,能夠用于牛血清蛋白溶液和人體免疫球蛋白G等生物分子的檢測.由于該傳感器采用FM-MCF作為載體,可以實現每個傳感通道的靈活控制,既可以檢測不同物質也可以實現對同種物質的聯合檢測.該傳感器具有較高的靈敏度和靈活的多通道特性,是實時檢測和高靈敏度SPR傳感器的理想選擇.