Excitação com base em rede de acoplamento de matriz de furo bidimensional de ondas de superfície de Bloch para biossensorio altamente sensível

Resumo

Neste estudo, uma estrutura de grade de difração de superfície bidimensional (2D) foi colocada na camada superior de refletores de Bragg distribuídos (DBRs) para biossensor. A ressonância de onda de superfície de Bloch (BSW) foi realizada pelo acoplamento de uma grade de matriz de orifícios de sub-onda 2D e pode ser excitada em diferentes locais:a superfície da camada de grade 2D ou a interface entre o DBR e a biossolução. As perdas de material no dielétrico multicamadas foram medidas para testar a robustez deste esquema. Tanto a configuração BSW de grade de difração de superfície (DG-BSW) quanto a configuração BSW de grade de grade guiada alternativa (GC-BSW) mostraram sensibilidade angular acentuadamente melhorada em comparação com esquemas convencionais de prisma acoplado. Excitar esses modos usando uma técnica de acoplamento de grade parece render diferentes modos de sensibilidade extrema com um máximo de 1190 ° / RIU para DG-BSW e 2255 ° / RIU para GC-BSW. Sensores de índice de refração com uma alta figura de mérito podem ser realizados por meio de tais configurações compactas.

Histórico

Dispositivos fotônicos especialmente projetados representam a possibilidade de detecção seletiva em tempo real e livre de rótulos de várias espécies químicas e biológicas para uma variedade de aplicações de pesquisa médica e monitoramento ambiental e, particularmente, para a detecção óptica de quantidades minúsculas de moléculas em soluções altamente diluídas [1 , 2,3]. Índices de ressonância de modo de superfície óptica, como polaritons de plasmon de superfície (SPPs) [4,5,6], microcavidade [8,1%) semitransparentes e fotovoltaicos orgânicos coloridos. Adv Funct Mater 28 (7):1703398 "href =" / articles / 10.1186 / s11671-019-3159-8 # ref-CR7 "id =" ref-link-section-d213170396e647 "> 7], ressonância de modo guiado [ 8, 9], e ondas de superfície de Bloch (BSW) [10,11,12,13] podem ser utilizadas para distinguir as modulações geralmente pequenas de parâmetro (s) óptico (s) reflexivo (s) de uma dada concentração de biomolécula [14, 15].

A tecnologia de detecção baseada em ressonância de onda de superfície mais popular é o método de ressonância de plasmon de superfície (SPR) [4, 16], que funciona estimulando polaritons de plasmon de superfície ao longo de uma interface metal / dielétrica por luz incidente. Infelizmente, a SPR só pode ser excitada pela luz magnética transversal e a absorção acompanhada por uma forte dispersão é inevitável nos componentes de metal. A sensibilidade dos biossensores SPR é geralmente da ordem de várias centenas de nanômetros por unidade de índice de refração (nm · RIU ⁻¹ ) [17, 18].

BSW é uma alternativa promissora aos SPPs. A tecnologia BSW baseada na estrutura totalmente dielétrica de baixa perda óptica tem maior sensibilidade e aprimoramento de campo ajustável do que outras ondas de superfície e pode ser combinada com diferentes métodos de modificação de superfície química e mecanismos de detecção óptica [19,20,21]. Muitos pesquisadores demonstraram experimentalmente e teoricamente a superioridade dos sensores BSW sobre os sensores SPPs [22, 23]. A sensibilidade ao comprimento de onda dos sensores 1D-BSW sob uma configuração Kretschmann é de vários milhares de nm · RIU ⁻¹ [24, 25]. Pesquisadores recentes [26] demonstraram excitação BSW baseada em fibra para detecção de RI com uma sensibilidade de cerca de 650 nm / RIU para p -luz polarizada e 930 nm / RIU para s -luz polarizada. A maioria dos sensores baseados em cristal fotônico 1D (1DPC) utiliza estruturas acopladas a prisma Kretschmann complicadas para excitar BSW. Poucos pesquisadores exploraram sensores BSW baseados em grade acoplada ou outros novos projetos para reduzir a complexidade de componentes ópticos em massa. Vijay et al. [27] relataram sensibilidade aumentada em um perfil de grade de camada superior avaliado por meio de interrogação azimutal; o modo de vazamento BSW está localizado principalmente dentro de ranhuras muito estreitas nas quais as biomoléculas não penetram prontamente.

