Dua-Dimensi Lubang-Array Grating-Coupling-Based Eksitasi Gelombang Permukaan Bloch untuk Biosensing yang Sangat Sensitif
Abstrak
Dalam penelitian ini, struktur kisi dua dimensi (2D) difraksi permukaan ditempatkan pada lapisan paling atas dari reflektor Bragg terdistribusi (DBR) untuk biosensing. Resonansi gelombang permukaan Bloch (BSW) diwujudkan dengan menggabungkan kisi lubang-array sub-panjang gelombang 2D dan dapat dieksitasi di lokasi yang berbeda:permukaan lapisan kisi 2D atau antarmuka antara DBR dan bio-solusi. Kerugian material dalam dielektrik multilayer diukur untuk menguji ketahanan skema ini. Baik konfigurasi surface diffraction-grating BSW (DG-BSW) dan alternatif guided grating-coupled BSW (GC-BSW) menunjukkan sensitivitas sudut yang ditingkatkan secara nyata dibandingkan dengan skema prisma-coupled konvensional. Menarik mode ini menggunakan teknik grating-coupling tampaknya menghasilkan mode sensitivitas ekstrim yang berbeda dengan maksimum 1190 °/RIU untuk DG-BSW dan 2255 °/RIU untuk GC-BSW. Sensor indeks bias dengan nilai yang tinggi dapat diwujudkan melalui konfigurasi yang ringkas seperti itu.
Latar Belakang
Perangkat fotonik yang dirancang khusus mewakili kemungkinan deteksi selektif tanpa label waktu nyata dari berbagai spesies kimia dan biologis untuk berbagai penelitian medis dan aplikasi pemantauan lingkungan dan khususnya untuk deteksi optik jumlah molekul yang sangat kecil dalam larutan yang sangat encer [1 ,2,3]. Indeks resonansi mode permukaan optik seperti polariton plasmon permukaan (SPPs) [4,5,6], microcavity [8,1%) semitransparan dan fotovoltaik organik berwarna-warni. Fungsi Adv Mater 28(7):1703398" href="/articles/10.1186/s11671-019-3159-8#ref-CR7" id="ref-link-section-d213170396e647">7], resonansi mode terpandu [ 8, 9], dan gelombang permukaan Bloch (BSW) [10,11,12,13] dapat digunakan untuk membedakan modulasi kecil umumnya dari parameter optik yang mencerminkan konsentrasi biomolekul tertentu [14, 15].
Teknologi penginderaan berbasis resonansi gelombang permukaan yang paling populer adalah metode resonansi plasmon permukaan (SPR) [4, 16] yang bekerja dengan menarik polariton plasmon permukaan sepanjang antarmuka logam/dielektrik oleh cahaya datang. Sayangnya, SPR hanya dapat dieksitasi oleh cahaya magnetik transversal dan penyerapan disertai dengan dispersi yang kuat tidak dapat dihindari dalam komponen logam. Sensitivitas biosensor SPR umumnya dalam urutan beberapa ratus nanometer per unit indeks bias (nm·RIU
−1
) [17, 18].
BSW adalah alternatif yang menjanjikan untuk SPP. Teknologi BSW berdasarkan struktur all-dielectric loss optik rendah memiliki sensitivitas lebih tinggi dan peningkatan medan yang dapat disesuaikan daripada gelombang permukaan lainnya dan dapat dikombinasikan dengan metode modifikasi permukaan kimia yang berbeda dan mekanisme deteksi optik [19,20,21]. Banyak peneliti telah eksperimental dan teoritis menunjukkan keunggulan sensor BSW atas sensor SPPs [22, 23]. Sensitivitas panjang gelombang sensor 1D-BSW di bawah konfigurasi Kretschmann adalah beberapa ribu nm·RIU
−1
[24, 25]. Peneliti terbaru [26] mendemonstrasikan eksitasi BSW berbasis serat untuk penginderaan RI dengan sensitivitas sekitar 650 nm/RIU untuk p -cahaya terpolarisasi dan 930 nm/RIU untuk s -cahaya terpolarisasi Sebagian besar sensor berbasis kristal fotonik (1DPC) 1D menggunakan struktur gabungan prisma Kretschmann yang rumit untuk menggairahkan BSW. Beberapa peneliti telah mengeksplorasi sensor BSW berbasis grating-coupled atau desain baru lainnya untuk mengurangi kompleksitas komponen optik massal. Wijaya dkk. [27] melaporkan peningkatan sensitivitas dalam profil kisi lapisan paling atas yang dinilai melalui interogasi azimut; mode kebocoran BSW sebagian besar terlokalisasi di dalam alur yang sangat sempit yang tidak mudah ditembus oleh biomolekul.
