Biosensing Ultra-Sensitif Menggunakan Gelombang Permukaan Bloch Terkoneksi Grating Lubang 2-D
Abstrak
Kami menyajikan biosensor label-free kompak yang mengkoneksikan gelombang permukaan Bloch (BSW) melalui grating lubang sub-panjang gelombang dua dimensi (2-D) yang di deposit pada lapis atas reflektor Bragg terdistribusi (DBR). Dengan meng-excite BSW baik di permukaan grating (DG-BSW) atau di antarmuka DBR–larutan (GC-BSW), kami mencapai sensitivitas sudut sebesar 1.190°/RIU dan 2.255°/RIU, masing-masing. Pemodelan numerik mengonfirmasi bahwa kehilangan materi dalam tumpukan berlapis memiliki dampak minimal pada kualitas resonansi, memungkinkan sensing dengan figure of merit tinggi yang kuat di seluruh rentang indeks bias refractif yang luas.
Latar Belakang
Perangkat fotonik yang mendukung resonansi mode permukaan—seperti polariton permukaan plasmon (SPP), resonansi mode terpandu, dan gelombang permukaan Bloch (BSW)—ada di garis depan sensing biosensor label-free, real-time untuk diagnosis medis dan pemantauan lingkungan. Meskipun SPR masih standar industri, ketergantungannya pada film logam membatasi sensitivitas (biasanya beberapa ratus nm/RIU) dan memperkenalkan kehilangan serap. BSW, dihasilkan dalam kristal fotonik dielectric semua, menawarkan sensitivitas yang jauh lebih tinggi, peningkatan medan yang dapat disesuaikan, dan kehilangan serap yang tidak signifikan, menjadikannya menarik untuk biosensor generasi berikutnya.
Sensor BSW yang ada sering menggunakan geometri coupling prism (Kretschmann) yang besar. Sedikit studi yang telah menjelajahi konfigurasi coupling grating yang menyederhanakan setup optik. Di sini, kami mengusulkan dua desain grating-coupled 2-D yang meng-excite BSW di lokasi yang berbeda: permukaan grating (DG-BSW) dan antarmuka DBR–larutan (GC-BSW). Dengan membandingkan konfigurasi ini, kami mengidentifikasi parameter optimal untuk memaksimalkan sensitivitas sudut sambil meminimalkan kompleksitas pembuatan.
Metode
Kasus 1: Konfigurasi BSW Grating Difraksi Permukaan (DG-BSW)
Struktur DG-BSW (Gambar 1) terdiri dari DBR lima periode (SiO₂/TiO₂) diikuti oleh buffer SiO₂ 60 nm dan grating Si₃N₄ 116 nm yang dibentuk dengan lubang udara lingkaran. Periode grating, jari-jari lubang, dan tebal masing-masing adalah Λ = 510 nm, r = 145 nm, dan h = 116 nm. Cahaya yang insiden pada sudut polar θ dan azimutal φ dikomposikan ke dalam mode BSW melalui grating. Kehilangan materi diimpor melalui indeks refraktif imajiner: γ_SiO₂ = 0 dan γ_TiO₂ = 10⁻⁴. Lapisan DBR tebal setengah panjang gelombang pada panjang gelombang operasi (λ₀ = 657 nm), menghasilkan d_L = 100 nm dan d_H = 70 nm.
Desain grating difraksi permukaan BSW dalam koordinat (x–y–z). Struktur terdiri dari beberapa periode DBR, lapisan buffer, dan grating 2-D.
Analisis gelombang terpandu ketat (RCWA) yang diimplementasikan dalam Diffract MOD (RSoft Photonics Suite) digunakan untuk menghitung spektrum refleksi dan distribusi medan. Simulasi mengungkapkan resonansi Fano yang tajam pada θ = 4,3° untuk λ ≈ 660 nm, dengan medan BSB yang menembus sekitar 200 nm ke udara dan mencapai intensitas 42× medan insiden.
Hitung medan listrik untuk cahaya terpolarisasi s pada resonansi. Mode BSW terpusat di dalam lubang udara.
Karena daerah medan tinggi berada di dalam lubang sempit, penetrasi analit terbatas, yang berpotensi mengurangi sensitivitas. Untuk mengatasi ini, kami mengusulkan konfigurasi alternatif.