Dispositivos de grade bidimensionais (2D) [28,29,30] têm potencial atraente como sensores RI em miniatura devido às suas grandes áreas de detecção e relativa facilidade de fabricação. Este artigo propõe um esquema de excitação alternativo baseado no mecanismo de acoplamento de grade 2D. Um BSW é realizado no lado da grade, depositando matrizes de orifícios de ar na superfície de um espelho de Bragg, que suporta BSW em ambos os lados. Aqui, apresentamos uma configuração para simplesmente demonstrar a possibilidade de acoplamento de um BSW na ponta da estrutura do espelho de Bragg com grade acoplada, bem como um esquema alternativo que demonstra a influência da perda dielétrica disponível. Comparamos o desempenho óptico das configurações do sensor para a excitação BSW em diferentes locais, conforme discutido em detalhes abaixo.

Métodos

Caso 1:Configuração BSW de Grade de Difração de Superfície (DG-BSW)

Um diagrama esquemático da configuração da rede de difração de superfície BSW é mostrado na Fig. 1. O ângulo de incidência θ (ângulo entre o feixe incidente e Z -eixo) e o ângulo de azimute φ (ângulo entre o negativo X -eixo e a projeção do feixe incidente no x – y plano) são usados para descrever a direção de propagação da luz incidente. Nos cálculos numéricos, usamos um DBR (LH) de cinco períodos ⁵ onde os dielétricos L têm RI de 1,46 (SiO ₂ no comprimento de onda de trabalho de λ ₀ =657 nm) e as camadas H são feitas de TiO ₂ com o RI de 2,57. Os RIs de ambos TiO ₂ e SiO ₂ na faixa de 0,43 a 0,8 μm são expressos como [27]:
$$ {n} _ {SiO_2} ={\ left (1+ \ frac {0,6962 {\ lambda} ^ 2} {\ lambda ^ 2- {0,0684} ^ 2} + \ frac {0,4080 {\ lambda} ^ 2 } {\ lambda ^ 2- {0,1162} ^ 2} + \ frac {0,8975 {\ lambda} ^ 2} {\ lambda ^ 2- {9,8962} ^ 2} \ right)} ^ {\ frac {1} {2 }} $$ (1)
e
$$ {n} _ {TiO_2} ={\ left (5.913+ \ frac {0.2441 {\ lambda} ^ 2} {\ lambda ^ 2-0.0803} \ right)} ^ {\ frac {1} {2}} $$ (2)

Projeto BSW de grade de difração de superfície em ( x - y - z ) sistema de referência. A estrutura inclui DBR de poucos períodos, camada de buffer e grade 2D. O acoplamento é mediado por uma rede de difração 2D com período Λ =510 nm, raio do orifício r =145 nm, e espessura h =116 nm. Meio externo é assumido como ar ( n _ext =1)

As partes imaginárias dos índices de refração referem-se às perdas nas camadas dielétricas. Essas perdas incluem a absorção de material intrínseca e as perdas por espalhamento na luz incidente (\ ({\ upgamma} _ {{\ mathrm {SiO}} _ 2} =0 \) e \ ({\ upgamma} _ {{\ mathrm { TiO}} _ 2} ={10} ^ {- 4} \), neste trabalho). O DBR pode ser dimensionado em conformidade como uma pilha de um quarto de comprimento de onda para um ângulo de incidência no comprimento de onda operacional. As espessuras das camadas correspondentes são respectivamente d _L =100 nm e d _H =70 nm.

