고감도 바이오센싱을 위한 Bloch 표면파의 2차원 홀 어레이 격자 결합 기반 여기

초록

이 연구에서 표면 회절 2차원(2D) 격자 구조는 생물 감지를 위해 분산 브래그 반사기(DBR)의 최상층에 배치되었습니다. Bloch 표면파(BSW) 공명은 2D 하위 파장 홀 어레이 격자를 결합하여 실현되었으며 2D 격자 층의 표면 또는 DBR과 바이오 솔루션 사이의 계면과 같은 다른 위치에서 여기될 수 있습니다. 이 방식의 견고성을 테스트하기 위해 다층 유전체의 재료 손실을 측정했습니다. 표면 회절 격자 BSW(DG-BSW)와 대안적인 유도 격자 결합 BSW(GC-BSW) 구성 모두 기존의 프리즘 결합 회로도에 비해 현저하게 향상된 각도 감도를 보여주었습니다. 격자 결합 기술을 사용하여 이러한 모드를 여기시키면 DG-BSW의 경우 최대 1190°/RIU 및 GC-BSW의 경우 2255°/RIU로 서로 다른 극도의 감도 모드가 생성되는 것으로 보입니다. 이러한 소형 구성을 통해 성능 지수가 높은 굴절률 센서를 구현할 수 있습니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

특별히 설계된 광자 장치는 다양한 의학 연구 및 환경 모니터링 응용 분야, 특히 고도로 희석된 용액에서 극소량의 분자를 광학적으로 검출하기 위해 다양한 화학 및 생물학 종의 실시간 선택 감지 가능성을 나타냅니다[1 ,2,3]. 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)[4,5,6], 미세공동[8.1%) 반투명 및 다채로운 유기 광전지와 같은 광학 표면 모드 공명 지수. Adv Function Mater 28(7):1703398" href="/articles/10.1186/s11671-019-3159-8#ref-CR7" id="ref-link-section-d213170396e647">7], 유도 모드 공진 [ 8, 9] 및 Bloch 표면파(BSW)[10,11,12,13]는 주어진 생체분자 농도를 반영하는 광학 매개변수의 일반적으로 작은 변조를 구별하는 데 사용할 수 있습니다[14, 15].

가장 널리 사용되는 표면파 공명 기반 감지 기술은 입사광에 의해 금속/유전체 계면을 따라 표면 플라즈몬 극성을 여기시키는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 방법[4, 16]입니다. 불행히도 SPR은 횡자기광에 의해서만 여기될 수 있으며 금속 성분에서 강한 분산을 수반하는 흡수는 불가피합니다. SPR 바이오센서의 감도는 일반적으로 굴절률 단위당 수백 나노미터 정도입니다(nm·RIU⁻¹ ) [17, 18].

BSW는 SPP에 대한 유망한 대안입니다. 낮은 광손실 전유전체 구조에 기반한 BSW 기술은 다른 표면파보다 더 높은 감도와 조정 가능한 필드 향상을 가지며 다른 화학적 표면 수정 방법 및 광학 감지 메커니즘과 결합될 수 있습니다[19,20,21]. 많은 연구자들이 SPP 센서에 비해 BSW 센서의 우수성을 실험적 및 이론적으로 입증했습니다[22, 23]. Kretschmann 구성에서 1D-BSW 센서의 파장 감도는 수천 nm·RIU⁻¹ 입니다. [24, 25]. 최근 연구원[26]은 p에 대해 약 650 nm/RIU의 감도로 RI 감지를 위한 섬유 기반 BSW 여기를 시연했습니다. -편광 및 s용 930 nm/RIU -편광된 빛. 대부분의 1D 광결정(1DPC) 기반 센서는 복잡한 Kretschmann 프리즘 결합 구조를 사용하여 BSW를 여기시킵니다. 벌크 광학 부품의 복잡성을 줄이기 위해 격자 결합 기반 BSW 센서 또는 기타 새로운 설계를 탐구한 연구자는 거의 없습니다. Vijay et al. [27]은 방위각 질문을 통해 평가된 최상층 격자 프로파일에서 향상된 감도를 보고했습니다. BSW 누출 모드는 대부분 생체 분자가 쉽게 침투하지 않는 매우 좁은 홈 내부에 국한됩니다.