Perangkat kisi dua dimensi (2D) [28,29,30] memiliki potensi menarik sebagai sensor RI mini karena area penginderaannya yang besar dan kemudahan fabrikasi yang relatif. Makalah ini mengusulkan skema eksitasi alternatif berdasarkan mekanisme grating-coupling 2D. BSW diwujudkan di sisi kisi dengan meletakkan susunan lubang udara di permukaan cermin Bragg, yang menopang BSW di kedua sisi. Di sini, kami menyajikan satu konfigurasi untuk menunjukkan kemungkinan penyambungan BSW di ujung struktur cermin Bragg yang digabungkan dengan kisi, serta skema alternatif yang menunjukkan pengaruh kehilangan dielektrik yang tersedia. Kami membandingkan kinerja optik konfigurasi sensor untuk eksitasi BSW di lokasi yang berbeda seperti yang dibahas secara rinci di bawah ini.
Metode
Kasus 1:Konfigurasi BSW Grating Difraksi Permukaan (DG-BSW)
Diagram skema dari konfigurasi BSW kisi difraksi permukaan ditunjukkan pada Gambar. 1. Sudut datang θ (sudut antara sinar datang dan Z -sumbu) dan sudut azimuth φ (sudut antara negatif X -sumbu dan proyeksi sinar datang di x–y bidang) digunakan untuk menggambarkan arah rambat cahaya datang. Dalam perhitungan numerik, kami menggunakan DBR (LH) lima periode
5
di mana dielektrik L memiliki RI 1,46 (SiO2 pada panjang gelombang kerja λ0 = 657 nm) dan lapisan H terbuat dari TiO2 dengan RI sebesar 2,57. RI dari kedua TiO2 dan SiO2 pada rentang 0,43 hingga 0,8 μm dinyatakan sebagai [27]:
Desain BSW kisi difraksi permukaan dalam (x -y -z ) sistem referensi. Struktur mencakup DBR beberapa periode, lapisan penyangga, dan kisi 2D. Kopling dimediasi oleh kisi difraksi 2D dengan periode Λ = 510 nm, radius lubang r = 145 nm, dan ketebalan h =116nm. Media eksternal diasumsikan sebagai udara (neks = 1)
Bagian imajiner dari indeks bias mengacu pada kerugian di lapisan dielektrik. Rugi-rugi ini meliputi penyerapan bahan intrinsik dan rugi-rugi hamburan dalam cahaya datang (\( {\upgamma}_{{\mathrm{SiO}}_2}=0 \) dan \( {\upgamma}_{{\mathrm{ TiO}}_2}={10}^{-4} \), dalam karya ini). DBR dapat diukur sesuai sebagai tumpukan seperempat panjang gelombang untuk sudut datang pada panjang gelombang operasional. Ketebalan lapisan yang sesuai masing-masing dL = 100 nm dan dH = 70 nm.
Untuk membuat sensor BSW kisi difraksi permukaan, lapisan silikon nitrida setebal 116 nm (Si3 N4 ) diendapkan di atas DBR dengan pola lubang udara [31, 32] untuk membentuk lapisan kisi. Lapisan penyangga 60 nm yang juga terbuat dari komposit indeks bias rendah (SiO2 ) dimasukkan di antara cermin Bragg dan kisi lubang-array sub-panjang gelombang. Lapisan kisi dirancang untuk memasangkan iluminasi yang merambat ke mode BSW. Seperti dijelaskan di atas, kisi pada dasarnya adalah susunan periodik 2D dari fitur struktural yang terbuat dari lubang udara. Dalam simulasi numerik yang dijelaskan di bawah, hanya dimensi fisik kisi (periode Λ , radius lubang r , dan ketebalan h ) disesuaikan untuk menggairahkan BSW di bawah kondisi pencahayaan yang berbeda dan untuk mengoptimalkan profil refleksi.
