硅纳米柱光波导级联微环谐振器的超灵敏生物传感机理研究

基本信息
批准号:11374115
项目类别:面上项目
资助金额:89.00
负责人:郜定山
学科分类:
依托单位:华中科技大学
批准年份:2013
结题年份:2017
起止时间:2014-01-01 - 2017-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:李宇航,黄庆忠,向磊,张永,黄增智,李丹萍,杜亚琼,常江,张永干
关键词:
微环谐振器超灵敏生物传感硅纳米柱光波导
结项摘要

Silicon optical waveguide microring biosenor has great potential for life science research, disease diagnosis and drug development, for its advantages of ultracompact size, high quality-factor, compatible with CMOS technology, and easiness to large scale integration. However, the cladding evanescent field-biomolecules overlap in normal silicon waveguide is relatively small, which limit its sensitivity. Even though silicon slot waveguide can largely increase this overlap, the big scattering loss at the sidewall of slot deteriorates the detection limit level of microring. In this project, we propose a new optical waveguide composed by periodic silicon nanopillars, in which the light-biomolecules interaction can be greatly enhanced. And upon this, by cascaded microring design, the detecting sensitivity can be further greatly improved by the "Vernier effect" brought by spectra overlap of these two microrings. We plan to explore the physical mechanism for enhancing mode field-biomolecules interaction in this waveguide. And the biosensor will be fabricated by E-beam lithography and silicon dry etching. At last, the DNA molecules will be detected by this sensor and the high sensitivity and low detection limit will be demonstrated. Through this project we can break through the sensitivity limit of silicon waveguide biosensor. Two order of magnitudes improvement on the sensitivity would be attained. The results of this project would also provide a powerful theoretical instruction and experimental demonstration for constructing highly integrated and supersensitive biosensing chips.

硅基光波导微环谐振生物传感器具有体积小、品质因子高、制作工艺与CMOS技术兼容、易规模集成等优点,对生命科学研究、疾病诊断、新药开发等具有重要意义和价值。但传统硅波导依赖较弱的包层倏逝场与被探测生物分子相互作用,导致传感灵敏度较低。而硅狭缝波导虽可提高光与生物分子相互作用,但侧壁散射损耗较大,使得微环检测极限变差。本项目创新性的提出一种周期排列硅纳米柱光波导,可显著增强光与生物分子相互作用。在此基础上,通过级联微环设计,利用两微环光谱叠加的"游标卡尺"效应来进一步提升传感灵敏度。本项目从理论上探索增强波导模场与生物分子相互作用的物理机制,并利用电子束光刻和硅干法刻蚀技术制作生物传感器。以DNA分子检测为例,验证生物传感的高灵敏度和低检测极限。本项目的研究将从理论机理上突破现有硅基光波导生物传感器的灵敏度局限,可望将灵敏度提升2个数量级,并为制作高度集成、超灵敏生物传感芯片提供实验指导。

项目摘要

集成光学微腔具有很高的谐振品质因子和极小的体积,可在微纳米尺度上增强光与物质的相互作用,在生物化学传感方面具有广阔应用前景。然而,传统的集成光学微腔传感器仅依靠光谱的漂移来测量环境折射率改变,只能用于单一被探测物的实折射率传感,无法用于多种被探测物的同时检测,极大的限制了集成微腔传感器在复杂传感中的应用。为解决上述瓶颈问题,本课题提出一种基于硅基亚波长光栅结构微环的复折射率传感器。通过微环回音廊谐振模与亚波长波导法布里-珀罗谐振模之间的干涉,产生非对称的Fano谐振谱线。利用Fano谱线的峰值波长漂移来检测折射率实部改变,同时利用Fano谱线的斜率来测量折射率虚部改变,从而实现对多种混合物质的复折射率传感。该新型传感器利用亚波长光栅波导的结构特点,显著增强了光与物质的相互作用,同时利用Fano谱线的陡峭特点,大大提高了复折射率传感灵敏度。对葡萄糖溶液的传感结果表明,该传感器对折射率实部的传感灵敏度为366nm/RIU,而对折射率虚部的传感灵敏度则高达9700/RIU。该传感器可利用标准CMOS工艺批量制作,可望进一步实现阵列化,从而能够同时探测多种目标物质或分子。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

DOI:10.7498/aps.67.20171903
发表时间:2018
2

路基土水分传感器室内标定方法与影响因素分析

路基土水分传感器室内标定方法与影响因素分析

DOI:10.14188/j.1671-8844.2019-03-007
发表时间:2019
3

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0221
发表时间:2022
4

农超对接模式中利益分配问题研究

农超对接模式中利益分配问题研究

DOI:10.16517/j.cnki.cn12-1034/f.2015.03.030
发表时间:2015
5

气相色谱-质谱法分析柚木光辐射前后的抽提物成分

气相色谱-质谱法分析柚木光辐射前后的抽提物成分

DOI:10.14067/j.cnki.1673-923x.2018.02.019
发表时间:2018

郜定山的其他基金

相似国自然基金

1

基于级联微环和阵列波导光栅的温度自补偿集成生物传感器的研究

批准号:61605172
批准年份:2016
负责人:邹俊
学科分类:F0502
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
2

高Q值SOI微纳波导微环谐振器及非线性全光逻辑研究

批准号:60877013
批准年份:2008
负责人:陈少武
学科分类:F0502
资助金额:36.00
项目类别:面上项目
3

基于硅基纳米线波导微环谐振器的异或/同或光学逻辑运算单元及其阵列

批准号:60907001
批准年份:2009
负责人:陈平
学科分类:F0501
资助金额:22.00
项目类别:青年科学基金项目
4

微纳米硅波导器件中的慢光信息处理研究

批准号:60777040
批准年份:2007
负责人:苏翼凯
学科分类:F0503
资助金额:33.00
项目类别:面上项目