Para fabricar o sensor BSW de grade de difração de superfície, uma camada de nitreto de silício de 116 nm de espessura (Si ₃ N ₄ ) foi depositado no topo do DBR com um padrão de orifício de ar [31, 32] para formar a camada de grade. Uma camada tampão de 60 nm que também é feita de compostos de baixo índice de refração (SiO ₂ ) foi inserido entre o espelho de Bragg e a grade de matriz de orifícios de subcomprimento de onda. A camada de grade é projetada para acoplar as iluminações de propagação ao modo BSW. Conforme descrito acima, a grade é essencialmente uma matriz periódica 2D de recursos estruturais feitos de orifícios de ar. Nas simulações numéricas descritas abaixo, apenas as dimensões físicas da grade (período Λ , raio do furo r , e espessura h ) foram ajustados para excitar BSW sob diferentes condições de iluminação e para otimizar os perfis de reflexão.

Sob a rede de matriz de furos otimizada, quando BSW é excitado, a reflexão da configuração de rede de Bragg forma perfis ressonantes típicos de Fano [33] com picos agudos. As localizações dos picos indicam o RI da região a ser sondada. O processo de fabricação é simples e compatível com as tecnologias de fabricação de MEMS existentes, o que torna o dispositivo proposto produzível em massa e prontamente integrado em biochips para detecção multiplexada a baixo custo. Realizamos os cálculos descritos aqui com Diffract MOD integrado no RSoft Photonics Suite, que é baseado no método rigoroso de análise de ondas acopladas (RCWA) [34, 35] e contém vários algoritmos avançados com harmônicos de Fourier que descrevem funções dielétricas periódicas.

A Figura 2 mostra a distribuição do campo elétrico simulado para s -luz polarizada quando o RI circundante é 1. A linha tracejada na Fig. 2 marca a interface grade-ar; z =0 é a outra superfície lateral do sensor BSW da rede de difração. Como mostra a figura, o campo elétrico é fortemente aumentado perto da interface e a profundidade de penetração do BSW atinge quase 200 nm no ar. A intensidade do campo local é 42 vezes a intensidade máxima da luz incidente a um ângulo polar de θ =4,3 ° e domínio do ângulo azimutal de cerca de φ =12 °.

Distribuição de campo elétrico calculado para s -luz polarizada em ressonância onde a onda de superfície é excitada apenas na superfície superior. A linha pontilhada branca representa grade 2D, camada de buffer e camadas DBR. A intensidade do campo do modo BSW (região amarela) está concentrada nos orifícios de ar

Embora a estrutura proposta possa, teoricamente, fornecer excitação BSW no modo de rede de difração de superfície, existem efeitos relacionados ao processo de detecção que merecem consideração cuidadosa. Conforme mostrado na Fig. 2, o campo forte está concentrado nas pequenas aberturas da grade de matriz de orifícios. O analito no ar não consegue penetrar facilmente nos orifícios pequenos, acumulando-se acima da grade. A diminuição da concentração do analito nos orifícios provoca uma pequena perturbação no índice de refração, que diminui o limite de detecção e a sensibilidade do sensor BSW. A integração de um dispositivo de iluminação de luz incidente e camada de detecção também torna a fabricação do sensor no chip difícil; além disso, é muito difícil estimar a interação entre eles. Exploramos uma configuração alternativa para superar essas desvantagens, mantendo a distribuição do campo elétrico em declínio exponencial.

Caso 2:Configuração alternativa guiada por grade acoplada BSW (GC-BSW)

No esquema proposto, a região de detecção é agora movida para o fundo do sensor BSW acoplado à grade, evitando, assim, quaisquer efeitos prejudiciais relacionados à penetração da estrutura da grade superficial (Fig. 3). Os materiais para o DBR, camada tampão e grade são semelhantes aos descritos acima. Ao contrário do sensor DG-BSW, o inferior TiO ₂ a espessura da camada foi reduzida de 70 para 30 nm.

