基于損耗模態共振原理的生物傳感器

王 輝，魯 力，宋晨琳，趙士玉，鄭程程，張秋萍

（合肥師范學院，電子信息系統仿真設計安徽省重點實驗室，安徽合肥230601）

1982年，Claes Nylander等人首次提出基于表面等離激元諧振（SPR）原理的傳感器[1]，該傳感器使用Kretschmann結構，極大地推動了生物醫學傳感器[2-3]的發展，已經有公司將該類型的傳感器商品化了，如Biocore Co.Ltd和Xantec Bioanalytics Co.Ltd。然而，SPR傳感器[4-5]的靈敏度目前已經達到了極限[6]，且這樣的結構只有p-極化（TM）模態能有效產生表面等離子波，s-極化（TE）波的能量無法被利用，反而產生噪聲。在Kretschmann結構中，如果將金屬層替換成特定厚度的半導體薄膜材料，在一定條件下會產生損耗模態共振（LMR）[7-8]。相較于SPR，LMR具有高敏感性，有利于微量生物分子的感測，這使得LMR在生物醫學領域被視為極具發展潛力的感測技術之一。目前，LMR感測器結構普遍采用光纖作為導光基材，但光纖的材質與結構脆弱，加工困難，且感測光纖前后須留長約1米的接續光纖，這使整條光纖感測元件在鍍膜與表面改質過程中變得更加困難，不利于產品的量產。因此，有必要研究更適合量產、同時兼具靈敏度的感測元件結構。蛋白質的檢測一直是生物醫學上非常重要的課題。傳統的方法為酵素連結免疫吸附分析法（ELISA）[9]，該方法需復雜的預處理過程且步驟具有局限性，往往需經數小時至數日才能完成某一種檢測，對于需要多種檢測交叉比對的生醫反應，處理過程相當費時。雖然當待測物體積減少時，反應面積與待測物體積的比率相對增加，待測物的反應速率可以加快，可是一旦待測物含量過低，即面臨感測信號大幅減弱的問題。增加信號強度或提升感測裝置的靈敏度，是解決上述問題的兩種方式。目前有使用人工方式復制生醫分子的方法，以增大信號強度，但對于無法利用人工方式增量的分子，則必須提高檢測裝置的靈敏度。鑒于以上問題，本論文提出基于LMR原理的生物傳感器設計方案。

1 LMR傳感器的結構與原理

LMR傳感器感測區的結構如圖1所示，在平板波導表面（折射率n1、厚度d1及長度L）鍍上一層高折射率n2介質層（厚度d2），形成感測區。通過高折射率介質層破壞界面的全反射，從而形成損失模態。對于某些波長的特定入射角，當損失模態的傳播常數與波導模態的傳播常數相等時，會形成共振，使得大部分能量進入損失模態，因此無法傳遞至另一端，在光譜儀上可以看到能量掉落的谷值。而損失模態的傳播常數與待測物的折射率相關，因此，光譜儀上谷值會隨著待測物的微變化而明顯移動，此即LMR現象。

圖1 LMR傳感器感測區結構示意圖

本文提出的傳感器結構類似Kretschmann架構，當光在感測區內形成全反射時，反射次數N(θ)與入射角θ、感測區長度L及平板波導厚度d1有關，可表示成

輸出端的歸一化透射率可表示成[10]

其中RN(θ)(θ,λ)代表在界面處的反射系數，是入射角θ與波長λ的函數，θc是臨界角，P(θ,λ)是光源的分布函數[11]，可表示為。對于一般入射光來說，其TE和TM模態會各占一半，故反射系數可表示為[12]

常用的金屬氧化物薄膜材料可以選擇ITO[13-14]、TiO2[15]、SnO2[16]等。因為ITO材料本身化學性質穩定，屬于透明且導電的氧化物，已大量應用于液晶顯示器、手機、電視、觸控模塊等，材料制程相對成熟。近年來，以ITO為材料的傳感器陸續被提出[17-18]。我們選用量產技術很成熟的ITO薄膜作為薄膜材料，未來以ITO平板波導結構為基礎的LMR感測平臺，一旦能廣泛應用于生醫感測、化學感測等領域，將有可能成為又一個具有潛力的發展方向。ITO材料的介電系數可采用Drude模型[19]

