一種基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器及其傳感方法技術

本發明專利技術公開了一種基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器及其傳感方法。本發明專利技術將單根波導以不產生耦合的條件下最大密度水平纏繞在基底的表面形成密集型波導，當附著在密集型波導表面的納米顆粒位于波導模式的倏逝場范圍內時，探測光被納米顆粒散射或吸收，透射功率產生一個急劇下降的臺階信號，這個臺階信號編碼了納米顆粒的大小信息，計算機通過識別臺階信號判斷納米顆粒有無，并得到納米顆粒的大小信息；本發明專利技術的密集型波導傳感面積大，比直波導提高兩個數量級；同時捕獲效率高，時間響應快；能夠探測的納米顆粒的半徑為100納米的小球；另外TM偏振的波導模式的散射信號是TE偏振的30倍。

A nanoparticle sensor based on on-chip dense waveguide and its sensing method

【技術實現步驟摘要】
一種基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器及其傳感方法
本專利技術涉及納米顆粒傳感技術，具體涉及一種基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器及其傳感方法。
技術介紹
目前國土安全、環境監測和早期診斷等相關領域都急需可以實現納米尺度顆粒的原位、快速、超靈敏和可重復性的檢測平臺。在各種傳感器中，光學倏逝場傳感器由于很多獨特的優勢，比如高靈敏度、無需標記與非侵入性等，吸引了越來越多人的注意。近年來，相關研究主要聚集在探索新機制來提高傳感器的靈敏度。例如，利用微腔中的奇異點或者結合等離激元增強效應將傳感器的靈敏度提高到單個生物分子和單原子水平的檢測。納米光纖利用暗場中的光彈性散射概念甚至將探測極限降低至量子噪聲水平。雖然這些傳感器的靈敏度已經超過目前應用的需求，但是以下幾個方面嚴重阻礙了他們的實際應用的推廣：1.微納尺度的諧振腔的傳感面積極小，因此需要非常長的時間去捕獲和表征納米顆粒。雖然納米光纖線圈和陣列可以增加探測面積，但是納米光纖軸向的低均勻度、難以與微流集成以及相關的納米光纖固定裝置都限制了這種傳感器的實際應用。2.微腔和等離激元諧振腔中的高功率密度會對生物分子具有光破壞作用。3.納米光纖、微腔和半連續的等離激元薄膜等光學傳感器的制備過程很難實現精確控制，導致所制備出來的傳感器性能不一致。因此，考慮到及時診斷器件的快速發展，目前急需發展一個可高度重復的傳感平臺來實現納米顆粒的快速與超靈敏檢測。
技術實現思路
針對以上現有技術中存在的問題，本專利技術提出了一種基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器及其傳感方法，利用波導倏逝場中的彈性散射原理，來檢測非標記的單納米顆粒。本專利技術的一個目的在于提出一種基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器。本專利技術的基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器包括：基底、單根波導、光源裝置、第一和第二光纖波導耦合器、光電探測器、數據采集卡和計算機；其中，單根波導在不會產生耦合的條件下以最大密度繞在基底上表面的平面上，纏繞形成的形狀的曲率半徑大于5μm，以降低光的損耗，從而在基底的表面形成密集型波導；在單根波導的一端設置第一光纖波導耦合器，在單根波導的另一端設置第二光纖波導耦合器；光電探測器連接至數據采集卡；數據采集卡連接至計算機；光源裝置發出探測光，經第一光纖波導耦合器進入密集型波導，經密集型波導透射后，透射光經第二光纖波導耦合器由光電探測器接收；光電探測器將光信號轉換為電信號后，傳輸至數據采集卡進行模數轉換后，將數據傳輸至計算機進行數據均值濾波處理并提取傳感信號；當附著在密集型波導表面的納米顆粒位于密集型波導的波導模式的倏逝場范圍內時，探測光被納米顆粒散射或吸收，透射功率產生一個急劇下降的臺階信號，這個臺階信號編碼了納米顆粒的大小信息，計算機通過識別臺階信號判斷納米顆粒有無，并得到納米顆粒的大小信息。基底和波導采用對探測光損耗小的材料，波導采用硅，基底采用硅上的二氧化硅，此時二氧化硅的厚度≥1μm。單個波導的橫截面的寬和高均為百納米。第一和第二光纖波導耦合器采用光柵、光纖棱鏡或者光纖錐-波導上下接觸式耦合器。光源裝置包括激光器和函數發生器，激光器發出激光，經函數發生器形成光強穩定并具有設定形狀和頻率的探測光。本專利技術的另一個目的在于提供一種基于片上密集型波導的納米顆粒傳感方法。本專利技術的基于片上密集型波導的納米顆粒傳感方法，包括以下步驟：1)光源裝置發出探測光，經第一光纖波導耦合器進入密集型波導；經密集型波導透射后，透射光經第二光纖波導耦合器由光電探測器接收；2)光電探測器將光信號轉換為電信號后，傳輸至數據采集卡進行模數轉換采集；然后將數據傳輸至計算機進行均值濾波處理并提取傳感信號；3)當附著在密集型波導表面的納米顆粒位于密集型波導的波導模式的倏逝場范圍內時，探測光被納米顆粒散射或吸收，透射功率產生一個急劇下降的臺階信號，這個臺階信號編碼了納米顆粒的大小信息；4)計算機識別臺階信號，并通過臺階信號判斷納米顆粒有無，進一步得到納米顆粒的大小信息。