Kasus 2: Konfigurasi BSW Terkoneksi Grating Terpandu (GC-BSW)
Dalam desain GC-BSW (Gambar 3), area sensing dipindahkan ke dasar DBR. Lapisan TiO₂ yang berdekatan dengan larutan dikurangi hingga 30 nm, sementara semua tebal lapisan lainnya tetap tidak berubah. Larutan bio 2 μm (n ≈ 1,333) ditempatkan secara langsung pada permukaan TiO₂ berindeks tinggi. Exsiasi BSW terjadi ketika cahaya terpolarisasi s dikomposikan melalui grating pada θ ≈ 7° dan λ ≈ 633 nm, membentuk status defek permukaan yang meningkatkan medan evanescent di antarmuka larutan.
Skematik 3D sensor GC-BSW. Area sensing terletak di antarmuka bawah.
Simulasi menunjukkan bahwa medan BSW menembus 2 μm ke dalam larutan—sepuluh kali lebih dalam daripada kasus DG-BSW—yang menghasilkan interaksi yang lebih kuat dengan analit dan sensitivitas sudut yang lebih tinggi.
Hasil dan Pembahasan
Kurva refleksi untuk konfigurasi DG-BSW dan GC-BSW menunjukkan resonansi tajam, Q tinggi sebagai fungsi sudut insiden dan panjang gelombang (Gambar 4). DG-BSW mencapai celah pada θ = 4,3° (λ ≈ 660 nm), sementara GC-BSW menunjukkan resonansi pada θ = 7° (λ ≈ 633 nm). Sensitivitas sudut melebihi 1.190°/RIU (DG-BSW) dan 2.255°/RIU (GC-BSW), melebihi sensor berbasis prism konvensional satu orden magnitudo.
Reflektansi BSW versus sudut insiden (a) dan panjang gelombang (b) untuk DG-BSW dan GC-BSW.
Interogasi azimutal GC-BSW (Gambar 5) mengungkapkan resonansi yang sangat selektif yang berubah secara signifikan dengan perubahan indeks refraktif kecil. Distribusi medan menunjukkan tumpang tindih yang kuat dengan lapisan sensing, yang menjelaskan sensitivitas yang unggul. Lebar resonansi (FWHM) tetap sempit (< 0,5°) bahkan pada tingkat kehilangan yang tinggi (γ_TiO₂ ≤ 10⁻³), yang mengonfirmasi keandalan desain ini.
Reflektansi GC-BSW versus azimutal (a) dan polar (b) sudut; peta medan dan indeks refraktif (c,d).
Gambar 6 menunjukkan bahwa peningkatan sudut polar menyempitkan FWHM sambil mempertahankan kedalaman resonansi, yang memungkinkan penyesuaian halus dari respons sensor. Analisis kehilangan (Gambar 7) menunjukkan bahwa koefisien punah κ = 10⁻⁴ menghasilkan keseimbangan optimal antara kedalaman dan lebar, sementara kehilangan yang lebih besar menurunkan faktor Q tanpa menggeser resonansi.
Dampak koefisien punah κ pada bentuk garis resonansi untuk DG-BSW (a) dan GC-BSW (b).
Perhitungan sensitivitas azimutal (Eq. 3) menunjukkan bahwa Δn = 5 × 10⁻⁴ menginduksi pergeseran 0,1° pada DG-BSW dan 0,2° pada GC-BSW, yang sesuai dengan sensitivitas yang dilaporkan. Konfigurasi GC-BSW secara konsisten mengungguli DG-BSW baik dalam sensitivitas maupun FWHM, menghasilkan figure of merit (FOM) sebesar 2.255°/RIU.
Reflektansi azimutal untuk berbagai indeks refraktif pada DG-BSW (a) dan GC-BSW (b).
Sensitivitas dan FWHM versus indeks refraktif sekitar untuk DG-BSW (a) dan GC-BSW (b).
Secara keseluruhan, kedua desain grating-coupled ini menunjukkan kinerja unggul dibandingkan sensor BSW berbasis prism tradisional, tanpa batas indeks refraktif ketat untuk tumpukan dielectric dan parameter desain yang dapat diskalakan yang memungkinkan operasi pada band spektral yang diinginkan.
Kesimpulan
Kami telah mendemonstrasikan dua biosensor BSW berbasis grating-coupled 2-D lubang array kompak yang mencapai sensitivitas sudut 1.190°/RIU (DG-BSW) dan 2.255°/RIU (GC-BSW) pada sudut insiden di bawah 10°. Arsitektur GC-BSW, khususnya, menawarkan peningkatan sensitivitas dua kali lipat dan resonansi yang lebih sempit dibandingkan DG-BSW, sambil mempertahankan jejak pembuatan yang rendah. Desain ini membuka jalan untuk platform biosensing "lab-on-chip" terintegrasi dan berkinerja tinggi yang dapat disesuaikan pada panjang gelombang apa pun dengan menyesuaikan parameter grating dan DBR.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini disertakan dalam artikel yang diterbitkan ini.
