基于平面光波导的光学传感器

2001年11月第19卷第6期

安徽教育学院学报

Journal of A nhui Institute o f Educatio n

N ov. 2001V ol. 19N o. 6

基于平面光波导的光学传感器

李育洪　王克逸

　　在很多年以前, 光学技术(如传统的分光光度计, 荧光测定法等) 就已经被应用到了解和探索生物学的系统和过程当中, 而且直到今天, 分光光度计仍然是许多生物化学实验室的主要测量工具之一。然而, 在过去的30年当中, 生物化学传感器技术有了迅猛的发展, 并且随着各项研究技术成果的出现, 已经开始尝试引入各项新技术来简化生物学系统的分析过程:美国的L. C. Clark 和C. Lyo ns 制作的探测葡萄糖的电化学传感器是世界上的第一例生物化学传感器, 从此以后, 关于生物化学传感器这一领域的文章和专利应用纷沓而来, 尽管绝大多数生物传感器都是用于分析生物的医疗特性(如血糖等) , 但是越来越多的被应用到其他领域中(如环境监测和工业过程控制等) 。多种传感技术如电化学技术, 晶体管器件和光学技术等越来越多的被应用到生物传感器中。生物传感器的发展目标就是要具有和传统的实验测试方法相当甚至更好的测试效果, 而且要比现有的测试技术更快, 操作更简单, 造价更低廉。生物传感器的这一发展目标的实现使得没有熟练的操作技能的实验员也能够很快地完成复杂生物化学测试过程, 甚至还可以对比较遥远偏僻的水道, 河道等进行监测。

一. 生物化学传感器的发展及其特点

　　最早报道的生物化学传感器是在70年代和80年代初期, 从那以后, 生物化学传感器成了生化酶基及亲和力传感器(包括抗体, 抗原和核酸检测) 的主要发展方向, 而且还不断引入了各种类型的光学技术和系统如光反射技术, 表面等离子体(SPR) 技术, 倏逝波技术和集成光学以及基于光纤的光谱学技术和荧光测定法。在所有的这类传感器中, 捕获生物活性材料的主变换器通常是某种形式的光纤或平面衬底, 这层平面衬底通常都是波导层。

光纤在生物化学传感器中通常应用在两个方面:(1) 在生物化学反应区域附近多次传导光线, 可以用光纤的末端来捕捉生物化学反应物或者用光纤在有化学反应物的反应容器中传递光线。(2) 支持倏逝波场来检测光纤表面捕捉到的生物化学反应。

在难以接近的区域中的生物化学检测中(如分

[收稿日期]　2001-06-10

[第一作者简介]李育洪, 淮北职业技术学院教师。

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(1　淮北职业技术学院, 安徽　淮北　235100　2　中国科学技术大学, 安徽　合肥　230026)

析小孔中的水质) , 光纤传感器表现出了很明显的优势, 由于光纤系统的机械灵活性以及可通过光纤长距离传输光信号的能力使得光纤传感器非常有吸引力。光纤生物化学传感器的另一个优势在于它能够在实验室中很容易地建立起来用以证明新的分析方法。就这点而言, 基于波导的生物化学传感器需要较多的仪器设备和技能来建立起一套简单的系统。

尽管光纤生物化学传感器在分析性能上有这么多的优势, 光纤传感器仅仅在实际物理参数(如压力, 温度, 加速度等) 的测量中广泛用于商业用途, 偶尔也用于化学领域中, 但还没有商品化的基于光纤的生物传感器。目前唯一用于商业用途的生物传感器都是波导传感器。BLAco reT M 传感器包括一个负责连接和协调系统的射流学(所谓射流学技术是利用流体动力学现象执行传感、控制、信息处理、驱动等功能的科学和技术分支。) 的表面镀金的传感器芯片; IAsy sT M 中的共振镜传感器则包括一个镀有生物活性层的同时具有高折射率和低折射率材料的薄片; 而Biostar 公司的Optical 包括Immunoas-sayTM 一个镀有聚合物层和A 类链球菌抗原的抗体的硅片衬底。