2차원(2D) 격자 장치[28,29,30]는 감지 영역이 크고 제작이 상대적으로 쉽기 때문에 소형 RI 센서로서 매력적인 잠재력을 가지고 있습니다. 본 논문에서는 2차원 격자 결합 메커니즘에 기반한 대안적인 여기 방식을 제안한다. BSW는 양쪽에서 BSW를 지원하는 Bragg 미러 표면에 공기 구멍 어레이를 증착하여 격자 측에 구현됩니다. 여기에서는 격자 결합 브래그 미러 구조의 끝에 BSW를 결합할 수 있는 가능성과 사용 가능한 유전 손실의 영향을 보여주는 대체 방식을 간단히 설명하기 위한 한 가지 구성을 제시합니다. 아래에서 자세히 설명하는 것처럼 다양한 위치에서 BSW 여기를 위한 센서 구성의 광학 성능을 비교했습니다.

방법

사례 1:표면 회절 격자 BSW 구성(DG-BSW)

표면 회절 격자 BSW 구성의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다. 입사각 θ (입사빔과 Z 사이의 각도 -축) 및 방위각 φ (음수 X 사이의 각도 -축 및 x–y의 입사빔 투영 평면)은 입사광의 전파 방향을 설명하는 데 사용됩니다. 수치 계산에서는 5기간 DBR(LH)⁵ 을 사용했습니다. 여기서 L 유전체의 RI는 1.46(SiO₂)입니다. λ의 작동 파장에서 ₀ =657 nm) 및 H 레이어는 TiO₂로 만들어집니다. RI가 2.57입니다. 두 TiO₂의 RI 및 SiO₂ 0.43 ~ 0.8 μm 범위에서 [27]:

$$ {n}_{SiO_2}={\left(1+\frac{0.6962{\lambda}^2}{\lambda^2-{0.0684}^2}+\frac{0.4080{\lambda}^2 }{\lambda^2-{0.1162}^2}+\frac{0.8975{\lambda}^2}{\lambda^2-{9.8962}^2}\right)}^{\frac{1}{2 }} $$ (1)

그리고

$$ {n}_{TiO_2}={\left(5.913+\frac{0.2441{\lambda}^2}{\lambda^2-0.0803}\right)}^{\frac{1}{2}} $$ (2) <사진><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-019-3159-8/ MediaObjects/11671_2019_3159_Fig1_HTML.png?as=webp">

(x의 표면 회절 격자 BSW 설계 -이 -z ) 참조 시스템. 구조는 수주기 DBR, 버퍼층 및 2D 격자를 포함합니다. 커플링은 주기 Λ를 갖는 2D 회절 격자에 의해 매개됩니다. =510 nm, 구멍 반경 r =145 nm, 두께 h =116nm. 외부 매체는 공기(n _내선 =1)

굴절률의 허수부는 유전층의 손실을 나타냅니다. 이러한 손실에는 입사광($ {\upgamma}_{{\mathrm{SiO}}_2}=0 $ 및 $ {\upgamma}_{{\mathrm{ TiO}}_2}={10}^{-4} $, 이 작품에서). DBR은 그에 따라 작동 파장에서 입사각에 대한 1/4 파장 스택으로 치수가 지정될 수 있습니다. 해당 레이어의 두께는 각각 d _L =100 nm 및 d _H =70 nm.

표면 회절 격자 BSW 센서를 제작하기 위해 116nm 두께의 실리콘 질화물 층(Si₃ N₄ )는 격자 층을 형성하기 위해 공기 구멍 패턴[31, 32]으로 DBR 위에 증착되었습니다. 저굴절률 복합 재료(SiO₂ )는 브래그 미러와 서브 파장 홀 어레이 격자 사이에 삽입되었습니다. 격자 레이어는 전파 조명을 BSW 모드에 연결하도록 설계되었습니다. 위에서 설명한 것처럼 격자는 기본적으로 공기 구멍으로 만들어진 구조적 특징의 2D 주기적인 배열입니다. 아래에 설명된 수치 시뮬레이션에서 격자의 물리적 치수(기간 Λ , 구멍 반경 r , 두께 h ) 다른 조명 조건에서 BSW를 여기시키고 반사 프로파일을 최적화하도록 조정되었습니다.

