[go: up one dir, main page]

CN114965303B - 一种基于soi的波导布拉格光栅葡萄糖传感器 - Google Patents

一种基于soi的波导布拉格光栅葡萄糖传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN114965303B
CN114965303B CN202210891203.9A CN202210891203A CN114965303B CN 114965303 B CN114965303 B CN 114965303B CN 202210891203 A CN202210891203 A CN 202210891203A CN 114965303 B CN114965303 B CN 114965303B
Authority
CN
China
Prior art keywords
bragg grating
god
waveguide
waveguide bragg
glucose
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210891203.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114965303A (zh
Inventor
李鸿强
朱智越
孟文涛
王英杰
林志琳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin Polytechnic University
Original Assignee
Tianjin Polytechnic University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin Polytechnic University filed Critical Tianjin Polytechnic University
Priority to CN202210891203.9A priority Critical patent/CN114965303B/zh
Publication of CN114965303A publication Critical patent/CN114965303A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114965303B publication Critical patent/CN114965303B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/4133Refractometers, e.g. differential

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器,包括硅衬底、在衬底上面的二氧化硅下包层、在二氧化硅下包层上生长具有一定厚度的单晶硅薄膜以及在单晶硅薄膜上包覆的上包层,其特征在于,制作时在单晶硅薄膜上蚀刻波导布拉格光栅,之后加工上包层,并在波导布拉格光栅的上方进行开窗处理,在开窗部分滴加GOD溶液,构成GOD上包层;所述GOD上包层的作用是在GOD上包层滴加不同浓度的葡萄糖时,其折射率会发生变化,相应的波导布拉格光栅反射的中心波长也会发生变化,GOD上包层的下表面与波导布拉格光栅的上表面直接接触。本发明能够实现利用波导布拉格光栅传感器检测葡萄糖浓度变化,同时具有集成度高、灵敏度高的优点。

Description

一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器
技术领域
本发明涉及一种光学传感器,特别是涉及一种可用于测量人体血糖浓度的基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器。
背景技术
集成光学生物化学传感器由于其微型化、集成化、选择性高等优势获得了快速的发展,基于SOI平台的硅波导是以硅(折射率约为3.46)为芯层,二氧化硅为包层(折射率约为1.45)的高折射率差矩形波导,能很好地将光场限制在硅波导芯层区域内,有利于减小光子器件的尺寸。近年来,基于SOI的波导布拉格光栅被广泛利用在生物传感中,但目前在葡萄糖浓度传感方面特异性较差。在葡萄糖生物传感领域,目前已有的检测方法为红外光谱法、光偏振法和激光拉曼光谱法等,红外光谱法是通过发射红外波段光源,收集被人体内血液反射或透射的红外光,实现血糖浓度的测量,但是因为人体内血液中血糖的红外吸收谱只占人体血液中其他物质很小一部分,所以这种方法的精确度不高;光偏振法的原理是线偏振光经过葡萄糖溶液后,振动方向会发生偏转,即产生了旋光效应,利用该效应对葡萄糖浓度进行检测,由于偏振角的测量对光路的调节和稳定性要求较高,所以此方法测量难度较大;激光拉曼光谱法是利用葡萄糖的多个拉曼特征峰与皮肤组织中的其他物质信号峰的差异做定量分析来实现的,但是因为真皮层的胶原蛋白和真皮皮下脂肪的三油酸甘油酯和皮肤表皮层黑色素对激发光和拉曼光的吸收效应等影响,加大了这项技术的应用难度。