其中，ε∞=3.8代表高頻介電常數，λp=0.564 9 m是等離子體波長，λc=11.121m是共振頻率對應的波長。

2 仿真優化

為提高傳感器的感測靈敏度，下面將通過仿真優化，得到金屬氧化物薄膜厚度的最佳參數。以折射率為1.41的蛋白質作待測物，波導長度20 mm，厚度0.2 mm，在70°角入射下仿真得到不同ITO厚度的透射系數，如圖2所示。由圖2可看出，ITO厚度為50 nm的時候，在工作波段（1～1.8）μm沒有共振波長存在。隨著ITO厚度的增加，LMR共振波長由1.27μm位移到1.32μm。為了具有較好的穿透度和靈敏度，選擇ITO的厚度為150 nm。在其他條件不變的狀況下，圖3給出了不同待測物時的透射系數。由圖3看出，隨著折射率的變大，透射系數逐漸變小，且共振波長由1.288μm位移到1.416μm。靈敏度定義為Δλ/Δn，表1給出了不同待測物對應的靈敏度。由表1可看出，靈敏度最高可達7 200 nm/RIU，平均靈敏度也可達4 267 nm/RIU。

圖2 ITO厚度不同時的透射系數曲線

圖3 不同待測物時的透射系數曲線

表1 靈敏度

3 LMR傳感器的制備和感測平臺設計

3.1 傳感器制作過程

LMR傳感器制作過程如下：選取光學性質及平坦度較佳的鈉鈣玻璃（soda-lime glass），其透射率每0.5 mm大于90%，常用于各種儀器視窗。先將玻璃切割成長20 mm、寬10 mm的尺寸，依次以中性洗潔劑、甲醇、丙酮清洗，用氮氣吹干再用烤箱烤干。然后利用濺鍍系統（DC Sputter system）將玻璃表面鍍上所需厚度的ITO薄膜，最后向感測平臺上滴具有不同折射率的物質（如水和葡萄糖）來測量是否產生了10 nm以上明顯位移效果，如果沒有則需重新制作。

3.2 傳感器結構

感測平臺的結構包含感測平臺基座、左右兩條導光的光纖及表面具有感測薄膜的玻璃基板，如圖4所示?；脚_呈凹字型，正好可緊密鑲入玻璃基板作為傳感器，左右兩端留有隧道，可導入光纖。導光光纖有兩種選擇，一是利用一對直徑為980μm的塑膠光纖，較小的發散角，能傳輸大量光線；二是利用一對多模光纖的準直器，工作距離10 mm～20 mm，完成光的輸入與輸出耦合。

圖4 LMR感測平臺設計

LMR傳感器的特性測量實驗架設如圖5所示。以頻寬（400～1 800）nm的鹵素光源ANDO AQ-4303B搭配光譜分析儀ANDO AQ-6315A（Optical Spectrum Analyzer,OSA），測量光纖傳感器在DI水、不同濃度葡萄糖下的共振波長及能量強度變化，得到其LMR感測效果，并找出共振波長。

圖5 LMR傳感器的特性測量實驗

3.3 ITO表面改質

僅靠著ITO的疏水特性來附著蛋白分子，分子相互作用力較弱，無法區分整體溶液特性及蛋白質溶質含量的差異。因此，需要增加蛋白質在感測層的豐富度，即提升其界面濃度、強化測量的感度。先在ITO表面以AgNO3水溶液電鍍一層Ag原子，再用硫醇浸泡銀表面，使硫醇分子固定于銀表面，最后以硫醇末端特定官能基團（胺基-NH2或羧基-COOH）的自組裝單層膜（Self Assembly Monolayer）界面，作為抓取蛋白分子的反應機制，整個修飾界面即可做為蛋白分子的界面探針，如圖6所示。

圖6 表面改質作用原理

4 結論

綜上所述，利用光學平板玻璃機械強度佳、易加工、低成本的優點，制作出高靈敏度的LMR蛋白分子感測傳感器。玻璃平板式LMR傳感器的提出以及將其用于感測蛋白分子，具有一定的創新性。LMR對光源模態的選擇沒有限制，極具發展潛力。未來可通過在感測區做不同改質，用于檢測細菌、抗體、DNA等待測物，這一基礎且實用性技術可作為國內外生醫領域及光電領域的發展參考。

致謝：特別感謝臺灣銘傳大學電子工程學系林鈺城副教授對本論文提出的寶貴意見。