최적화된 홀 어레이 격자에서 BSW가 여기되면 격자-브래그 구성의 반사가 날카로운 피크를 갖는 전형적인 Fano 공진 프로파일을 형성합니다[33]. 피크의 위치는 프로브할 영역의 RI를 나타냅니다. 제조 공정은 간단하고 기존 MEMS 제조 기술과 호환되므로 제안된 장치를 대량 생산할 수 있고 저렴한 비용으로 다중 검출을 위해 바이오칩에 쉽게 통합할 수 있습니다. 우리는 RSoft Photonics Suite에 통합된 Diffract MOD를 사용하여 여기에 설명된 계산을 수행했습니다. RSoft Photonics Suite는 엄격한 결합파 분석(RCWA) 방법[34, 35]을 기반으로 하고 주기적인 유전 기능을 설명하는 푸리에 고조파가 포함된 여러 고급 알고리즘을 포함합니다.

그림 2는 s에 대한 시뮬레이션된 전기장 분포를 보여줍니다. -주변 RI가 1일 때 편광된 빛. 그림 2의 점선은 격자-공기 계면을 표시합니다. z =0은 회절 격자 BSW 센서의 다른 측면입니다. 그림에서 알 수 있듯이 계면 근처에서 전기장이 강하게 강화되고 BSW 침투 깊이는 공기에서 거의 200 nm에 이릅니다. 로컬 필드 강도는 극각 θ에서 최대 입사광 강도의 42배입니다. =4.3° 및 약 φ의 방위각 도메인 =12°.

<그림>

에 대한 계산된 전기장 분포 -표면파가 상단 표면에서만 여기되는 공명에서 편광된 빛. 흰색 점선은 2D 격자, 버퍼 레이어 및 DBR 레이어를 나타냅니다. BSW 모드(노란색 영역)의 필드 강도는 공기 구멍에 집중됩니다.

제안된 구조는 이론적으로 표면 회절 격자 모드에서 BSW 여기를 제공할 수 있지만 주의 깊게 고려할 가치가 있는 감지 프로세스와 관련된 효과가 있습니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 강한 자기장은 구멍 배열 격자의 작은 구멍에 집중되어 있습니다. 공기 중의 분석 물질은 작은 구멍으로 쉽게 침투할 수 없어 격자 위에 모입니다. 구멍의 분석물 농도 감소는 굴절률에 작은 섭동을 일으켜 BSW 센서의 감지 한계와 감도를 낮추게 됩니다. 입사광 조명 장치와 감지층의 통합은 또한 온칩 센서 제작을 어렵게 만듭니다. 게다가 그들 사이의 상호작용을 추정하는 것은 매우 어렵습니다. 우리는 기하급수적으로 감소하는 전기장 분포를 유지하면서 이러한 단점을 극복하기 위한 대체 구성을 탐색했습니다.

사례 2:대체 유도 격자 결합 BSW 구성(GC-BSW)

제안된 방식에서 감지 영역은 이제 격자 결합 BSW 센서의 바닥으로 이동되어 표면 격자 구조 침투와 관련된 해로운 영향을 방지합니다(그림 3). DBR, 버퍼층 및 격자의 재료는 위에서 설명한 것과 유사합니다. DG-BSW 센서와 달리 하단의 TiO₂ 층 두께가 70에서 30 nm로 감소했습니다.

<그림>

방위각 조명(φ)에서 격자 결합 BSW 공진 센서의 3D 개략도 ) (x) -이 -z ) 입사각을 포함한 기준 시스템(θ _주식 ), 0차 반사(R ₀ ) 및 2D 격자 매개변수(Λ , r , h ). 감지 영역은 격자 결합 BSW 센서의 하단에 있습니다.