2016年,Ming-jie Yin等人提出(Ming-jie Yin, Bobo Huang, Shaorui Gao, A. PingZhang, and Xuesong Ye, "Optical fiber LPG biosensor integrated microfluidicchip for ultrasensitive glucose detection," Biomed. Opt. Express 7(5), 2067-2077 (2016).)将长周期光栅(LPG)嵌入到小直径单模光纤中,利用自组装技术在单模光纤上沉积聚乙烯亚胺和聚丙烯酸多层膜,然后在外层固定葡萄糖氧化酶上包层用于葡萄糖传感,来实现葡萄糖浓度的检测。但是单模光纤因其上包层的存在会阻碍芯层直接接触外界折射率的变化,导致灵敏度较低,且葡萄糖氧化酶单独存在不能长时间存活,此外,因为多层膜结构制作过程较为复杂,导致传感器制备过程过于繁琐。
综上,现有的葡萄糖传感器GOD层未直接接触芯层,灵敏度不高,且制备过程复杂,成本较高,因此如何能简单低成本地获得一种高灵敏度的、稳定的葡萄糖传感器是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明旨在提出一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器,能够实现实时检测葡萄糖浓度的变化,具有成本低、稳定性好、灵敏度高等优点。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器,包括硅衬底、在衬底上面的二氧化硅下包层、在二氧化硅下包层上生长具有一定厚度的单晶硅薄膜以及在单晶硅薄膜上包覆的上包层,其特征在于,制作时在单晶硅薄膜上蚀刻波导布拉格光栅,之后加工上包层,并在波导布拉格光栅的上方进行开窗处理,在开窗部分滴加GOD溶液,构成GOD上包层;所述波导布拉格光栅的作用是反射特定波长的光;所述GOD上包层的作用是在GOD上包层滴加不同浓度的葡萄糖时,其折射率会发生变化,相应的波导布拉格光栅反射的中心波长也会发生变化,GOD上包层的下表面与波导布拉格光栅的上表面直接接触。
开窗就是指通过刻蚀上包层构成凹槽,凹槽通过填充GOD溶液形成上包层。
在实施例中,所述波导布拉格光栅包括宽输出波导和双边结构的波导布拉格光栅,双边结构的波导布拉格光栅是由三维结构宽高相同长度不同的矩形平行六面体硅块阵列构成,双边结构的波导布拉格光栅为窄输入窄输出结构,且在双边结构的波导布拉格光栅输出端连接宽输出波导形成一体;所述波导布拉格光栅对应布拉格波长1550nm的周期为380nm,调制深度为275nm,占空比为50%;所述双边波导布拉格光栅的窄波导宽度为550nm,输出波导宽为1100nm。
在实施例中,二氧化硅下包层厚度为3µm,折射率为1.45,所述波导布拉格光栅所在的波导芯层厚度为220nm,折射率为3.46;GOD上包层折射率为1.3381;波导芯层采用硅材料制成,上包层与波导芯层具有较高折射率差。
在实施例中,所述波导布拉格光栅首先通过220nm厚的硅刻蚀形成大小不一的矩形六面体硅块,再利用干法刻蚀工艺光刻光栅图案,对上包层进行开窗处理,填充GOD溶液固定形成GOD上包层,所述GOD溶液浓度为15mg/mL。
在实施例中,所述GOD上包层的形成过程是:
使用磷酸盐溶液作为溶剂,配制浓度为15mg/mL的GOD溶液,并向其中加入聚乙二醇(PEG)混合均匀后备用;
使用99.7%的无水乙醇、去离子水、异丁基三乙氧基硅烷以体积比为78:20:2的比例混合得到硅烷溶液;
使用0.5μL的微量进样器向制作好的波导布拉格光栅表面滴加配制好的硅烷溶液0.1μL,静置10~20分钟,使用干燥剂硅胶干燥 12~24 h,干燥过程需要将其处于密封的环境下,防止其与空气中的水分、杂质发生反应,获得硅烷溶液修饰后的表面;
使用0.5μL微量进样器对硅烷溶液修饰后的表面滴加蛋白质交联剂,使光栅表面完整的浸入蛋白质交联剂中,对光栅表面进行进一步修饰,所述蛋白质交联剂由1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)构成;
待光栅表面干燥后立即向光栅表面滴加含聚乙二醇的浓度为15mg/mL的 GOD 溶液,固定时间为60分钟,使用磷酸盐溶液冲洗掉剩余未固定的葡萄糖氧化酶后,就完成了葡萄糖氧化酶 GOD 的固定,此时形成了GOD上包层,葡萄糖氧化酶通过三步修饰能够与光栅表面直接接触,并牢固固定。
所述传感器进行葡萄糖检测的过程是:将葡萄糖传感器接入光纤光栅耦合平台,宽带光源发出的光经过耦合器进入波导布拉格光栅的输入端,再由波导布拉格光栅因布拉格反射条件反射特定波长的光经宽输出波导、耦合器进入光谱分析仪中;通过逐次滴加0.5mg/mL~1.5mg/mL浓度的葡萄糖溶液来观察光谱分析仪中中心波长的变化,每滴加一次葡萄糖需要用磷酸盐溶液清洗波导布拉格光栅上表面对应的GOD上包层部分的表面20分钟,获得葡萄糖浓度与中心波长的关系;
