缺陷修饰纳米光子结构用于增强布洛赫表面波生物传感器的性能评估

《Sensing and Bio-Sensing Research》：Performance evaluation of defect-modified Nano-photonic structure for enhanced Bloch surface wave based biosensor

　　

非侵入式葡萄糖监测已成为早期诊断和持续管理糖尿病的关键需求。支持布洛赫表面波（Bloch surface wave, BSW）的一维光子晶体（one-dimensional photonic crystal, 1D-PhC）因其低光学损耗和强表面场束缚，已成为无标记生物传感的替代平台。在这项研究工作中，研究人员优化并提出了一种缺陷工程光子结构，用于检测尿液样本中的葡萄糖。该结构由交替的高折射率TiO₂和低折射率SiO₂层的周期性介电堆叠组成。通过引入低折射率SiO₂表面缺陷层来修改色散特性。使用波长632.8 nm的角度询问法对传感器操作进行数值分析。系统研究了缺陷层厚度对共振角、线宽和灵敏度的影响。此外，将优化后的结构用于基于折射率的尿液中葡萄糖检测。分析结果表明，优化后的光子结构（N=5，缺陷厚度200 nm）在分析物界面表现出强烈的局域电场共振。所提出的传感器实现了68.62°/RIU的折射率灵敏度、0.00836° FWHM的窄平均线宽、约8208 RIU^-1的高品质因子以及4.37×10^-5 RIU的折射率检测限。相应的葡萄糖浓度检测限约为30 mg/dL，能够实现临床上相关的尿液葡萄糖变化检测（0至2000 mg/dL）。

**论文解读：基于缺陷修饰一维光子晶体的布洛赫表面波传感器用于非侵入式尿液葡萄糖检测**

**1. 研究背景与问题**

糖尿病作为全球性代谢疾病，其早期诊断和持续管理依赖于准确、便捷的血糖监测。传统血糖检测主要通过有创采血实现，给患者带来不适和感染风险，因此非侵入式监测技术成为迫切需求。基于折射率调制的光学传感器因其能够通过介质折射率的微小变化检测生物和化学分析物而受到广泛关注。在众多光学传感机制中，基于表面电磁波的传感器（如表面等离子体共振，surface plasmon resonance, SPR）因分析物与倏逝场强相互作用而广泛应用。然而，金属层的固有吸收损耗会加宽共振响应，限制共振质量和传感分辨率。为克服这一局限，支持布洛赫表面波（Bloch surface wave, BSW）的全介电多层结构被提出作为低损耗替代方案。一维光子晶体（one-dimensional photonic crystal, 1D-PhC）由交替高、低折射率介电层组成，可产生光子带隙，并通过截断引入表面缺陷层激发BSW。但现有BSW传感器的性能强烈依赖于结构参数（如折射率对比度、布拉格周期数、缺陷层厚度和激发几何形状），且灵敏度与线宽之间存在权衡，限制了其在高分辨率生化传感中的应用。此外，将BSW传感器应用于非侵入式生物医学诊断（特别是尿液葡萄糖监测）的研究仍十分有限。因此，本研究提出一种缺陷工程化的全介电TiO₂/SiO₂ 1D-PhC结构，用于在632.8 nm波长下通过角度询问法激发BSW，并检测尿液中的葡萄糖浓度，旨在优化结构参数以实现高灵敏度、窄线宽和高品质因子（figure of merit, FOM）。该研究发表在《Sensing and Bio-Sensing Research》期刊上。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用转移矩阵法（transfer matrix method, TMM）进行数值模拟，分析一维光子晶体结构在角度询问模式下的反射率响应。仿真在固定波长632.8 nm下进行，激发源为He-Ne激光器。结构设计为在玻璃基底上交替沉积高折射率TiO₂层和低折射率SiO₂层，形成周期为N的布拉格堆叠，顶部引入低折射率SiO₂缺陷层。通过改变周期数N（2至7）和缺陷层厚度（140 nm至260 nm），系统评估了光子带隙形成、表面模式局域化、共振角位移、线宽（full width at half maximum, FWHM）和灵敏度。分析物为不同浓度葡萄糖的尿液样本，其折射率数据来源于文献报道（0至2000 mg/dL对应折射率1.33300至1.33590）。关键技术为缺陷工程化设计，即通过优化缺陷层厚度来调控BSW的色散和场分布，从而提高传感性能。