Diagrama esquemático 3D do sensor de ressonância BSW acoplado a grade sob iluminações azimutais ( φ ) em ( x - y - z ) sistema de referência incluindo ângulo de incidência ( θ _inc ), reflexão de ordem zero ( R ₀ ), e parâmetros de grade 2D ( Λ , r , h ) A região de detecção está localizada na parte inferior do sensor BSW acoplado à grade

Colocamos uma camada de bio-solução com RI perto de 1.333 (água pura) adjacente ao índice de refração superior (TiO ₂ ) camada, onde a espessura da região a ser sondada é de 2 μm. Não precisamos controlar com precisão a espessura da camada de detecção neste caso, porque a superfície externa da região sondada não afeta significativamente a excitação do modo BSW. A ressonância é formada como s - a luz polarizada incide sobre o DBR através da grade em um certo ângulo, e múltiplas reflexões ocorrem na camada de defeito inferior formada pela solução a ser testada. A estrutura do estado de defeito de superfície altera a distribuição do campo eletromagnético na parte inferior do DBR devido à ressonância da onda de superfície e múltiplas reflexões na camada de defeito formam interferência coerente. O campo eletromagnético é realçado localmente e pode atuar totalmente nas moléculas da amostra a serem testadas.

Descobrimos que as características de sensibilidade durante o monitoramento dinâmico da solução a ser testada podem ser melhoradas pelo esquema proposto. Semelhante aos SPPs, os BSWs estão localizados na borda de truncamento do 1DPC, na interface com o meio externo. Os parâmetros de projeto da grade 2D são os mesmos no esquema proposto como na configuração anterior (DG-BSW): Λ =510 nm, r =145 nm, e h =116 nm. Conforme discutido em detalhes abaixo, comparamos as características dos sistemas dielétricos multicamadas ressonantes DG-BSW e GC-BSW. Nosso projeto de grade de matriz de furos não apenas reduz o custo de fabricação, mas também fornece um ambiente relativamente justo para comparação de desempenho do sensor.

Resultados e discussão

Projetamos estruturas BSW otimizadas sob os dois conjuntos de condições de detecção, como mostrado nas Figs. 1 e 3 com s -luz polarizada em ambos os casos. As curvas de refletividade desses modos em função do ângulo de incidência e comprimento de onda são mostradas na Fig. 4a eb, respectivamente. Os casos DG-BSW e GC-BSW têm características de ressonância nítidas em sua excitação, tanto em função do ângulo quanto do comprimento de onda. No dispositivo DG-BSW, quando o comprimento de onda incidente é de cerca de 660 nm, um pico de mergulho acentuado apareceu em θ =4,3 ° por interrogação do ângulo de incidência. No dispositivo GC-BSW, o ângulo ressonante θ =7 ° corresponde a um comprimento de onda incidente de 633 nm. Descobrimos que, embora um pico ressonante com fator de qualidade superior Q (> 10 ³ ) valor pode ser obtido otimizando os parâmetros do dispositivo, a sensibilidade do comprimento de onda e a sensibilidade do ângulo do sensor BSW atingiu apenas cerca de 100 nm / RIU e 280 ° / RIU sob iluminações não azimutais. Nossas simulações 3D RCWA são consistentes com a literatura [24]. Levamos em consideração a nova liberdade de design, ângulo azimutal φ , adequadamente.

Onda de superfície de Bloch em φ =0 °. As curvas azuis e vermelhas representam a refletância BSW em função do ângulo de incidência ( a ) e comprimento de onda ( b ) para configurações DG-BSW e GC-BSW, respectivamente

A reflexão simulada do sensor GC-BSW projetado para trabalhar próximo a θ =7 ° e φ =10 ° é mostrado na Fig. 5a. O acoplamento BSW ocorre em áreas muito estreitas com intensidade reflexiva relativamente baixa (regiões brancas na Fig. 5a). Cada ângulo polar tem um ângulo azimutal correspondente que satisfaz as condições de combinação para excitar o BSW. O modo BSW na heteroestrutura decai lentamente conforme os ângulos polares e azimutais aumentam, então desaparece próximo a θ =7,6 ° e φ =12 °. Considerando a dificuldade de monitoramento de pequenos ângulos, escolhemos um ângulo relativamente grande para acoplar o BSW. O pico de ressonância é insensível às mudanças do ângulo polar, mas muito sensível às mudanças do ângulo azimutal. Calculamos a distribuição do campo elétrico do ponto de amostra ( θ =7 °; φ =9,82 °) para reconhecer a ressonância (Fig. 5b). A intensidade decai em direção à interface grade / ar e o campo oscilou muitas vezes ao longo da estrutura periódica e cinco picos formados na interface dielétrica de índice de refração L-H. A linha pontilhada em verde claro na Fig. 5b representa a distribuição do índice de refração do sensor GC-BSW no Z - direção do eixo. Descobrimos que a intensidade do campo magnético na biossolução decai gradualmente ao longo do Z -direcção, pois a interação entre a luz e a solução diminui com a distância da camada truncada. A profundidade de penetração BSW atingiu 2 μm dentro da solução, que é dez vezes maior do que na configuração DG-BSW.

