基于纳米硅波导刻蚀衍射光栅器件的多参量非标记生物分子检测研究

基于硅纳米波导工艺，设计并制作以刻蚀衍射光栅为主要元件的生物分子溶液非标记多参量光学检测模块，能瞬时并准确的测量生物分子浓度、红外吸收光谱及各向异性双折射等多个物理参量，为以病变分子检测为主的疾病早期诊断提供了有益且相对全面的参考依据。检测模块利用硅波导表面点缺陷对接触样品异常敏感的共振散射特性来测定样品溶液浓度；使用螺旋形弯曲波导结构，在小探测面积内形成光与生物分子间的长距离作用，结合凹面刻蚀衍射光栅微型光谱仪，实现对样品的红外吸收谱测试；通过在刻蚀衍射光栅近光栅区域浅刻蚀凹槽探测区，能实现对样品分子各向异性引起的双折射的测定。通过对刻蚀衍射光栅的优化设计，能将各测量参量分别以共振散射峰值位置、红外吸收谱极大位置和强度分布、谱线的偏振分离等形式从同一测量光谱中被准确、瞬时的获取。主要功能元件经标准半导体集成工艺被集成在一块几毫米尺寸的芯片上，为发展超小范围生物分子检测提供了有效平台。

基于氢化非晶硅纳米波导工艺平台，本项目发展了一种基于微缺陷共振散射效应的超灵敏折射率传感器，能同时对样品分子浓度及红外吸收谱等多个参量做出精确检测。且本项目发展的传感芯片单片集成了刻蚀衍射光栅微型光谱仪、光纤耦合器和探测器阵列等功能模块，为发展便携式检测提供了一种有效的芯片实验室平台。. 在理论研究方面，依托项目，申请人发展了基于边界元算法的非周期凹面衍射光栅的矢量分析方法，准确快速的分析了工艺误差对刻蚀衍射光栅微光谱仪性能的影响；并基于格林函数方法及矩量法精确对共振散射微光谱仪检测芯片数学建模，理论与实验结果高度吻合，精确运用于芯片的优化设计及特性分析中。在实验方法上，依托项目资助，提出了氢化非晶硅热退火制作共振散射微腔的新工艺，并优化了氢化非晶硅纳米波导的制作工艺，成功制作出了预期的生物分子高灵敏非标记传感芯片。在功能设计上，项目先后提出了单环、双环的共振散射传感机理，最终设计制作出探测灵敏度高达17422 nm/RIU的超灵敏生物分子传感器，其探测极限也高达3.8×10-6 RIU。. 依托项目资助，在《Optics Express》、《IEEE Photonics Journal》、《Electronics Letters》等学术期刊上累计发表第一作者SCI索引论文7篇。本项目设计制作的传感芯片单片在使用时只需外接一个超连续光源即可，相对传统光学折射率传感器对使用环境要求大幅降低，且传感器灵敏度是有报导以来，集成检测技术里最高的，未来将有效运用于药品监控、食品安全和生物分子特性分析等场合。