우리는 1.333(순수)에 가까운 RI를 갖는 바이오 솔루션 층을 가장 바깥쪽의 고굴절률(TiO₂ ) 층, 여기서 프로빙할 영역의 두께는 2 μm입니다. 프로브 영역의 외부 표면이 BSW 모드 여기에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 이 경우 감지층의 두께를 정밀하게 제어할 필요가 없습니다. 공명은 로 형성됩니다. -편광된 빛은 격자를 통해 DBR에 일정한 각도로 입사되고, 피검액에 의해 형성된 하부 결함층에서 다중 반사가 발생한다. 표면 결함 상태 구조는 표면파 공진으로 인해 DBR 바닥의 전자기장 분포를 변경하고 결함층에서 다중 반사가 간섭 간섭을 형성합니다. 전자기장은 국부적으로 향상되고 테스트할 샘플 분자에 완전히 작용할 수 있습니다.

제안한 기법을 통해 테스트할 솔루션의 동적 모니터링 시 감도 특성을 개선할 수 있음을 발견했습니다. SPP와 유사하게 BSW는 외부 매체와의 인터페이스에서 1DPC의 절단 가장자리에 국한됩니다. 2D 격자 설계 매개변수는 제안된 방식에서 이전 구성(DG-BSW)과 동일합니다. Λ =510 nm, r =145 nm 및 h =116 nm. 아래에서 자세히 설명하는 것처럼 공진 유전체 다층 시스템 DG-BSW와 GC-BSW의 특성을 비교했습니다. 당사의 홀 어레이 격자 설계는 제조 비용을 절감할 뿐만 아니라 센서 성능 비교를 위한 비교적 공정한 환경을 제공합니다.

결과 및 토론

우리는 그림 2와 같이 두 세트의 감지 조건에서 최적화된 BSW 구조를 설계했습니다. 1과 3(s 포함) - 두 경우 모두 편광. 입사각과 파장의 함수로서 이러한 모드의 반사율 곡선은 각각 그림 4a와 b에 나와 있습니다. DG-BSW 및 GC-BSW 케이스는 여기에서 각도와 파장의 함수로 날카로운 공명 특징을 갖습니다. DG-BSW 소자에서 입사 파장이 약 660 nm일 때 θ에서 급격한 딥 피크가 나타났습니다. =4.3°, 입사각 조사. GC-BSW 장치에서 공진각 θ =7°는 633 nm의 입사 파장에 해당합니다. 우리는 더 높은 품질 요소 Q를 가진 공명 피크가 (>10³ ) 값은 장치 매개 변수를 최적화하여 얻을 수 있으며 BSW 센서의 파장 감도 및 각도 감도는 방위각이 아닌 조명에서 약 100 nm/RIU 및 280°/RIU에 도달했습니다. 우리의 3D RCWA 시뮬레이션은 문헌[24]과 일치합니다. 참신한 디자인 자유도, 방위각 φ를 고려했습니다. , 따라서.

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φ에서의 Bloch 표면파 =0°. 파란색 및 빨간색 곡선은 입사각(a ) 및 파장(b ) 각각 DG-BSW 및 GC-BSW 구성

θ 근처에서 작동하도록 설계된 GC-BSW 센서의 시뮬레이션된 반사 =7° 및 φ =10°는 그림 5a에 나와 있습니다. BSW 커플링은 반사 강도가 상대적으로 낮은 매우 좁은 영역에서 발생합니다(그림 5a의 흰색 영역). 각 극각은 BSW를 여기시키기 위한 매칭 조건을 만족하는 대응하는 방위각을 갖는다. 이종 구조의 BSW 모드는 극 및 방위각이 증가함에 따라 천천히 감쇠한 다음 θ 근처에서 사라집니다. =7.6° 및 φ =12°. 작은 각도 모니터링의 어려움을 고려하여 BSW를 결합하기 위해 비교적 큰 각도를 선택했습니다. 공명 피크는 극각 변화에 둔감하지만 방위각 변화에는 매우 민감합니다. 샘플 포인트의 전기장 분포를 계산했습니다(θ =7°; φ =9.82°) 공진을 인식합니다(그림 5b). 강도는 격자/공기 인터페이스를 향해 감쇠하고 필드는 주기적 구조 전체에 걸쳐 여러 번 진동하고 L-H 굴절률 유전체 인터페이스에 5개의 피크가 형성됩니다. 그림 5b의 연한 녹색 점선은 Z 영역에서 GC-BSW 센서의 굴절률 분포를 나타냅니다. -축 방향. 우리는 바이오 솔루션의 자기장 강도가 Z -방향, 빛과 용액 사이의 상호작용이 잘린 층으로부터의 거리에 따라 감소함에 따라. BSW 침투 깊이는 솔루션 내부에서 2 μm에 도달했으며, 이는 DG-BSW 구성보다 10배 더 큽니다.