Di bawah kisi lubang-array yang dioptimalkan, ketika BSW dieksitasi, pantulan dari konfigurasi kisi-Bragg membentuk profil resonansi Fano yang khas [33] dengan puncak yang tajam. Letak puncak-puncak tersebut menunjukkan RI wilayah yang akan diselidiki. Proses pembuatannya sederhana dan kompatibel dengan teknologi manufaktur MEMS yang ada, yang membuat perangkat yang diusulkan dapat diproduksi secara massal dan mudah diintegrasikan ke dalam biochip untuk deteksi multipleks dengan biaya rendah. Kami melakukan perhitungan yang dijelaskan di sini dengan Diffract MOD terintegrasi di RSoft Photonics Suite, yang didasarkan pada metode analisis gelombang berpasangan yang ketat (RCWA) [34, 35] dan berisi beberapa algoritme lanjutan dengan harmonik Fourier yang menggambarkan fungsi dielektrik periodik.
Gambar 2 menunjukkan simulasi distribusi medan listrik untuk s -cahaya terpolarisasi ketika RI sekitarnya adalah 1. Garis putus-putus pada Gambar. 2 menandai antarmuka kisi-udara; z = 0 adalah permukaan sisi lain dari sensor BSW kisi difraksi. Seperti yang ditunjukkan gambar, medan listrik sangat ditingkatkan di dekat antarmuka dan kedalaman penetrasi BSW mencapai hampir 200 nm di udara. Intensitas medan lokal adalah 42 kali intensitas cahaya datang maksimum pada sudut kutub θ = 4.3° dan domain sudut azimut sekitar φ = 12°.
Distribusi medan listrik yang dihitung untuk s -cahaya terpolarisasi pada resonansi dimana gelombang permukaan tereksitasi pada permukaan atas saja. Garis putus-putus putih mewakili kisi 2D, lapisan penyangga, dan lapisan DBR. Intensitas medan mode BSW (wilayah kuning) terkonsentrasi di lubang udara
Meskipun struktur yang diusulkan dapat, secara teoritis, memberikan eksitasi BSW dalam mode kisi difraksi permukaan, ada efek yang terkait dengan proses deteksi yang perlu dipertimbangkan dengan cermat. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2, medan kuat terkonsentrasi di lubang kecil kisi-kisi lubang-array. Analit di udara tidak dapat dengan mudah menembus lubang berukuran kecil, sehingga berkumpul di atas kisi. Penurunan konsentrasi analit dalam lubang menyebabkan gangguan kecil pada indeks bias, yang menurunkan batas deteksi dan sensitivitas sensor BSW. Integrasi perangkat penerangan cahaya insiden dan lapisan penginderaan juga membuat fabrikasi sensor on-chip menjadi sulit; lebih lanjut, sangat sulit untuk memperkirakan interaksi di antara mereka. Kami mengeksplorasi konfigurasi alternatif untuk mengatasi kelemahan ini sambil mempertahankan distribusi medan listrik yang meluruh secara eksponensial.
Kasus 2:Konfigurasi BSW Berpasangan Grating Terpandu Alternatif (GC-BSW)
Dalam skema yang diusulkan, wilayah penginderaan sekarang dipindahkan ke bagian bawah sensor BSW grating-coupled, sehingga menghindari efek merugikan yang terkait dengan penetrasi struktur kisi permukaan (Gbr. 3). Bahan untuk DBR, buffer layer, dan grating mirip dengan yang dijelaskan di atas. Berbeda dengan sensor DG-BSW, yang paling bawah TiO2 ketebalan lapisan berkurang dari 70 menjadi 30 nm.
