Fairchild仙童生化傳感器優(yōu)化與制備

Fairchild仙童生化傳感器優(yōu)化與制備
為了應(yīng)對日益嚴(yán)峻的生化威脅和在醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的大量需求，光學(xué)生化傳感器吸引著越來越多的關(guān)注。平面光波導(dǎo)傳感器兼具光纖傳感器靈敏度高、響應(yīng)迅速、抗電磁干擾能力強(qiáng)等點(diǎn)，還可以通過靈活設(shè)計(jì)與不同結(jié)構(gòu)、不同功能的波導(dǎo)器件構(gòu)成集成光子傳感芯片，符合光學(xué)生化傳感器多功能化、集成化和便攜化的未來發(fā)展方向。

Fairchild仙童生化傳感器優(yōu)化與制備
使用無機(jī)材料制備的波導(dǎo)器件因其生長工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴，不易實(shí)現(xiàn)大規(guī)的生產(chǎn)與應(yīng)用。 目前針對應(yīng)用于光通信領(lǐng)域的有機(jī)聚合物材料研究已較為成熟，材料成本較低、合成工藝簡單、對加工設(shè)備要求不高、結(jié)構(gòu)種類豐富。在生化傳感領(lǐng)域與離子、蛋白質(zhì)、細(xì)胞等待測物的生物化學(xué)兼容性更強(qiáng)。因此使用聚合物材料制備波導(dǎo)傳感器能彌補(bǔ)無機(jī)材料在這方面的不足。本論文結(jié)合目前存在的技術(shù)難題與未來發(fā)展趨勢，對幾種不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的聚合物平面光波導(dǎo)生化傳感器進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，主要工作如下：1.以光波導(dǎo)式理論為基礎(chǔ)，在一定邊界條件下求得非對稱三層平板波導(dǎo)的征方程，再利用有效折射率法推導(dǎo)矩形波導(dǎo)導(dǎo)征方程，確定了波導(dǎo)傳感器件的單傳輸條件；闡述光波導(dǎo)傳感器的工作原理—消逝場原理及兩種傳感檢測型：均勻傳感與表面?zhèn)鞲校辉敿?xì)介紹傳感器的性能參數(shù)，包括靈敏度、檢測極限、分辨率、量程和線性度。列舉本論文完成過程中制備器件所主要使用的實(shí)驗(yàn)藥品及儀器設(shè)備。2.針對基于MZI結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)生化傳感器輸出信號具有周期性，提出不借助電光、熱光等外部調(diào)制手段，僅通過精確控制傳感窗口長度來調(diào)節(jié)器件的靜態(tài)工作點(diǎn)，同時(shí)能在較大折射率測量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高線性度的理論設(shè)想；首先根據(jù)波導(dǎo)材料SU-8和P（MMA-GMA）的折射率，綜合考慮器件尺寸與插入損耗等因素，使用Matlab軟件編程計(jì)算和Rsoft光學(xué)仿真軟件擬后得到優(yōu)化后的傳感窗口長度為11515μm；其次優(yōu)化制備傳感窗口的ICP刻蝕工藝，深入研究各參數(shù)對波導(dǎo)形貌和表面親水性的影響，包括天線功率、偏置功率、氣體流量及配比、腔室壓強(qiáng)、刻蝕時(shí)間；刻蝕后的波導(dǎo)表面水接觸角測試發(fā)現(xiàn)接觸角從130°降低到35°；光學(xué)性能測試證明傳感芯片的插入損耗沒有因刻蝕而明顯增大；傳感測試結(jié)果表明優(yōu)化后的聚合物波導(dǎo)生化傳感芯片可檢測的液體折射率測量范圍是1.31~1.42，靈敏度為225.4dB/RIU，檢測極限約為10-6RIU；zui后制備傳感窗口長度為10000μm和15000μm的聚合物MZI波導(dǎo)傳感芯片與優(yōu)化器件進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的傳感器靈敏度比二者分別提升141%和139%，并考察波導(dǎo)傳感芯片的長期工作穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在30天內(nèi)器件性能未出現(xiàn)明顯衰減。3.進(jìn)一步優(yōu)化了基于MZI結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)生化傳感器器件性能及制備工藝。通過編程計(jì)算和軟件擬，將Y型分束器與合束器在橫向上設(shè)計(jì)成不同長度來控制兩分支波導(dǎo)的相位差，使非對稱的MZI波導(dǎo)傳感器件始終處于靜態(tài)工作點(diǎn)；嘗試了聚合物波導(dǎo)生化傳感器在表面?zhèn)鞲行蜕系膽?yīng)用，利用溶膠-凝膠法合成了基于硅烷偶聯(lián)劑KH590的親水性敏感層，利用Comsol仿真軟件擬后證明將折射率高于芯層，厚度為500nm的敏感層固定在波導(dǎo)表面后，傳輸光場在敏感層的占比分布增大至12%；將修飾后的傳感芯片用于檢測溶液中的銅離子濃度，傳感芯片對于銅離子的可分辨濃度為20μg/ml。4.探索了聚合物材料體系下的微環(huán)型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在傳感檢測方面的應(yīng)用；編程計(jì)算了微環(huán)半徑、波導(dǎo)間距等結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)并分析器件的輸出功率與輸出光譜，根據(jù)其線性度確定了待測物折射率的檢測范圍，得到了以聚合物為波導(dǎo)材料的微環(huán)傳感器性能參數(shù)。

Fairchild仙童生化傳感器優(yōu)化與制備
從優(yōu)化理論設(shè)計(jì)和改進(jìn)制備工藝等方面針對基于有機(jī)聚合物材料的平面光波導(dǎo)生化傳感器件進(jìn)行了一系列的研究。發(fā)揮有機(jī)聚合物材料在波導(dǎo)器件功能集成、個(gè)數(shù)集成方面的優(yōu)勢，有望制備出高性能、小尺寸、低成本的生化傳感芯片并實(shí)現(xiàn)規(guī)化生產(chǎn)，從而服務(wù)于反恐預(yù)警、醫(yī)療衛(wèi)生、食品安全等關(guān)鍵領(lǐng)域。