根据葡萄糖浓度与中心波长的关系进行葡萄糖浓度的检测。
通过滴加0.5mg/mL~1.5mg/mL的葡萄糖溶液与GOD上包层发生反应后引起GOD上包层折射率从1.3381逐渐变为1.3371,中心波长的变化范围为1538.59nm~1538.49nm,最大反射率的变化范围为0.8262~0.8258,灵敏度不大于100pm/(mg/mL)。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明采用以硅波导光栅为基础,将波导布拉格光栅传感器用于检测葡萄糖浓度,将GOD直接设置为与光栅直接接触的上包层,显著提高了传感器检测葡萄糖的灵敏度和使用寿命,能够实现利用波导布拉格光栅传感器测量葡萄糖浓度变化,检测葡萄糖浓度变化值,同时具有集成度高、灵敏度高的优点,克服了现有技术中在人体内进行检测时由于人体内生物电而对传感器检测精度造成的影响。
本发明基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器满足布拉格条件时,实现特定波长的光反射,反射的中心波长随葡萄糖浓度的变化而变化。在葡萄糖检测方法的研究中,基于SOI的波导布拉格光栅具有测量范围广、灵敏度高和不易受到人体生物电影响的优点。
本发明通过传感器合理的结构与参数设计,没有因为直接开窗滴加固定GOD而导致光传输损耗和光栅中心波长的改变,使得直接开窗滴加固定GOD上包层后仍能通过上包层折射率的变化而引起光栅中心波长偏移,实现直接以GOD作为上包层进行葡萄糖检测,达到传感检测效果,可以实时检测葡萄糖浓度的变化,且灵敏度较高。本申请的基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器结构小,光栅为纳米级别,量程非常小,检测精度高。
附图说明
图1为本发明基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器的三维结构示意图;
图2为本发明基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器的侧视剖面结构示意图;
图3为本发明基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器的俯视剖面结构示意图;
图4为本发明基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器在光场图中的光斑形状图;
图5为本发明基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器制备工艺流程的示意图;
图6为本发明GOD上包层的形成过程及用于葡萄糖浓度检测所用设备的信号传递过程示意图;
图7为测试结果及光谱仪中的中心波长随GOD溶液折射率的变化曲线;
图8为波导布拉格光栅的中心波长随葡萄糖浓度的变化曲线。
附图标记:
1、二氧化硅下包层,2、波导布拉格光栅, 3、硅衬底,4、GOD上包层,5、单模光斑,6、输入端,7、宽输出波导。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为本发明基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器的三维结构示意图,包括二氧化硅下包层1、波导布拉格光栅2和GOD上包层4,波导布拉格光栅2所在层为波导芯层,GOD上包层4的下表面直接接触波导布拉格光栅2的上表面和波导芯层除波导布拉格光栅2以外的区域上表面;所述波导布拉格光栅2为双边均匀周期光栅,包括由三维结构宽高相同长度不同的矩形平行六面体硅块阵列构成的双边结构的波导布拉格光栅和宽输出波导7,双边结构的波导布拉格光栅为窄输入窄输出结构,且在双边结构的波导布拉格光栅输出端连接宽输出波导7形成一体,其中,宽带光源发出的光从输入端6进入波导布拉格光栅,经过反射后,通过光谱仪可以观测到反射的中心波长。
图2和图3为图1的侧面及顶面截面图,包括硅衬底3,在硅衬底上的二氧化硅下包层1、波导布拉格光栅2,以及在波导布拉格光栅2上方进行开窗并直接填充GOD溶液固化而形成的GOD上包层4。所述双边结构的波导布拉格光栅为双边均匀周期光栅,由宽窄波导周期交替构成,窄波导宽度为550nm,波导布拉格光栅对应布拉格波长1550nm的周期为380nm,调制深度为275nm,占空比为50%,宽输出波导的宽度为1100nm。GOD上包层4能够覆盖整个波导布拉格光栅,在波导布拉格光栅的正上方的GOD上包层上滴加葡萄糖溶液,使得葡萄糖溶液覆盖光栅所在区域。
二氧化硅下包层的厚度为3µm,波导布拉格光栅2的厚度为220nm。
图4表示在光场图中的光斑形状图,为波导宽度为0.55μm时在1550nm波长光波下的电场图,在该图中可以看到光斑形状为单瓣,形成单模光斑5,x方向宽度不大于0.55μm,说明波导能够实现单模传输。设计波导布拉格光栅的结构参数如下表1所示:
Figure 350486DEST_PATH_IMAGE001
