综述：基于光子狭缝波导的片上生物传感和气体传感
2025-07-05 10:22:53 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文综述了光子狭缝波导在生物传感和气体传感中的应用，展示了其集成到片上平台的能力，这些平台通常用于增强灵敏度和特异性的即时检测。
近年来，微光子技术的进步通过开发芯片级传感器在生物传感和气体传感领域产生了重大影响。通过集成微光子学实现这些目标需要优化波导架构，以最大限度地发挥光与物质的相互作用，狭缝波导（slot waveguides）有效地解决了这一挑战。光子狭缝波导通过将光场限制在低折射率区域来增强光与物质的相互作用，使其在检测广泛的生物和化学分析物方面非常有效。
据麦姆斯咨询报道，近期，意大利巴里理工大学（Polytechnic University of Bari）和西班牙马德里理工大学（Universidad Politécnica de Madrid）的研究团队综述了光子狭缝波导在生物传感和气体传感中的应用，展示了其集成到片上（on-chip）平台的能力，这些平台通常用于增强灵敏度和特异性的即时检测（point-of-care testing）。该综述还探讨了这些波导在如液体活检、呼吸分析和呼吸活检等无创诊断方法中的潜力，为早期疾病检测和监测开辟了新的途径。通过总结近期研究进展并概述未来的方向，该综述凸显了光子狭缝波导在推进片上传感技术在多个领域的变革潜力。相关研究内容以“On-Chip Biosensing and Gas Sensing by Photonic Slot Waveguides: A Review”为题发表在IEEE Sensors Journal期刊上。
图1总结了用于生物传感和气体传感的光子狭缝波导研究的里程碑和关键方向。图2(a)展示了狭缝波导在SOI（Si/SiO₂）材料体系中的典型架构。在生物传感和气体传感应用中，通常填充狭缝的波导包层是分散有分析物的液体溶液或是气体混合物。尽管垂直狭缝波导（如图2(a)）已被证明在诸多应用领域具有高度通用性，但近年来已经提出多种替代架构，具体如图3所示。
图1 用于生物传感和气体传感的光子狭缝波导领域的里程碑和成就
图2 典型的狭缝波导架构
图3 狭缝波导的多种替代架构的横截面
生物传感应用
自从被发明以来，狭缝波导已被广泛用于开发和演示生物传感器的集成微光子换能器。在此应用中，狭缝波导已被证明优于传统的条形波导。这种优越的性能源于其显著增强了低折射率狭缝区域的光场，该区域包含敏感元件并充满目标流体-液体样品。本综述主要根据生物传感器所基于的折射换能架构类型进行总结，同时也考虑了基于其它换能方法的生物传感器，主要涉及类型有：微环谐振器（Microring Resonators，如图4）、干涉仪（Interferometers）、光子晶体（Photonic Crystals）、布拉格光栅（Bragg Gratings）、其它折射换能架构以及非光折射架构（Nonrefractometric Configurations）。
图4 芯片实验室系统中的狭缝波导生物传感器阵列
气体传感应用
基于集成微光子学的片上气体传感由于其高灵敏度、紧凑性和与其他电子及光子系统无缝集成的能力而备受关注。基于狭缝波导的气体传感器是一种极具前景的片上光学气体传感器，它利用了上述狭缝波导的独特特性来增强光与物质的相互作用。狭缝波导传感器的高灵敏度对于需要检测低浓度气体的应用尤为宝贵。迄今为止，在基于狭缝波导的片上气体传感领域最令人瞩目的成果之一已在相关研究中被报道：利用中红外（IR）狭缝波导的甲烷传感的先进方法，实现了0.3 ppm的检测限（LoD）（如图5）。
图5 检测限0.3 ppm的狭缝波导气体传感器芯片的组件和特性表征
综上所述，将光子狭缝波导集成到芯片级传感器中已被证明是一种适用于生物传感和气体传感应用的通用平台，可实现紧凑型、低成本且高灵敏度的器件开发。针对特定应用定制波导设计的能力进一步增强了其应用潜力，使其成为未来片上传感解决方案中极具前景的技术。除了医疗诊断和环境监测之外，这类传感器在食品安全、国土安全以及其他需要灵敏、实时检测能力的领域也具有广阔应用前景。基于光子狭缝波导的传感技术的未来发展应考虑分析物基质（例如气体、液体、水、等离子体、湿度）对各种传感机制（例如谐振器、干涉仪和光子晶体）的影响，以优化不同应用场景中传感器的性能。
论文链接：https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3490256
延伸阅读：
上一篇：综述：基于共振的光学式气体传感器研究进展
下一篇：最后一页