Diagram skematis 3D dari sensor resonansi BSW grating-coupled di bawah iluminasi azimut (φ ) di (x -y -z ) sistem referensi termasuk sudut datang (θtermasuk ), refleksi orde nol (R0 ), dan parameter kisi 2D (Λ , r , h ). Wilayah penginderaan terletak di bagian bawah sensor BSW yang digabungkan dengan kisi
Kami menempatkan lapisan bio-solusi dengan RI dekat 1,333 (air murni) berdekatan dengan indeks bias tinggi terluar (TiO2 ) lapisan, di mana ketebalan daerah yang akan diperiksa adalah 2 μm. Kami tidak perlu secara tepat mengontrol ketebalan lapisan penginderaan dalam kasus ini, karena permukaan luar dari wilayah yang diperiksa tidak secara signifikan mempengaruhi eksitasi mode BSW. Resonansi terbentuk sebagai s -cahaya terpolarisasi jatuh pada DBR melalui kisi pada sudut tertentu, dan beberapa refleksi terjadi pada lapisan cacat bawah yang dibentuk oleh larutan yang akan diuji. Struktur keadaan cacat permukaan mengubah distribusi medan elektromagnetik di bagian bawah DBR karena resonansi gelombang permukaan, dan beberapa refleksi pada lapisan cacat membentuk interferensi koheren. Medan elektromagnetik ditingkatkan secara lokal dan dapat sepenuhnya bekerja pada molekul sampel yang akan diuji.
Kami menemukan bahwa karakteristik sensitivitas selama pemantauan dinamis dari solusi yang akan diuji dapat ditingkatkan dengan skema yang diusulkan. Mirip dengan SPP, BSW dilokalisasi di tepi pemotongan 1DPC, pada antarmuka dengan media eksternal. Parameter desain kisi 2D sama dalam skema yang diusulkan dengan konfigurasi sebelumnya (DG-BSW):Λ = 510 nm, r = 145 nm, dan h =116 nm. Sebagaimana dibahas secara rinci di bawah, kami membandingkan karakteristik sistem multi-lapisan dielektrik resonansi DG-BSW dan GC-BSW. Desain kisi lubang-array kami tidak hanya mengurangi biaya produksi, tetapi juga menyediakan lingkungan yang relatif adil untuk perbandingan kinerja sensor.
Hasil dan Diskusi
Kami merancang struktur BSW yang dioptimalkan di bawah dua set kondisi penginderaan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1 dan 3 dengan s -cahaya terpolarisasi dalam kedua kasus. Kurva reflektifitas mode ini sebagai fungsi dari sudut datang dan panjang gelombang masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 4a dan b. Kasing DG-BSW dan GC-BSW memiliki fitur resonansi yang tajam pada eksitasinya baik sebagai fungsi sudut maupun panjang gelombang. Pada perangkat DG-BSW, ketika panjang gelombang datang sekitar 660 nm, puncak penurunan tajam muncul di θ = 4.3° dengan interogasi sudut datang. Dalam perangkat GC-BSW, sudut resonansi θ = 7° sesuai dengan panjang gelombang datang 633 nm. Kami menemukan bahwa meskipun puncak resonansi dengan faktor kualitas yang lebih tinggi Q (>10
3
) dapat diperoleh dengan mengoptimalkan parameter perangkat, sensitivitas panjang gelombang dan sensitivitas sudut sensor BSW hanya mencapai sekitar 100 nm/RIU dan 280 °/RIU di bawah iluminasi non-azimut. Simulasi RCWA 3D kami konsisten dengan literatur [24]. Kami mempertimbangkan kebebasan desain baru, sudut azimut φ , sesuai.