本发明基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器的制备工艺流程示意图如图5所示,大致分为硅衬底的清洗、下包层的制作、波导芯层膜的制作、键合、清洗、光刻波导图形、干法刻蚀制作波导芯层光栅结构、开窗上包层、葡萄糖氧化酶填充上包层形成GOD上包层4。具体是:对硅衬底3进行表面清洗,埋氧处理后,在其表面加工3μm厚的二氧化硅下包层1,然后在二氧化硅下包层1上加工波导芯层,之后进行清洗固化再使用光刻胶获得光刻图案的220nm厚的波导布拉格光栅,之后加工二氧化硅上包层,再通过干法刻蚀对上包层进行开窗,在开窗部分滴加GOD溶液,固化形成GOD上包层,上包层厚度为3μm。
图6为本发明葡萄糖氧化酶固定的过程图,具体流程为:配制浓度为15mg/mL的GOD溶液,随后向其中加入聚乙二醇(PEG),聚乙二醇(PEG)优选为PEG5000Da,PEG5000Da与葡萄糖蛋白酶的摩尔比为1:20;同时配制0.5mg/mL~1.5mg/mL(该浓度范围对应实际血糖浓度,在人体血糖范围内工作)共11个浓度梯度的葡萄糖溶液,葡萄糖溶液及GOD溶液的配制均使用磷酸盐溶液作为溶剂,在配置一定浓度的葡萄糖或GOD溶液时,使用精确度为毫克的电子天平称取一定质量的粉末,溶解在磷酸盐溶液中,振荡一段时间后溶液呈透明状,说明溶液已经混合均匀。配置一定浓度的硅烷溶液时,使用99.7%的无水乙醇、去离子水、异丁基三乙氧基硅烷以体积比为78:20:2的比例混合得到。使用微量进样器(0.5μL)向制作好的光栅表面滴加配制好的硅烷溶液0.1μL,静置10~20分钟,使用干燥剂硅胶干燥 12~24 h,干燥过程需要将其处于密封的环境下,防止其与空气中的水分、杂质发生反应。经过硅烷溶液的表面修饰后,需使用1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)构成的蛋白质交联剂对光栅表面进行进一步修饰,同样使用微量进样器(0.5μL)对其进行滴加,使光栅表面完整的浸入溶液中,待其干燥后需要向光栅表面立即滴加含有PEG的浓度为15mg/mL的 GOD 溶液,固定时间为60分钟,使用磷酸盐溶液冲洗掉剩余未固定的葡萄糖氧化酶后,就完成了葡萄糖氧化酶 GOD 的固定,此时形成了GOD上包层,使用聚乙二醇(PEG)对GOD进行处理,能够增强光栅传感器中GOD的活性及稳定性,至此葡萄糖氧化酶通过PEG活化和两步修饰能够与光栅表面直接接触,并牢固固定,稳定性好,不易脱落,能够长时间存活。
将葡萄糖传感器接入光纤光栅耦合平台进行葡萄糖检测,所述光纤光栅耦合平台包括宽带光源、光谱分析仪和耦合器,宽带光源发出的光经过耦合器进入波导布拉格光栅的输入端,再由波导布拉格光栅因布拉格反射条件反射特定波长的光经宽输出波导7、耦合器进入光谱分析仪中。通过逐次滴加0.5mg/mL~1.5mg/mL浓度的葡萄糖溶液来观察光谱分析仪中中心波长的变化,每滴加一次葡萄糖需要用磷酸盐溶液清洗波导布拉格光栅上表面对应的GOD上包层部分的表面20分钟,进行间隙性传感测试。本申请采用滴加的方式添加不同浓度的葡萄糖,能够保证每次检测的样品浓度的精确性,避免了通过反复浸泡不同浓度葡萄糖进行检测时而造成对检测结果的干扰。
图7为光谱分析仪测得的波导布拉格光栅的中心波长和反射率随葡萄糖浓度变化的变化曲线,当向葡萄糖氧化酶上包层中滴加葡萄糖溶液时,不同浓度的葡萄糖溶液使得GOD上包层折射率会随之出现不同程度的降低,也就导致了波导布拉格光栅的中心波长和反射率随葡萄糖浓度变化。滴加的葡萄糖从0.5mg/mL升至1.5mg/mL时,折射率从1.3381变化到1.3371时,中心波长的变化范围为1538.59nm~1538.49nm,最大反射率的变化范围为0.8262~0.8258,曲线向左偏移。
从实验结果可以看出,随着葡萄糖浓度的升高,GOD上包层折射率(RI)的减小,波导布拉格光栅的光谱中心波长向短波长方向发生了偏移,这说明本申请设计的波导布拉格光栅传感器能对葡萄糖浓度进行传感,能用于实时检测葡萄糖浓度的变化中。
图8的曲线代表波导布拉格光栅的中心波长随葡萄糖浓度的变化曲线,可以看出,波导布拉格光栅的中心波长和葡萄糖浓度有连续的相关关系,且呈现负相关的关系。葡萄糖浓度发生改变时,中心波长也相应的发生偏移,呈线性变化,这说明该传感器能够实现不同浓度葡萄糖的检测。
开窗上包层或不开窗上包层的比较:开窗上包层测得葡萄糖浓度由0.5mg/mL变化到1.5mg/mL时,中心波长的变化为1538.59nm~1538.49nm,反射率变化为0.8262~0.8258,灵敏度不大于100pm/(mg/mL),当使用同样的WBG(波导布拉格光栅)参数且不对上包层进行开窗,此时上包层材料为二氧化硅,将GOD(葡萄糖氧化酶)固定在二氧化硅上包层上时,中心波长为1548.5,反射率为0.8654,在固定好的GOD上滴加0.5mg/mL~1.5mg/mL的葡萄糖溶液时,中心波长不发生改变,反射率不发生改变,即灵敏度为0。
