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波导与环形谐振器分层放置,新型生物传感器设计大幅提高灵敏度
2020-02-20 21:13:56   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询报道,莫斯科物理技术学院的研究人员在1月刊《传感器》(Sensors)上发表的一篇论文中,描述了一种提高生物探测器灵敏度的方法,使其可用于移动和可穿戴设备。该研究得到了俄罗斯科学基金会的支持。

在不久的将来,生物传感器将可以集成到智能手机、智能手表和其它电子产品中。据麦姆斯咨询报道,莫斯科物理技术学院(Moscow Institute of Physics and Technology,以下简称MIPT)的研究人员在1月刊《传感器》(Sensors)上发表的一篇论文中,描述了一种提高生物探测器灵敏度的方法,使其可用于移动和可穿戴设备。该研究得到了俄罗斯科学基金会(Russian Science Foundation)的支持。

波导与环形谐振器分层放置,新型生物传感器设计大幅提高灵敏度

生物传感器是一种电化学装置,可以实时确定生物流体的成分。糖尿病患者使用的血糖仪可能是目前市场上唯一被大规模使用的生物传感设备。但是,未来学家表示,家用电器将很快能够分析汗液、唾液、房水和其它体液以识别个体,进行医学检测、疾病诊断或持续监测个人的健康状况,并据此提出最佳的饮食建议。

到目前为止,生物传感器尚未被考虑用于消费类产品,因为现有产品不够灵敏,并且对消费市场而言价格过高。但是来自MIPT光子和2D材料中心的研究人员提出了一种全新的生物传感器设计方案,这种设计可以使探测器的灵敏度提高许多倍,并且价格也能大幅下降。

来自MIPT纳米光学与等离子实验室的研究生Kirill Voronin提出了研究设想,他解释道,“传统的生物传感器包括一个环形谐振器和一个位于同一平面的波导,我们决定将这两个元件分开,放在两个不同的平面上,并使环形谐振器位于波导上方。”

此前,研究人员未测试两层传感器布局设计的原因是在实验室环境中制造平面单层装置更为容易。通过沉积并蚀刻薄膜,可以同时完成环形谐振器和波导。可替代的两层设计对原型器件而言不太方便,但对于批量生产的传感器而言却更便宜。原因是电子工厂的技术流程适合于逐层放置的主动元件。

更重要的是,新的两层生物传感器设计带来了更高的灵敏度。

该生物传感器的工作原理是通过记录由有机分子吸附引起的表面折射率的细微变化。这些变化可以通过谐振器检测到,谐振条件取决于外部介质的折射率。即使是折射率最细微的波动也会引起明显的共振峰位移,因此生物传感器几乎可以对所有落在其表面的分子做出响应。

论文合著者,MIPT实验室纳米光学和等离子技术实验室的首席研究员Aleksey Arsenin表示,“我们将条形波导置于用块状介电材料制成的谐振器下方,谐振器位于介电基片和外部环境之间的界面处。通过优化两种周围介质的折射率,我们获得了更高的灵敏度。”

上述生物传感器在介电质中同时设计了光源和检测器。唯一保留在外部的是敏感元件。金色圆环的直径为几十微米,厚度为其千分之一(见图1)。

生物传感器布局设计

图1:生物传感器布局设计(a, c)。波导在介电基片的内部。谐振器位于介电材料和被分析生物流体之间的界面处。流体折射率的变化会改变共振曲线(b)。

Voronin表示,该团队所研究出来的提高生物传感器响应能力的方法将这项技术提高到了一个新的质量水平。他指出“新的设计旨在使生物传感器更易于制造,因此也更便宜。根据我们的原理,光刻是唯一一项生产探测器所必备的技术。不涉及任何运动部件,一个在较窄频率范围内工作的可调谐激光器就足够了。”

MIPT光子学和2D材料中心的负责人Valentyn Volkov预估,基于研究人员提出的技术,开发一款工业设计用生物传感器大约需要三年时间。

论文链接:https://doi.org/10.3390/s20010203

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