Bloch gelombang permukaan di φ = 0°. Kurva biru dan merah mewakili reflektansi BSW sebagai fungsi dari sudut datang (a ) dan panjang gelombang (b ) untuk konfigurasi DG-BSW dan GC-BSW, masing-masing
Refleksi simulasi sensor GC-BSW yang dirancang untuk bekerja di dekat θ = 7° dan φ = 10° ditunjukkan pada Gambar 5a. Kopling BSW terjadi di daerah yang sangat sempit dengan intensitas reflektif yang relatif rendah (daerah putih pada Gambar. 5a). Setiap sudut kutub memiliki sudut azimut yang sesuai yang memenuhi kondisi yang cocok untuk menggairahkan BSW. Mode BSW dalam heterostruktur meluruh perlahan seiring meningkatnya sudut kutub dan azimut, lalu menghilang di dekat θ = 7.6° dan φ = 12°. Mempertimbangkan kesulitan pemantauan sudut kecil, kami memilih sudut yang relatif besar untuk memasangkan BSW. Puncak resonansi tidak sensitif terhadap perubahan sudut kutub tetapi sangat sensitif terhadap perubahan sudut azimut. Kami menghitung distribusi medan listrik dari titik sampel (θ = 7°; φ = 9,82°) untuk mengenali resonansi (Gbr. 5b). Intensitas meluruh menuju antarmuka kisi/udara dan medan berosilasi berkali-kali sepanjang struktur periodik dan lima puncak terbentuk pada antarmuka dielektrik indeks bias LH. Garis putus-putus hijau muda pada Gambar. 5b mewakili distribusi indeks bias sensor GC-BSW di Z -arah sumbu. Kami menemukan bahwa intensitas medan magnet dalam bio-solusi secara bertahap meluruh di sepanjang Z -arah, karena interaksi antara cahaya dan larutan menurun dengan jarak dari lapisan terpotong. Kedalaman penetrasi BSW mencapai 2 μm di dalam solusi, yang sepuluh kali lipat lebih besar daripada di konfigurasi DG-BSW.
a Refleksi sensor GC-BSW versus sudut azimut dan kutub. BSW dibuat oleh iluminasi (λ0 = 633 nm) dekat θ = 7° dan φ =10°. Kopling BSW terjadi di daerah yang sangat sempit (daerah putih) dengan intensitas reflektif yang relatif rendah. b Medan listrik (garis hitam) dan distribusi indeks bias (garis putus-putus hijau tua) di dalam konfigurasi penginderaan (mode kasus 2). cx -ydx -z tampilan bidang peta magnitudo medan listrik, dihitung pada panjang gelombang operasional λ0 = 633nm. Garis putus-putus putih menunjukkan lokasi lubang di medan listrik
Gambar 5c dan d menunjukkan peta magnitudo medan listrik dalam x -y dan x -z pesawat, masing-masing, dihitung pada panjang gelombang operasional λ0 = 633 nm . Hasil Gambar 5b dan d sangat sesuai. Distribusi medan pada larutan/TiO2 antarmuka sebagian besar mempengaruhi kinerja keseluruhan sensor GC-BSW melalui integral tumpang tindih antara bidang cepat berlalu dr ingatan dan distribusi spasial konstanta dielektrik wilayah penginderaan. Kami menyelidiki efek sudut kutub pada spektrum refleksi azimut dalam konfigurasi GC-BSW dengan menguji sudut kutub θ 6,92°, 6,94°, 6,96°, 6,98°, 7°, dan 7,02°. Untuk menilai sensitivitas tinggi, kami juga menentukan lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) dari kemiringan resonansi dan ketinggian puncak kemiringan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, bentuk garis simetris yang khas muncul sebagai sudut azimut θ ditingkatkan. Ketinggian puncak resonansi meningkat saat puncak resonansi FWHM menurun. Pada sudut kutub yang lebih besar, resonansi BSW bergeser ke arah sudut azimut yang lebih besar karena efek pencocokan vektor gelombang.
Spektrum reflektansi azimut untuk sudut datang yang berbeda θ . Bentuk garis simetris yang khas muncul sebagai sudut azimut θ meningkat. Resonansi BSW bergeser ke sudut azimut yang lebih tinggi karena efek pencocokan vektor gelombang
Material lossless (yaitu, yang memiliki nilai nol untuk koefisien kepunahan ) diasumsikan dalam sebagian besar simulasi numerik [24, 25, 30]. Sinibaldi dkk. [36] mempelajari pengaruh kehilangan material pada kinerja sensor BSW untuk menemukan bahwa koefisien kepunahan lapisan indeks tinggi H hanya sedikit mempengaruhi karakteristik resonansi; mereka memperkenalkan kepunahan κL = 10
−4
ke lapisan indeks rendah dihitung melalui metode matriks transfer (TMM). Material lossy diperlukan untuk mengamati penurunan spektrum reflektansi [22].