本发明基于SOI的波导布拉格光栅传感器,创造性地用波导布拉格光栅传感器实现实时检测葡萄糖浓度的变化,测试过程摆脱了用氢氟酸等危险化学品的处理,提高了测试过程的安全性,在结构方面提出了刻蚀上包层进行开窗的结构,此结构的优势在于波导芯层直接接触折射率敏感变化层,提高了葡萄糖检测的效率。在固定葡萄糖氧化酶方面本申请基于硅烷偶联固定方式将浓度为15mg/mL的GOD溶液进行滴加,相较于更普遍的戊二醛固定法此方法更加安全,根据本申请波导的尺寸以及基于SOI的波导布拉格光栅的性质,在进行葡萄糖测试时每滴加一次一定浓度的葡萄糖,清洗一次光栅表面,之后再进行滴加,保证微型器件的检测灵敏度。
本发明的具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,以上内容不应理解为对本发明的限制。本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种任何修改、等同替换或变形等,凡在本申请的精神和原理之内所作的修改、等同替换或变型等均落入由所附权利要求所限定的本发明的保护范围之内。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器,包括硅衬底、在衬底上面的二氧化硅下包层、在二氧化硅下包层上生长单晶硅薄膜以及在单晶硅薄膜上包覆的上包层,其特征在于,制作时在单晶硅薄膜上蚀刻波导布拉格光栅,之后加工上包层,并在波导布拉格光栅的上方进行开窗处理,在开窗部分滴加GOD溶液,构成GOD上包层;所述波导布拉格光栅的作用是反射特定波长的光;所述GOD上包层的作用是在GOD上包层滴加不同浓度的葡萄糖时,其折射率会发生变化,相应的波导布拉格光栅反射的中心波长发生变化,GOD上包层的下表面与波导布拉格光栅的上表面直接接触;
所述波导布拉格光栅包括宽输出波导和双边结构的波导布拉格光栅,双边结构的波导布拉格光栅是由三维结构宽高相同长度不同的矩形平行六面体硅块阵列构成,双边结构的波导布拉格光栅为窄输入窄输出结构,且在双边结构的波导布拉格光栅输出端连接宽输出波导形成一体;所述波导布拉格光栅对应布拉格波长1550nm的周期为380nm,调制深度为275nm,占空比为50%;所述双边波导布拉格光栅的窄波导宽度为550nm,输出波导宽为1100nm;
所述GOD上包层的形成过程是:
使用磷酸盐溶液作为溶剂,配制浓度为15mg/mL的GOD溶液,并向其中加入聚乙二醇混合均匀后备用;
使用99.7%的无水乙醇、去离子水、异丁基三乙氧基硅烷以体积比为78:20:2的比例混合得到硅烷溶液;
使用0.5μL的微量进样器向制作好的波导布拉格光栅表面滴加配制好的硅烷溶液0.1μL,静置10~20分钟,使用干燥剂硅胶干燥12~24h,干燥过程在密封环境下进行,获得硅烷溶液修饰后的表面;
使用0.5μL微量进样器对硅烷溶液修饰后的表面滴加蛋白质交联剂,使光栅表面完整的浸入蛋白质交联剂中,对光栅表面进行进一步修饰,所述蛋白质交联剂由1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺构成;
待光栅表面干燥后立即向光栅表面滴加含有聚乙二醇的浓度为15mg/mL的GOD溶液,固定时间为60分钟,使用磷酸盐溶液冲洗掉剩余未固定的葡萄糖氧化酶后,就完成了葡萄糖氧化酶GOD的固定,此时形成了GOD上包层,葡萄糖氧化酶通过两步修饰能够与光栅表面直接接触,并牢固固定。
2.如权利要求1所述的一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器,其特征在于,所述二氧化硅下包层厚度为3μm,折射率为1.45,所述波导布拉格光栅所在的波导芯层厚度为220nm,折射率为3.46;所述GOD上包层厚度为2μm,折射率为1.3381。
3.如权利要求1所述的一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器,其特征在于,所述波导布拉格光栅首先通过220nm厚的硅刻蚀形成大小不一的矩形六面体硅块,再利用干法刻蚀工艺光刻光栅图案,对上包层进行开窗处理,填充GOD溶液固定形成GOD上包层,所述GOD溶液浓度为15mg/mL。
4.如权利要求1所述的一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器,其特征在于,该传感器进行葡萄糖检测的过程是:将葡萄糖传感器接入光纤光栅耦合平台,宽带光源发出的光经过耦合器进入波导布拉格光栅的输入端,再由波导布拉格光栅因布拉格反射条件反射特定波长的光经宽输出波导、耦合器进入光谱分析仪中;通过逐次滴加0.5mg/mL~1.5mg/mL浓度的葡萄糖溶液来观察光谱分析仪中中心波长的变化,每滴加一次葡萄糖用磷酸盐溶液清洗波导布拉格光栅上表面对应的GOD上包层部分的表面20分钟,获得葡萄糖浓度与中心波长的关系;
根据葡萄糖浓度与中心波长的关系进行葡萄糖浓度的检测。
5.如权利要求1所述的一种基于SOI的波导布拉格光栅葡萄糖传感器,其特征在于,通过滴加0.5mg/mL~1.5mg/mL的葡萄糖溶液与GOD上包层发生反应后引起GOD上包层折射率从1.3381逐渐变为1.3371,中心波长的变化范围为1538.59nm~1538.49nm,最大反射率的变化范围为0.8262~0.8258,灵敏度不大于100pm/(mg/mL)。