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아 GC-BSW 센서 반사 대 방위각 및 극각. 조명으로 만든 BSW(λ ₀ =633 nm) θ 근처 =7° 및 φ =10°. BSW 커플링은 반사 강도가 상대적으로 낮은 매우 좁은 영역(백색 영역)에서 발생합니다. ㄴ 감지 구성(케이스 2 모드) 내부의 전기장(검은색 선) 및 굴절률 분포(진한 녹색 점선). ㄷ x -이 d x -z 작동 파장 λ에서 계산된 전기장 크기 맵의 평면도 ₀ =633 nm. 흰색 점선은 전기장의 구멍 위치를 나타냅니다.

그림 5c 및 d는 x의 전기장 크기 맵을 보여줍니다. -이 및 x -z 작동 파장 λ에서 각각 계산된 평면 ₀ =633 nm . 도 5b 및 d의 결과는 거의 일치한다. 솔루션/TiO₂에서의 필드 분포 인터페이스는 소멸장과 감지 영역 유전 상수의 공간 분포 사이의 중첩 적분을 통해 GC-BSW 센서의 전체 성능에 크게 영향을 미칩니다. 극각 θ을 테스트하여 GC-BSW 구성에서 방위각 반사 스펙트럼에 대한 극각의 영향을 조사했습니다. 6.92°, 6.94°, 6.96°, 6.98°, 7°, 7.02°. 높은 감도를 평가하기 위해 공진 딥의 반치폭(FWHM)과 딥 피크 높이도 결정했습니다. Fig. 6과 같이 전형적인 대칭선 형태가 방위각 θ으로 나타났다. 증가했다. 공명 피크 FWHM이 감소함에 따라 공명 피크 높이는 증가하였다. 더 큰 극각에서 BSW 공명은 파동 벡터 매칭 효과로 인해 더 큰 방위각으로 이동했습니다.

<그림>

다양한 입사각 θ에 대한 방위각 반사 스펙트럼 . 일반적인 대칭 선 모양은 방위각 θ으로 나타납니다. 증가합니다. BSW 공명은 파동 벡터 매칭 효과로 인해 더 높은 방위각으로 이동합니다.

무손실 물질(즉, 소광 계수 κ 값이 0인 물질)은 대부분의 수치 시뮬레이션에서 가정됩니다[24, 25, 30]. Sinibaldi et al. [36]은 BSW 센서의 성능에 대한 재료 손실의 영향을 연구하여 고굴절률 층의 소광 계수 κ_H 공진 특성에 약간만 영향을 미칩니다. 그들은 멸종 κ_L를 도입했습니다. =10⁻⁴ 트랜스퍼 매트릭스 방법(TMM)을 통해 계산된 낮은 인덱스 레이어에. 반사 스펙트럼의 감소를 관찰하려면 손실 물질이 필요합니다[22].

손실의 영향을 연구하기 위해 우리는 그림 7과 같이 손실을 고려하거나 고려하지 않고 DG-BSW 및 GC-BSW 구조(그림 1 및 3)의 방위각 반사 스펙트럼을 평가했습니다. 우리의 경우 무손실 TiO₂ 재료는 반사 스펙트럼에서 BSW 딥 피크를 여기시킬 수 있습니다. DBR의 손실은 무손실 경우에서 얻은 BSW 라인 모양을 저하시킵니다. 우리는 공명에 대한 κ에 대한 0이 아닌 값에 의해 유도된 섭동 효과를 분석했습니다. DG-BSW의 경우 공진의 FWHM이 먼저 감소한 다음 소광 계수가 0에서 10으로 증가함에 따라 증가했습니다⁻³ , 공명 깊이는 그 반대였습니다. 소광 계수 κ가 10⁻⁴ 에 도달했을 때 최적의 BSW 공명 선 모양을 달성했습니다. . 계수가 더 증가함에 따라 공명은 빠르게 떨어졌습니다(κ_H =10⁻² ). GC-BSW 구성에서 선폭은 κ_H로 천천히 증가했습니다. BSW 공명 피크 값만큼 증가했습니다. 바이오센서 내의 에너지 손실이 증가함에 따라 공명 딥이 더 커졌습니다.