Untuk mempelajari pengaruh kehilangan, kami menilai spektrum refleksi azimut dari struktur DG-BSW dan GC-BSW (Gbr. 1 dan 3) dengan dan tanpa mempertimbangkan kehilangan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Dalam kasus kami, TiO2 bahan dapat menggairahkan puncak dip BSW dalam spektrum refleksi. Rugi-rugi pada DBR menurunkan bentuk garis BSW yang diperoleh pada kasus lossless. Kami menganalisis efek gangguan yang disebabkan oleh nilai bukan nol untuk pada resonansi. Dalam kasus DG-BSW, FWHM resonansi pertama-tama menurun dan kemudian meningkat ketika koefisien pemadaman meningkat dari 0 menjadi 10
−3
, sedangkan kedalaman resonansi melakukan sebaliknya. Kami mencapai bentuk garis resonansi BSW yang optimal ketika koefisien pemadaman mencapai 10
−4
. Resonansi dengan cepat turun saat koefisien semakin meningkat (κH = 10
−2
). Dalam konfigurasi GC-BSW, lebar garis meningkat perlahan sebagai κH meningkat seperti halnya nilai puncak resonansi BSW. Penurunan resonansi semakin lebar karena kehilangan energi dalam biosensor meningkat.
a Variasi bentuk garis resonansi untuk konfigurasi DG-BSW dan koefisien pemadaman κH = 0 (tanpa kerugian), 2 × 10
−4
, 10
−4
, 10
−3
, 10
−2
. b Variasi untuk konfigurasi GC-BSW. TiO Tanpa Rugi2 bahan menggairahkan puncak dip BSW dalam spektrum refleksi. Nilai koefisien kepunahan menekan tepi pita resonansi BSW
Hasil kami menunjukkan bahwa TiO lossless2 bahan menghasilkan resonansi BSW yang optimal. Saat mempertimbangkan kerugian, bagian imajiner sebesar 10
−3
dapat menekan amplitudo pantulan dan Q resonansi tanpa mempengaruhi posisi puncak. Simulasi kami juga menunjukkan bahwa nilai koefisien kepunahan memainkan peran penting dalam menentukan kompromi optimal antara kedalaman dan lebar (yaitu, FWHM) resonansi BSW.
Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk membuat skema desain untuk platform penginderaan bebas label berdasarkan kisi 2D untuk menggairahkan BSW, jadi kami terus mengeksplorasi lokasi penginderaan untuk mengoptimalkan dan meningkatkan kinerjanya sebagai sensor RI. Biosensor RI umumnya dirancang untuk mendeteksi modulasi indeks bias kecil yang disebabkan oleh variasi rasio konsentrasi biomolekul. Oleh karena itu, kami menganggap sensitivitas azimut (\( {\mathrm{S}}_{n_{\mathrm{bio}},\varphi } \)) dapat diamati secara bermakna:
dimana Δφ adalah perubahan sudut azimut dan Δnbio adalah perubahan indeks bias lapisan penginderaan. Kurva reflektifitas sebagai fungsi dari sudut azimut untuk nilai biomolekul yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 8. Untuk konfigurasi DG-BSW, panjang gelombang (λ0 ) dan sudut datang (θ ) ditetapkan masing-masing pada 657 nm dan 4,3° (Gbr. 8a); untuk konfigurasi GC-BSW, λ0 = 633nm dan θ = 7° (Gbr. 8b). Ketika indeks bias biomolekul berubah secara merata, resonansi BSW memuncak pergeseran biru dalam kedua kasus. Artinya, perubahan kecil dalam nilai indeks bias (Δnbio = 0,0005) menyebabkan pergeseran sudut azimut antara puncak resonansi tumbuh lebih besar pada sudut azimut kecil.
Kurva reflektifitas sebagai fungsi sudut azimut untuk nilai larutan yang berbeda. a Konfigurasi DG-BSW, di mana panjang gelombang (λ0 ) dan sudut datang (θ ) ditetapkan pada 657 nm dan 4,3°; b untuk konfigurasi GC-BSW, λ0 = 633 nm dan θ = 7°
Kami juga membandingkan karakteristik penginderaan konfigurasi DG-BSW dan GC-BSW untuk memprediksi sensitivitas (batang hitam) dan FWHM (batang merah) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9 sebagai fungsi dari indeks bias sekitar (SRI). Kami menemukan bahwa sensitivitas dan FWHM meningkat secara monoton seiring dengan meningkatnya variasi biomolekul. Sensitivitas konfigurasi GC-BSW sekitar dua kali lipat dari DG-BSW, sedangkan FWHM resonansi lebih sempit di GC-BSW daripada DG-BSW.