CN202210891203.9A 2022-07-27 2022-07-27 一种基于soi的波导布拉格光栅葡萄糖传感器 Active CN114965303B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210891203.9A CN114965303B (zh) 2022-07-27 2022-07-27 一种基于soi的波导布拉格光栅葡萄糖传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210891203.9A CN114965303B (zh) 2022-07-27 2022-07-27 一种基于soi的波导布拉格光栅葡萄糖传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114965303A CN114965303A (zh) 2022-08-30
CN114965303B true CN114965303B (zh) 2022-11-01

Family

ID=82969623

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210891203.9A Active CN114965303B (zh) 2022-07-27 2022-07-27 一种基于soi的波导布拉格光栅葡萄糖传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114965303B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117269079B (zh) * 2023-11-22 2024-02-27 天津工业大学 一种基于soi的跑道型微环葡萄糖传感器及其传感方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004198116A (ja) * 2002-12-16 2004-07-15 Fuji Electric Holdings Co Ltd ブラッググレーティング方式の光導波路型センサおよびその製造方法
CN103926217A (zh) * 2014-04-28 2014-07-16 武汉理工大学 光纤布拉格光栅葡萄糖传感器及其制备方法
CN104316996A (zh) * 2014-11-03 2015-01-28 东南大学 一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器
CN104865223A (zh) * 2015-05-27 2015-08-26 东南大学 一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片及其制备方法
CN108919414A (zh) * 2018-07-02 2018-11-30 中国科学院半导体研究所 一种soi平面波导布拉格光栅及制作方法
CN110515157A (zh) * 2019-09-02 2019-11-29 南京大学(苏州)高新技术研究院 一种片上集成窄线宽反射器波导及其反射器

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5499261A (en) * 1993-01-07 1996-03-12 Sdl, Inc. Light emitting optical device with on-chip external cavity reflector
FR2770938B1 (fr) * 1997-11-10 1999-12-10 Alsthom Cge Alcatel Amplificateur optique semi-conducteur et source laser integree l'incorporant
US7006747B2 (en) * 2003-01-17 2006-02-28 3M Innovative Properties Company Optical devices incorporating photo reactive polymers
US20200003970A1 (en) * 2018-06-29 2020-01-02 University Of Southampton Grating couplers for a silicon on insulator waveguide, and methods of designing, fabricating and using the grating couplers