a Reflexão do sensor GC-BSW versus ângulos azimutais e polares. BSW criado por iluminações ( λ ₀ =633 nm) próximo a θ =7 ° e φ =10 °. O acoplamento BSW ocorre em áreas muito estreitas (região branca) com intensidade reflexiva relativamente baixa. b Campo elétrico (linha preta) e distribuição do índice de refração (linha pontilhada verde escuro) dentro das configurações de detecção (modo caso 2). c x - y d x - z vistas planas do mapa de magnitude do campo elétrico, calculado no comprimento de onda operacional λ ₀ =633 nm. A linha pontilhada branca indica a localização dos buracos no campo elétrico

As Figuras 5c e d mostram mapas de magnitude de campo elétrico em x - y e x - z planos, respectivamente, calculados no comprimento de onda operacional λ ₀ =633 nm . Os resultados da Fig. 5b e d estão em estreita concordância. A distribuição do campo na solução / TiO ₂ interface afeta amplamente o desempenho geral do sensor GC-BSW através da sobreposição integral entre o campo evanescente e a distribuição espacial da constante dielétrica da região de detecção. Nós investigamos os efeitos do ângulo polar nos espectros de reflexão azimutal na configuração GC-BSW testando ângulos polares θ de 6,92 °, 6,94 °, 6,96 °, 6,98 °, 7 ° e 7,02 °. Para avaliar a alta sensibilidade, também determinamos a largura total na metade do máximo (FWHM) do mergulho ressonante e a altura do pico do mergulho. Como mostrado na Fig. 6, formas de linhas simétricas típicas emergiram como o ângulo azimutal θ aumentou. A altura do pico de ressonância aumentou conforme o pico de ressonância FWHM diminuiu. Em um ângulo polar maior, a ressonância BSW mudou em direção a um ângulo azimutal maior devido ao efeito de correspondência do vetor de onda.

Espectros de refletância azimutal para diferentes ângulos de incidência θ . Formas de linhas simétricas típicas surgem como ângulo azimutal θ aumenta. As ressonâncias BSW mudam para ângulos azimutais mais altos devido ao efeito de correspondência do vetor de onda

Materiais sem perdas (ou seja, aqueles com valores zero para coeficientes de extinção κ) são assumidos na maioria das simulações numéricas [24, 25, 30]. Sinibaldi et al. [36] estudaram a influência das perdas de material no desempenho dos sensores BSW para descobrir que o coeficiente de extinção das camadas de alto índice κ _H afeta apenas ligeiramente as características de ressonância; eles introduziram uma extinção κ _L =10 ⁻⁴ para as camadas de baixo índice calculadas através do método da matriz de transferência (TMM). Materiais com perdas são necessários para observar uma queda no espectro de refletância [22].

Para estudar a influência da perda, avaliamos os espectros de reflexão azimutal das estruturas DG-BSW e GC-BSW (Figs. 1 e 3) com e sem considerar a perda como mostrado na Fig. 7. Em nosso caso, TiO sem perdas ₂ materiais podem excitar o pico de mergulho BSW no espectro de reflexão. As perdas no DBR degradam a forma da linha BSW obtida no caso sem perdas. Analisamos o efeito de perturbação induzido por valores diferentes de zero para κ nas ressonâncias. No caso DG-BSW, o FWHM das ressonâncias primeiro diminuiu e depois aumentou conforme o coeficiente de extinção aumentou de 0 para 10 ⁻³ , enquanto a profundidade de ressonância fez o oposto. Alcançamos a forma ideal da linha de ressonância BSW quando o coeficiente de extinção κ atingiu 10 ⁻⁴ . A ressonância diminuiu rapidamente à medida que os coeficientes aumentaram ainda mais (κ _H =10 ⁻² ) Na configuração GC-BSW, a largura da linha aumentou lentamente como κ _H aumentou, assim como o valor de pico de ressonância BSW. A queda de ressonância aumentou conforme as perdas de energia dentro do biossensor aumentaram.