其中，在步驟4)中，計算機通過識別臺階信號包括以下步驟：a)將數據采集的時間區間內的數據劃分為多個處理單元，為了使算法在提取信號時不受環境引起的緩變信號的影響，并同時能夠識別兩個時間間隔較近的臺階信號，這個處理單元的時間區間不宜太長，時間區域在0.06s～0.1s；b)計算前后第(N-1)個處理單元和第(N+1)個處理單元的平均值之差，N為≥10的自然數；c)通過對比所得到的差值與第(N-M)個處理單元和第(N+M)個處理單元區間內信號的噪聲水平，將臺階識別出來，從而得到臺階信號，M為≤N的自然數，且10≤M≤100。每一個臺階信號，代表探測到了一個納米顆粒，從而從識別出的臺階信號判斷了納米顆粒的有無。進一步，通過臺階信號得到納米顆粒的大小信息，包括以下步驟：a)根據臺階信號得到此時由納米顆粒在波導表面引起的散射效率，散射效率等于臺階對應的探測光強下降功率除以探測光總功率；b)然后根據散射效率的大小，在有限元仿真得到的標定數據上找到納米顆粒的粒徑范圍，從而得到此時納米顆粒的大小。在步驟b)中，通過有限元仿真得到標定數據，包括以下步驟：i.首先將密集型波導、納米顆粒以及基底的材料根據實際參數進行幾何建模，同時定義材料的折射率和吸收系數；ii.對已經建立的幾何模型進行網格劃分；iii.然后進行光場模擬，設置光場邊界條件，通過求解麥克斯韋方程和電磁場微分方程得到不同大小的納米顆粒在波導上引起的散射效率，從而得到納米顆粒的大小的標定數據。本專利技術的優點：本專利技術將單根波導以不產生耦合的條件下最大密度水平纏繞在基底的表面形成密集型波導，當附著在密集型波導表面的納米顆粒位于波導模式的倏逝場范圍內時，探測光被納米顆粒散射或吸收，透射功率產生一個急劇下降的臺階信號，這個臺階信號編碼了納米顆粒的大小信息，計算機通過識別臺階信號判斷納米顆粒有無，并得到納米顆粒的大小信息；本專利技術的密集型波導傳感面積大，比直波導提高兩個數量級；同時捕獲效率高，時間響應快；能夠探測的納米顆粒的半徑為100納米的小球；另外TM偏振的波導模式的散射信號是TE偏振的30倍。附圖說明圖1為本專利技術的基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器的一個實施例的示意圖；圖2為本專利技術的基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器的一個實施例的密集型波導的電鏡圖；圖3為本專利技術的基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器的一個實施例的波導橫磁模式和波導橫電模式的強度圖，其中，(a)為波導橫磁TM模式的強度圖，(b)為波導橫電TE模式的強度圖；圖4為本專利技術的基于片上密集型波導的納米顆粒傳感方法的一個實施例得到的臺階信號的示意圖；圖5為本專利技術的基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器的一個實施例得到的密集型波導與直波導的納米顆粒捕獲效率對比圖；圖6為本專利技術的基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器的一個實施例得到的響應時間對比圖，其中，(a)為密集型波導的響應時間圖，(b)為直波導的響應時間圖；圖7為本專利技術的基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器的一個實施例得到的臺階信號與納米顆粒的大小的關系圖，其中，(a)為實驗測量得到不同大小的納米顆粒在密集型波導上引起的臺階信號統計分布圖，(b)給出了密集型波導對于納米顆粒的大小測量的不確定度。具體實施方式下面結合附圖，通過具體實施例，進一本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器，其特征在于，所述納米顆粒傳感器包括：基底、單根波導、光源裝置、第一和第二光纖波導耦合器、光電探測器、數據采集卡和計算機；其中，所述單根波導在不會產生耦合的條件下以最大密度繞在基底上表面的平面上，纏繞形成的形狀的曲率半徑大于5μm，以降低光的損耗，從而在基底的表面形成密集型波導；在單根波導的一端設置第一光纖波導耦合器，在單根波導的另一端設置第二光纖波導耦合器；所述光電探測器連接至數據采集卡；所述數據采集卡連接至計算機；所述光源裝置發出探測光，經第一光纖波導耦合器進入密集型波導，經密集型波導透射后，透射光經第二光纖波導耦合器由光電探測器接收；光電探測器將光信號轉換為電信號后，傳輸至數據采集卡進行模數轉換后，將數據傳輸至計算機進行數據均值濾波處理并提取傳感信號；當附著在密集型波導表面的納米顆粒位于密集型波導的波導模式的倏逝場范圍內時，探測光被納米顆粒散射或吸收，透射功率產生一個急劇下降的臺階信號，這個臺階信號編碼了納米顆粒的大小信息，計算機通過識別臺階信號判斷納米顆粒有無，并得到納米顆粒的大小信息。