二. 波导传感器的发展

1983年, 苏黎世的瑞士联邦工学院的光学实验室根据仅100-150nm 厚的高折射率的SiO2-T iO2的平面波导对相对湿度的敏感性现象发明了一种新的集成光学传感器, 这就是最早的平面波导传感器的应用。这类传感器通常是利用光波导的导波特性尤其是高折射率的很薄的平面波导的正交极化TE0和TM 0模式, 波导表面的一种有化学选择性的薄层用来吸附气体或液体样品中的待分析分子。由于接近波导表面的环境折射率发生了改变(更准确的说, 是导波的倏逝场的渗透深度$Z 范围内的环境折射率发生了改变) , 这种效应反过来也影响了导波模式的有效折射率NT E 和NTM 。例如, 在

生物化学亲和力检测传感器中, 化学选择性的薄层包含了选择性吸附配合基作为待分析分子的受体分子(Receptor M olecules ) ; 尤其是在免疫传感器或免疫分析仪中, 受体是抗体(或抗原) 而待分析的分子是相应的抗原(或抗体) 。这类直接的亲和性或免疫传感器避免了诸如荧光等标志试剂的使用。

随着环保意识的日益增强, 对环境监测的要求也越来越迫切, 光学传感器系统将是我们环境观察的主要监测工具, 绝大多数这类系统都是利用倏逝场的测向原理制成的。使用基于倏逝场的光学传感器不仅是因为它们没有其他负面效应, 能够在易燃空气中应用, 而且在与光纤光学结合的应用中它还具有稳定性, 灵活性, 同时许多这类传感器的成本也比较低。

各种波导传感器都是根据倏逝波增强技术原理提出的, 其实质就是利用波导层在特定条件下的倏逝波增强, 并且在波导共振状态时, 倏逝波场强最强。自90年代以来, 用平面波导实现近场光共振增强, 并已成功地用作原子反射镜, 已成为原子光学中的重要元件。1994年德国Konstanz 大学和法国光学研究所实现了增强130倍, 1996年法国光学研究所实现了增强1650倍。考虑到多种参数优化结果, 增强倍数可望进一步提高。其他国家也开始或继续进行这项研究。目前国内尚未见报道。显然, 大幅度提高近场光强度, 无论对非线性光学、原子光学、还

是近场光学都有重要意义。由于满足平面波导谐振

条件较为苛刻。光束入射角的微小变化、环境折射率的微小变化等都会明显影响近场光强和反射光强。正因为有这些敏感性, 它有可能用作多种传感器。平面波导共振技术已经成功地应用于薄膜结构参数的测量, 近年来被越来越广泛地应用于化学、生物反应的检测和研究。倏逝波生物化学传感器已成为集成光学技术中除光通信外最有前途的应用之一, 由于对由高分子如蛋白质等的联接引起的表面折射率的变化非常敏感, 已将它制成免疫传感器, 这种生化传感器能够探测多种生物分子(如抗原、抗体、半抗原、激素等) 间的反应。

根据波导传感器的倏逝波场强增强的机制不同, 目前的波导传感器技术主要可以分为三类:

1. 表面等离子体(SPR) 技术

如图1所示, 所谓表面等离子体技术就是在透明介质上镀上一层金属膜(通常是Au 或Ag ) , 当一定波长的p 极化光(TM 波) 入射到玻璃衬底表面并且入射角大于某个临界角时, 光在衬底表面发生内全反射, , 并激发出表面等离子波(Surface Plasma W av e, 简称SPW ) 。将M axw ell 理论应用到等离子体中, 表面等离子波沿着高导电性能的金属和介电材料的分界面上传播, 并且从分界面上开始以指数

形式衰减。

　　在一定条件下, 外场激发可形成表面等离子体激子(只有TM 波可以激发表面等离子激子而T E 波不能) , 表面等离子激子在p 极化光的激发下, 其反射光的光强和相位都将发生很大变化, 可以通过测量反射光的光强和相位的变化来监测入射光的微小变化, 利用这一原理可以制成基于表面等离子体