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아 DG-BSW 구성 및 소광 계수 κ_H에 대한 공명 라인 모양 변형 =0(무손실), 2 × 10⁻⁴ , 10⁻⁴ , 10⁻³ , 10⁻² . ㄴ GC-BSW 구성의 변형. 무손실 TiO₂ 재료는 반사 스펙트럼에서 BSW 딥 피크를 여기시킵니다. 소광 계수 값은 BSW 공진 대역 에지를 억제합니다.

우리의 결과는 무손실 TiO₂ 재료는 최적의 BSW 공명을 생성합니다. 손실을 고려할 때 10⁻³ 만큼 큰 허수부 반사의 진폭과 Q를 억제할 수 있습니다. 피크의 위치에 영향을 미치지 않으면서 공진의. 우리의 시뮬레이션은 또한 소광 계수 값이 BSW 공명의 깊이와 너비(즉, FWHM) 사이의 최적 절충안을 결정하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었습니다.

이 연구의 주요 목표는 BSW를 자극하기 위해 2D 격자를 기반으로 하는 레이블 없는 감지 플랫폼에 대한 설계 개략도를 설정하는 것이었습니다. 따라서 우리는 RI 센서로서의 성능을 최적화하고 향상시키기 위해 감지 위치를 계속 탐색합니다. RI 바이오 센서는 일반적으로 생체 분자 농도 비율의 변화로 인한 작은 굴절률 변조를 감지하도록 설계되었습니다. 따라서 방위각 민감도($ {\mathrm{S}}_{n_{\mathrm{bio}},\varphi } $)를 의미 있는 관찰 가능 항목으로 간주합니다.

$$ {\mathrm{S}}_{n_{\mathrm{bio}},\varphi }=\frac{\varDelta \varphi}{\varDelta {n}_{\mathrm{bio}}} $$ ( 삼)

여기서 Δφ 방위각의 변화이며 Δn _약력 감지층 굴절률의 변화입니다. 다양한 생체 분자 값에 대한 방위각의 함수로서의 반사율 곡선은 그림 8에 나와 있습니다. DG-BSW 구성의 경우 파장(λ ₀ ) 및 입사각(θ )은 각각 657 nm 및 4.3°로 고정됩니다(그림 8a). GC-BSW 구성의 경우 λ ₀ =633nm 및 θ =7°(그림 8b). 생체 분자의 굴절률이 고르게 변할 때 BSW 공명 피크는 두 경우 모두 파란색으로 이동합니다. 즉, 굴절률 값의 작은 변화(Δn _약력 =0.0005) 작은 방위각에서 공진 피크 사이의 방위각 이동이 더 크게 증가합니다.

<사진>

솔루션의 다른 값에 대한 방위각의 함수로서의 반사율 곡선. 아 DG-BSW 구성, 여기서 파장(λ ₀ ) 및 입사각(θ ) 657 nm 및 4.3°로 고정됨; ㄴ GC-BSW 구성의 경우 λ ₀ =633 nm 및 θ =7°

또한 DG-BSW 및 GC-BSW 구성의 감지 특성을 비교하여 감도(검은색 막대)와 FWHM(빨간색 막대)을 주변 굴절률(SRI)의 함수로 그림 9와 같이 예측했습니다. 우리는 생체 분자 변화가 증가함에 따라 민감도와 FWHM이 단조롭게 증가한다는 것을 발견했습니다. GC-BSW 구성의 감도는 DG-BSW의 약 2배인 반면 공진의 FWHM은 DG-BSW보다 GC-BSW에서 더 좁습니다.