a Variações da forma da linha de ressonância para configuração DG-BSW e coeficientes de extinção κ _H =0 (sem perdas), 2 × 10 ⁻⁴ , 10 ⁻⁴ , 10 ⁻³ , 10 ⁻² . b Variações para configuração GC-BSW. TiO sem perdas ₂ materiais excitam o pico de mergulho BSW no espectro de reflexão. Os valores do coeficiente de extinção suprimem a borda da banda de ressonância BSW

Nossos resultados sugerem que TiO sem perdas ₂ materiais rendem ressonância BSW ideal. Ao considerar a perda, uma parte imaginária de até 10 ⁻³ pode suprimir a amplitude da reflexão e o Q da ressonância sem afetar a posição do pico. Nossas simulações também mostraram que os valores do coeficiente de extinção desempenham um papel vital na determinação do compromisso ideal entre a profundidade e a largura (ou seja, FWHM) da ressonância BSW.

O objetivo principal deste estudo foi estabelecer um esquema de projeto para plataformas de detecção sem rótulo com base em uma grade 2D para excitar BSWs, portanto, continuamos a explorar locais de detecção a fim de otimizar e aprimorar seu desempenho como um sensor RI. Os biossensores RI são geralmente projetados para detectar pequenas modulações de índice de refração causadas por variações nas taxas de concentração de biomoléculas. Assim, consideramos a sensibilidade azimutal (\ ({\ mathrm {S}} _ {n _ {\ mathrm {bio}}, \ varphi} \)) um observável significativo:
$$ {\ mathrm {S}} _ {n _ {\ mathrm {bio}}, \ varphi} =\ frac {\ varDelta \ varphi} {\ varDelta {n} _ {\ mathrm {bio}}} $$ ( 3)
onde Δφ é a mudança no ângulo azimutal e Δn _bio é a mudança no índice de refração da camada de detecção. As curvas de refletividade em função do ângulo azimutal para diferentes valores de biomolécula são mostradas na Fig. 8. Para a configuração DG-BSW, o comprimento de onda ( λ ₀ ) e ângulo de incidência ( θ ) são fixados a 657 nm e 4,3 ° respectivamente (Fig. 8a); para a configuração GC-BSW, λ ₀ =633nm e θ =7 ° (Fig. 8b). Quando o índice de refração das biomoléculas muda uniformemente, a ressonância BSW atinge o pico do desvio para o azul em ambos os casos. Ou seja, uma pequena mudança no valor do índice de refração ( Δn _bio =0,0005) faz com que o deslocamento angular azimutal entre os picos de ressonância aumente em pequenos ângulos azimutais.

Curvas de refletividade em função do ângulo azimutal para diferentes valores de solução. a Configuração DG-BSW, onde comprimento de onda ( λ ₀ ) e ângulo de incidência ( θ ) são fixados em 657 nm e 4,3 °; b para configuração GC-BSW, λ ₀ =633 nm e θ =7 °

Também comparamos as características de detecção das configurações DG-BSW e GC-BSW para prever a sensibilidade (barra preta) e FWHM (barra vermelha) como mostrado na Fig. 9 como uma função do índice de refração circundante (SRI). Descobrimos que tanto a sensibilidade quanto o FWHM aumentaram monotonicamente com o aumento das variações das biomoléculas. A sensibilidade da configuração GC-BSW foi cerca de duas vezes maior que a do DG-BSW, enquanto o FWHM das ressonâncias foram mais estreitas no GC-BSW do que no DG-BSW.

