《Optik》：Design and simulation of a microfluidic integrated photonic waveguide microring sensor
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硅微环谐振器集成微流道结构在温度依赖性血液传感中的性能研究。通过模拟不同环数（1-4环）和几何参数对光学敏感度与流体动力学行为的影响，发现共振波长偏移量达780.2 nm/RIU，Q因子提升至15468，验证了多环结构对温度变化的增强检测能力，同时揭示了流体粘度与流速、压力间的动态关联。
C.H. Sowmya | G. Seshikala
印度卡纳塔克邦班加罗尔REVA大学电子与通信工程学院
摘要
本研究基于仿真分析了一种与矩形微流控通道集成的硅微环谐振器结构，用于温度依赖性的血液传感。设计了单环到四环的不同配置，以探讨几何尺度变化对光学灵敏度和流体动力学行为的影响。利用血液的温度依赖性折射率变化作为输入，模拟了20°C至45°C范围内的传输光谱和共振频率变化。此外，还分析了不同几何形状微通道的流体流动特性，包括流速和压力分布。结果表明，随着环数的增加，共振波长位移和峰值锐度显著提高，灵敏度提升了780.2 nm/RIU，品质因数（Q值）提高了15468倍。仿真结果还证实，随着血液温度的升高，流速增加而压降降低，这与热粘度降低的现象一致。这些发现展示了多环光子传感器在实时、无标记和热响应生物传感应用中的潜力。
引言
生物和化学物质的检测依赖于生化传感器，这些传感器是重要的分析工具，广泛应用于诊断、环境监测和药物研究。根据其转换机制，生化传感器可分为三类：光学生物传感器[1]（如光子晶体和微环谐振器）、电化学传感器[2]以及机械微悬臂传感器[3]。基于硅的光学谐振器微环结构是一个有前景的研究领域，因为它们具有无需标记即可操作、高灵敏度和实时分析的能力。微环谐振器的成功应用取决于其将光聚焦到高折射率对比度波导中的能力，从而能够与材料发生强烈相互作用，并且可以无缝集成到CMOS兼容的制造工艺中[4],[5]。基于微环谐振器的传感平台在可见光波长范围内能够实现高灵敏度的吸收检测。已有研究表明，微腔结构是高效的吸收光谱测量工具，特别适用于红外化学分析[6],[7]。研究者们还开发了在可见光波长范围内利用酶产生吸收信号的环谐振器系统，考虑到大多数生物发色团和荧光团具有独特的光谱特征[8],[9]。微环谐振器可作为传感器，用于检测酶促系统中的颜色变化，其中底物通过酶联免疫吸附测定（ELISA）方法转化为有色产物。酶联免疫吸附测定（ELISA）是一种广泛使用的生化方法，可用于检测生物样本中的抗体、抗原、蛋白质、临床标志物、病原体和毒素[10]。
通过与微流控技术的结合，基于微环谐振器的传感器的性能得到了显著提升。微流控通道能够精确控制纳升级别的流体体积，实现实时、无标记的检测以及高灵敏度[11],[12]。新兴的微流控平台使研究人员能够创建有序的流体系统，从而可控地生产出具有均匀尺寸和所需物理化学特性的纳米材料，从而最大化光学传感器的效果[13],[14]。灵活的微流控配置系统使用户能够构建复杂的纳米复合结构和更高阶的组件，为基于微环的传感器提供多样的光学特性[15],[16]。微流控与光子谐振器的结合构建了一个可适应的平台，有助于开发下一代生化传感器和生物传感技术。
工作原理
设计结构基于PhC-MRR（微环谐振器），并与位于光学谐振器活性区域上方的微流控通道集成。光子波导通过波导限制光线的传播。在微流控通道中，含有分析物的样品被输送到该结构中，样品的折射率、温度和压力会通过衰减场改变谐振器的光学参数。
设计方法
在本研究中，我们设计并模拟了一种集成光学生物传感器，该传感器包含与总线波导耦合的微环谐振器，并与矩形微流控通道集成。通过仿真研究了光学场与分析物介质的相互作用，以及评估了器件的折射率和灵敏度。该结构采用500 μm厚的硅基底，这种材料具有优异的机械稳定性，但由于其光学特性而被排除在光学仿真之外。
光学分析
波导长度根据环数进行设计：11 μm（1环）、22 μm（2环）、33 μm（3环）和44 μm（4环）。图3展示了从单环到四环阵列的布局。这些数值包括边缘间距，以确保最佳的隔离和场相互作用效果。环数的增加增强了光学耦合和相互作用长度。1环的宽度为18 μm，2环为28 μm，3环为39 μm，4环为50 μm。通道长度保持不变。
流体流动分析
所提出的微环谐振器传感器是一种折射率光学传感器，用于测量流经集成微流控通道的血液的折射率（RI）随温度的变化。主要测量参数是由于折射率变化Δn(T)引起的共振波长位移（Δλ）。这些折射率变化与血液粘度的变化相关，可以间接反映流速和压力情况。
校准分为两个步骤完成：(i) Δλ之间的光学校准
结论
通过对基于硅的微环谐振器结构与微流控通道的集成进行了全面的数值研究，以评估其在温度敏感型生物传感中的性能。由于血液折射率的降低，共振波长随温度升高而蓝移，且这种位移的幅度随环数的增加而增大。四环配置显示出最高的波长灵敏度和最锐利的传输峰。
作者贡献声明
Seshikala G：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化处理、验证、监督、软件开发。C H Sowmya：资源获取、项目管理、方法论设计、研究实施、资金筹措、数据分析、概念构思。
资助
我们感谢卡纳塔克邦政府通过VGST提供的支持，包括软件工具和数据库（参考编号：KSTePS/VGST/GRD-684/KFIST(LI)/2018）。同时感谢REVA大学电子与通信工程学院对这项工作的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的研究结果。
致谢
作者衷心感谢印度卡纳塔克邦班加罗尔REVA大学为这项研究提供的必要设施。