<그림>

DG-BSW의 감지 특성(a ) 및 GC-BSW(b ) 구성:SRI의 함수로서 예측된 감도 및 FWHM. GC-BSW 구성 감도는 DG-BSW의 약 2배

성능 지수(FOM)[25]는 또 다른 중요한 센서 성능 지표입니다. FOM∝S/FWHM과 같이 FWHM을 감소시키고 스펙트럼 감도 S[°/RIU]를 증가시키거나 둘 모두를 증가시켜 RI 센서에서 FOM을 개선할 수 있습니다. 많은 광학 센서의 FOM은 스펙트럼 감도와 FWHM 사이의 본질적인 절충에 의해 제한됩니다. 방위각 감도는 최대 범위에서 DG-BSW의 경우 1190°/RIU, GC-BSW의 경우 2255°/RIU에 도달했습니다(식 (3)). 이는 GC-BSW 센서가 DG-BSW보다 공진 모드와 센싱 레이어 사이에 더 가깝게 중첩된다는 것을 의미합니다. 계산은 또한 그림 여기서 GC-BSW의 센싱 레이어는 DG-BSW보다 높은 감도로 이어지는 더 높은 라이트 필드 침투 깊이를 가지고 있습니다.

우리가 테스트한 두 BSW 구성의 감도가 기존의 프리즘 기반 방식보다 10배 더 높다는 점은 주목할 가치가 있습니다(표 1 참조). 프리즘 결합 여기를 기반으로 하는 모든 바이오센서 설계와 달리 DG-BSW 또는 GC-BSW 구성에 사용되는 유전체 합성물에는 엄격한 굴절률 제한이 없습니다[37,38,39,40,41,42]. 2D 격자와 DBR의 매개변수를 적절하게 조정하면 제안된 센서 구성을 모든 파장 범위에서 효과적으로 구현할 수 있습니다.

결론

이 연구에서 우리는 표면 회절 2D 격자 구성 및 감지 응용 프로그램을 탐구했습니다. 우리는 짧은 주기(N =5) 낮은 측파대에서 고감도 BSW 공진을 실현합니다. 표면 DG-BSW 구성 및 대안 안내 GC-BSW 도식은 RCWA 방법론을 기반으로 설계되었습니다. 2255°/RIU의 이론적인 감도는 조명의 작은 극각(<10°)과 동일한 값 주위의 방위각 스윕으로 달성되었습니다. 각도 감도는 프리즘 결합 극조도 기반 센서보다 한 차수 더 높았습니다(일반적으로 300°/RIU 이하). 최적화된 GC-BSW 센서는 DG-BSW 바이오센서에 비해 감도가 특히 크게 증가하고(2배) 더 좁은 BSW 공명을 보였습니다. 이 연구에서 테스트한 두 2D 격자 결합 센서 플랫폼은 기존 BSW RI 센서에 비해 품질 계수가 낮지만 기간(Λ ), 구멍 반경(r ) 및 두께(h ).

흥미로운 Bloch 표면파, DG-BSW 및 GC-BSW에 대해 제안된 계획은 매우 민감한 바이오센싱을 위한 새로운 클래스의 컴팩트 구성을 나타내며 미래에 나노 규모의 "랩온칩" 기술을 엔지니어링할 귀중한 기회를 제공할 수 있습니다.

데이터 및 자료의 가용성

이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 출판된 기사에 포함됩니다.

약어

1DPC:: 1D 광자 결정
2D:: 2차원
BSW:: Bloch 표면파
DBR:: 분산 브래그 반사기
DG-BSW:: 회절 격자 BSW
FOM:: 실적
FWHM:: 최대 절반에서 전체 너비
GC-BSW:: 격자 결합 BSW
질문:: 품질 요소
RCWA:: 엄격한 결합파 분석
RI:: 굴절률
S:: 감도
SPP:: 표면 플라즈몬 극성
SPR:: 표면 플라즈몬 공명
TMM:: 전송 매트릭스 방법

은 나노 입자가 포함된 복합 재료의 산화 그래핀은 항균 나노 플랫폼의 섬유모세포 및 내피 세포 세포 독성을 감소시킵니다. 수용액에서 극도의 알칼리도(pH> 14)의 고도로 선택적인 검출을 위한 페난트롤린 기반 형광 프로브

나노물질