Características de detecção do DG-BSW ( a ) e GC-BSW ( b ) configurações:sensibilidade prevista e FWHM em função do SRI. A sensibilidade da configuração GC-BSW é cerca de duas vezes maior que a do DG-BSW

Figura de mérito (FOM) [25] é outro importante indicador de desempenho do sensor. O FOM pode ser melhorado no sensor RI diminuindo o FWHM, aumentando a sensibilidade espectral S [° / RIU], ou ambos, como FOM∝S / FWHM. O FOM de muitos sensores ópticos é restringido por uma compensação intrínseca entre a sensibilidade espectral e FWHM. A sensibilidade azimutal atingiu 1190 ° / RIU para o caso DG-BSW e 2255 ° / RIU para o GC-BSW na extensão máxima (Eq. (3)). Isso implica que o sensor GC-BSW tem uma sobreposição mais próxima entre o modo ressonante e a camada de detecção do que o DG-BSW. Os cálculos também suportam os resultados mostrados nas Figs. 2 e 5b, onde a camada de detecção do GC-BSW tem uma maior profundidade de penetração do campo de luz levando a uma maior sensibilidade do que DG-BSW.

É importante notar que a sensibilidade de ambas as configurações BSW que testamos é uma ordem de magnitude maior do que o esquema baseado em prisma convencional (consulte a Tabela 1). Ao contrário de qualquer projeto de biossensor baseado em excitação acoplada a prisma, não há limite de índice de refração estrito para o composto dielétrico usado em configurações DG-BSW ou GC-BSW [37,38,39,40,41,42]. Ao dimensionar os parâmetros da grade 2D e DBR de maneira adequada, as configurações propostas do sensor podem ser efetivamente realizadas em qualquer faixa de comprimento de onda.

Conclusões

Neste estudo, exploramos configurações de rede de difração de superfície 2D e aplicações de detecção. Nós construímos uma heteroestrutura dielétrica multicamada a partir de uma grade de matriz de furos de comprimento de onda e reflexão de Bragg distribuída (DBR) com poucos períodos ( N =5) para realizar ressonâncias BSW de alta sensibilidade com bandas laterais baixas. Uma configuração de superfície DG-BSW e um esquema alternativo GC-BSW guiado foram projetados com base na metodologia RCWA. Uma sensibilidade teórica de 2255 ° / RIU foi alcançada com um pequeno ângulo polar da iluminação (<10 °) e varreduras do ângulo azimutal em torno dos mesmos valores. A sensibilidade angular foi uma ordem maior do que a dos sensores baseados em iluminações polares acopladas a prisma (geralmente não maior que 300 ° / RIU). O sensor GC-BSW otimizado mostrou um aumento particularmente grande na sensibilidade (duas vezes) e ressonância BSW mais estreita em comparação com o biossensor DG-BSW. Ambas as plataformas de sensor acoplado a grade 2D testadas neste estudo mostram baixo fator de qualidade em comparação com os sensores BSW RI tradicionais, mas eles podem ser aprimorados pelo ajuste do período ( Λ ), raio do furo ( r ) e espessura ( h )

Os esquemas propostos para ondas de superfície Bloch excitantes, DG-BSW e GC-BSW, representam configurações compactas de nova classe para biossensorio altamente sensível e podem oferecer uma oportunidade valiosa para projetar tecnologias “lab-on-chip” em nanoescala no futuro.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado.

Abreviações

1DPC:: Cristal fotônico 1D
2D:: Bidimensional
BSWs:: Ondas de superfície de Bloch
DBR:: Refletores Bragg Distribuídos
DG-BSW:: Grade de difração BSW
FOM:: Figura de mérito
FWHM:: Largura total pela metade no máximo
GC-BSW:: BSW acoplado à grade
Q:: Fator de qualidade
RCWA:: Análise rigorosa de ondas acopladas
RI:: Índice de refração
S:: Sensibilidade
SPPs:: Polaritons de plasmon de superfície
SPR:: Ressonância de plasmon de superfície
TMM:: Método de matriz de transferência

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