【技術特征摘要】
1.一種基于片上密集型波導的納米顆粒傳感器，其特征在于，所述納米顆粒傳感器包括：基底、單根波導、光源裝置、第一和第二光纖波導耦合器、光電探測器、數據采集卡和計算機；其中，所述單根波導在不會產生耦合的條件下以最大密度繞在基底上表面的平面上，纏繞形成的形狀的曲率半徑大于5μm，以降低光的損耗，從而在基底的表面形成密集型波導；在單根波導的一端設置第一光纖波導耦合器，在單根波導的另一端設置第二光纖波導耦合器；所述光電探測器連接至數據采集卡；所述數據采集卡連接至計算機；所述光源裝置發出探測光，經第一光纖波導耦合器進入密集型波導，經密集型波導透射后，透射光經第二光纖波導耦合器由光電探測器接收；光電探測器將光信號轉換為電信號后，傳輸至數據采集卡進行模數轉換后，將數據傳輸至計算機進行數據均值濾波處理并提取傳感信號；當附著在密集型波導表面的納米顆粒位于密集型波導的波導模式的倏逝場范圍內時，探測光被納米顆粒散射或吸收，透射功率產生一個急劇下降的臺階信號，這個臺階信號編碼了納米顆粒的大小信息，計算機通過識別臺階信號判斷納米顆粒有無，并得到納米顆粒的大小信息。2.如權利要求1所述的納米顆粒傳感器，其特征在于，所述基底和波導采用對探測光損耗小的材料。3.如權利要求1所述的納米顆粒傳感器，其特征在于，所述單個波導的橫截面的寬和高均為百納米。4.如權利要求1所述的納米顆粒傳感器，其特征在于，所述第一和第二光纖波導耦合器采用光柵、光纖棱鏡或者光纖錐-波導上下接觸式耦合器。5.如權利要求1所述的納米顆粒傳感器，其特征在于，所述光源裝置包括激光器和函數發生器，激光器發出激光，經函數發生器形成光強穩定并具有設定形狀和頻率的探測光。6.一種基于片上密集型波導的納米顆粒傳感方法，其特征在于，所述傳感方法包括以下步驟：1)光源裝置發出探測光，經第一光纖波導耦合器進入密集型波導；經密集型波導透射后，透射光經第二光纖波導耦合器由光電探測器接收；2)光電探測器將光信號轉換為電信號后，傳輸至數據采集卡進行模數轉換采集；然后將數據傳輸...

【專利技術屬性】
技術研發人員：肖云峰，唐水晶，俞驍翀，龔旗煌，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：北京,11