Karakteristik penginderaan DG-BSW (a ) dan GC-BSW (b ) konfigurasi:sensitivitas yang diprediksi dan FWHM sebagai fungsi SRI. Sensitivitas konfigurasi GC-BSW sekitar dua kali lipat dari DG-BSW
Figure of merit (FOM) [25] adalah indikator kinerja sensor penting lainnya. FOM dapat ditingkatkan pada sensor RI dengan menurunkan FWHM, meningkatkan sensitivitas spektral S [°/RIU], atau keduanya, sebagai FOM∝S/FWHM. FOM dari banyak sensor optik dibatasi oleh pertukaran intrinsik antara sensitivitas spektral dan FWHM. Sensitivitas azimut mencapai 1190 °/RIU untuk kasus DG-BSW dan 2255 °/RIU untuk GC-BSW pada tingkat maksimum (Persamaan (3)). Ini menyiratkan bahwa sensor GC-BSW memiliki tumpang tindih yang lebih dekat antara mode resonansi dan lapisan penginderaan daripada DG-BSW. Perhitungan juga mendukung hasil yang ditunjukkan pada Gambar. 2 dan 5b, di mana lapisan penginderaan GC-BSW memiliki kedalaman penetrasi medan cahaya yang lebih tinggi yang mengarah ke sensitivitas yang lebih tinggi daripada DG-BSW.
Perlu dicatat bahwa sensitivitas kedua konfigurasi BSW yang kami uji adalah satu urutan besarnya lebih tinggi daripada skema berbasis prisma konvensional (lihat Tabel 1). Tidak seperti desain biosensor berdasarkan eksitasi prisma-coupled, tidak ada batas indeks bias yang ketat untuk komposit dielektrik yang digunakan dalam konfigurasi DG-BSW atau GC-BSW [37,38,39,40,41,42]. Dengan menskalakan parameter kisi 2D dan DBR dengan benar, konfigurasi sensor yang diusulkan dapat direalisasikan secara efektif dalam rentang panjang gelombang apa pun.
Kesimpulan
Dalam penelitian ini, kami menjelajahi konfigurasi kisi 2D difraksi permukaan dan aplikasi penginderaan. Kami membangun heterostruktur dielektrik multilayer dari kisi lubang-array subwavelength dan refleksi Bragg terdistribusi (DBR) dengan beberapa periode (N = 5) untuk mewujudkan resonansi BSW sensitivitas tinggi dengan pita samping rendah. Konfigurasi DG-BSW permukaan dan skema GC-BSW terpandu alternatif dirancang berdasarkan metodologi RCWA. Sensitivitas teoritis 2255 °/RIU dicapai dengan sudut kutub kecil dari iluminasi (< 10°) dan sudut azimut menyapu di sekitar nilai yang sama. Sensitivitas sudut adalah satu urutan lebih tinggi dari sensor berdasarkan iluminasi kutub prisma-coupled (umumnya tidak lebih besar dari 300 °/RIU). Sensor GC-BSW yang dioptimalkan menunjukkan peningkatan sensitivitas yang sangat besar (dua kali lipat) dan resonansi BSW yang lebih sempit dibandingkan dengan biosensor DG-BSW. Kedua platform sensor 2D-grating-coupled yang diuji dalam penelitian ini menunjukkan faktor kualitas rendah dibandingkan dengan sensor BSW RI tradisional, tetapi dapat ditingkatkan dengan menyetel periode (Λ ), radius lubang (r ), dan ketebalan (h ).
Skema yang diusulkan untuk gelombang permukaan Bloch yang menarik, DG-BSW dan GC-BSW, mewakili konfigurasi kompak kelas baru untuk biosensing yang sangat sensitif dan mungkin memberikan peluang berharga untuk merekayasa teknologi "lab-on-chip" skala nano di masa depan.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang dipublikasikan ini.