技术的传感器。将表面等离子技术应用于气体检测和生物传感器首先是由Liedberg 在1983年提出来的, 自那以后开始出现许多基于表面等离子体技术的生物化学传感器。应用这项技术, 已研制出扫描等离子体激子光学显微镜(SPOM ) , 和等离子体激子近场显微镜和许多传感器。但是基于表面等离子体

技术的传感器是由金属膜的特性来决定的, 而且可选的金属膜的种类仅限于Au 和Ag 等有限的几种金属膜, 不易进一步改进。　　2. 平面薄膜波导

是在棱镜表面形成薄的介电波导层, 它的具体结构主要由一个高折射率基片, 一个低折射率的隔离层和一个高折射率的很薄的波导层组成的, 如图2所示. 样品放在波导层上。平面薄膜波导传感器是运用内全反射将光耦合到波导层的一种平面波导光学传感器, 入射光速与波导层之间的耦合是通过棱镜与波导层之间的低折射率隔离层形成的倏逝场实现的。当一种波导模式被激发时, 波导中的光强会大大增加。入射光束与波导之间的耦合是通过波导与棱镜之间由折射率很小的材料构成的膜层形成的光

隧道实现的。因此, 要在棱镜表面形成两层薄膜, 一层是折射率很小的膜层(如SiO 2, 折射率1. 46) , 形成光隧道; 另一层是折射率很大的膜层(如TiO 2, 折射率2. 38) , 形成波导层。据报道, 采用这种方法已使近场光强提高2-3个量级。平面薄膜波导传感器采用两种工作方式:谱扫描(改变波长, 固定入射角) 和角扫描(固定波长, 改变入射角) , 来测量反射光强或通过干涉图样的变化测量样品表面折射率变化时的位相变化或用偏振光调制技术结合相干检测技术测量样品表面折射率变化引起的位相变化, 它的缺点是由于棱镜和膜层(主要是膜层) 在制作中存在着内应力, 导致波导中的双折射现象, 引起背景光强变化甚至共振峰消失,

对应用有一定的影响。

3. 光栅波导

光栅波导的结构简图如图3所示, 就是在电介质和真空表面外加一个光栅, 利用光栅的周期性达到近场光共振增强的目的。

当光线入射到波导结构层发生全反射时, 会发生2P 的相位变化, 适当厚度的波导层对TE 和T M

波都可以产生共振效应, 它不仅具备了平面薄膜波导的大多数优点, 而且克服了平面薄膜波导的双折射现象, 是很有潜力的一种方法, 但是由于光栅的制作工艺非常复杂, 从而限制了这一方法的进一步推广。

四. 三种波导技术方案的比较

要形成表面等离子体共振需要在棱镜表面镀一金属层, 而由于环境等的工作要求, 这层金属层只能用A u 、Ag 等极少数的金属才能满足使用要求; 光栅波导易于使用, 是一种很有前途的方法, 但是由于光栅的制作需要复杂的工艺, 从而限制了这一方法的进一步推广; 平面波导采用的是棱镜表面镀两层介电膜, 工艺制作相对简单。近场光的增强程度与膜厚、平面光洁度, 介电材料的光吸收、光源发散度等因素有关。近场光增强系数愈大则近场光强对光源入射角和环境变化愈敏感。由于许多金属氧化物都透明并有很高的折射率, 都有可能用于制作波导层

材料。因而适当选择波导层的介电材料(通常用金属氧化物) , 有可能制成具有高灵敏度或高选择性的液体或气体传感器和角度传感器。如利用谐振时近场光强随光束入射角迅速变化特性来探测微小的角位移。而将波导层与液体接触可探测液体折射率微小的变化。而利用某些金属氧化物对氧化或还原性气体的吸附作用而引起光学或介电特性改变有可能制成气体传感器。这种技术与光谱测量相结合有可能实现更广泛的测量。因而有希望制成高灵敏度的生物化学传感器.