**3. 研究结果**

**3.1 周期数对光子带隙的影响：** 研究人员通过分析不同周期数N（2至7）的反射率光谱，发现当N=5时，反射率曲线趋于平坦且均匀，形成清晰的光子带隙，增加周期数至6或7仅带来微小变化。因此N=5被选为最优值，兼顾了带隙质量和结构紧凑性。

**3.2 缺陷层厚度对BSW激发的影响：** 引入SiO₂缺陷层后，在光子带隙内产生了局域光学态，表现为反射率尖锐凹陷。缺陷层厚度从140 nm增至260 nm时，对于空气分析物（折射率1.00），共振角从48.0°移至57.0°，变化约8.975°；对于水分析物（折射率1.33），当缺陷层厚度≥200 nm时才出现BSW，共振角从61.4°移至62.4°。通过灵敏度计算，200 nm缺陷层在空气和水中均表现出最佳的灵敏度（25.19°/RIU），且线宽最窄。

**3.3 葡萄糖浓度检测：** 针对优化结构（N=5，缺陷层厚度200 nm），研究人员模拟了不同葡萄糖浓度（0、50、250、500、2000 mg/dL）下尿液样本的角反射率响应。结果显示，随着葡萄糖浓度升高，共振角单调增大（从61.674°增至61.873°），证实了传感器对葡萄糖诱导折射率变化的灵敏响应。对比缺陷层厚度为220 nm和240 nm的结构，200 nm缺陷层具有最尖锐的共振凹陷和最大的角分离，从而提供最佳分辨率。性能参数包括平均灵敏度68.62°/RIU、平均FWHM 0.00836°、平均FOM约8208 RIU^-1，折射率检测限（limit of detection, LOD）为4.37×10^-5 RIU，对应葡萄糖浓度LOD约30 mg/dL。该检测范围覆盖了临床相关的尿糖水平（0至2000 mg/dL）。

**3.4 与已有BSW传感器的比较：** 研究人员将所提出传感器的性能与文献中BSW传感器（如Si₃N₄/SiO₂、SiO₂/Ta₂O₅、TiO₂/SiO₂等结构，采用角度或强度询问法）进行对比，本研究的灵敏度（68.62°/RIU）、FWHM（0.00836°）和FOM（约8.208×10³ RIU^-1）均优于已报道的结果，显著提升了传感性能。

**3.5 制造容差分析：** 为评估实际制造误差的影响，研究人员将TiO₂和SiO₂层的厚度同时变化±5 nm（步长1 nm），共振角在61.250°至62.080°之间变化，BSW共振仍保持清晰，表明结构对层厚偏差具有良好的容忍性。但较大的负偏差可能激发泄漏模式，因此在制造中需谨慎控制厚度。

**4. 总结与讨论**

论文的讨论部分主要解释了缺陷层厚度对传感性能的调控机制：缺陷层太薄时局域态弱，倏逝场与分析物重叠不足；太厚时模式被束缚在缺陷层内部，降低分析物-场重叠；200 nm提供了最佳平衡。研究结论指出，该缺陷辅助BSW折射率传感器基于一维TiO₂/SiO₂光子晶体，实现了非侵入式尿液葡萄糖检测。仿真结果表明，布拉格周期数和缺陷层厚度对表面模式激发和传感性能至关重要。无缺陷结构仅支持宽带反射，而引入低折射率SiO₂表面缺陷层可实现强电磁场局域化和尖锐BSW共振。最优性能在N=5和200 nm SiO₂缺陷层下获得：角灵敏度68.62°/RIU，超窄FWHM 0.00836°，高FOM约8.208×10³ RIU^-1，折射率LOD为4.37×10^-5 RIU，对应葡萄糖浓度LOD约30 mg/dL。传感器响应随尿液葡萄糖浓度（0至2000 mg/dL）单调变化，表明其识别异常糖尿的潜力。全介电设计避免了等离子体吸收损耗，并支持平面制造。未来工作应包括微流控集成以及使用其他临床相关体液和生物标志物进行验证。