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004198116A (ja) * 2002-12-16 2004-07-15 Fuji Electric Holdings Co Ltd ブラッググレーティング方式の光導波路型センサおよびその製造方法
CN103926217A (zh) * 2014-04-28 2014-07-16 武汉理工大学 光纤布拉格光栅葡萄糖传感器及其制备方法
CN104316996A (zh) * 2014-11-03 2015-01-28 东南大学 一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器
CN104865223A (zh) * 2015-05-27 2015-08-26 东南大学 一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片及其制备方法
CN108919414A (zh) * 2018-07-02 2018-11-30 中国科学院半导体研究所 一种soi平面波导布拉格光栅及制作方法
CN110515157A (zh) * 2019-09-02 2019-11-29 南京大学(苏州)高新技术研究院 一种片上集成窄线宽反射器波导及其反射器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
表面覆膜波导光栅共振光谱特性及传感机理分析;陈颖等;《光谱学与光谱分析》;20180715(第07期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114965303A (zh) 2022-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110207760A (zh) 同时检测温度与湿度的光纤传感器及其制备方法
CN111965141B (zh) 金纳米球颗粒修饰光纤光栅的葡萄糖传感器的制作方法
Chen et al. U-shape panda polarization-maintaining microfiber sensor coated with graphene oxide for relative humidity measurement
CN114965303B (zh) 一种基于soi的波导布拉格光栅葡萄糖传感器
CN103398974A (zh) 一种光纤传感器、制备方法及测量系统
Pasche et al. Smart textiles with biosensing capabilities
Preejith et al. Total protein measurement using a fiber-optic evanescent wave-based biosensor
Pathak et al. Fabrication and characterization of down-tapered optical fiber pH sensor using sol-gel method
EP2546633A1 (en) Laminated structure for measurement of intensity of reflected light, device equipped with laminated structure for measurement of reflected light, and method for determination of thickness and/or mass and/or viscosity of thin film
Li et al. Micro-cap on 2-core-fiber facet hybrid interferometer for dual-parameter sensing
CN104792731A (zh) 一种基于共振光隧穿效应的液体折射率传感器
CN209978960U (zh) 同时检测温度与湿度的光纤传感器
JP7572244B2 (ja) 干渉計光ファイバセンサ、光ファイバプローブ及び化学物質の検出方法
CN109029797B (zh) 一种测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构
JP5503505B2 (ja) 比色センサセル、比色センサおよび比色センサセルの製造方法
CN102645237A (zh) 化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置
CN100432656C (zh) 分布式光纤模式耦合生化传感器、光纤链路及传感系统
CN109342716B (zh) 基于单模-少模-单模结构的d型光纤传感器
Luo et al. Tapered side-polished microfibre sensor for high sensitivity hCG detection
CN115096341B (zh) 一种侧边对光的复合光纤法布里-珀罗传感器
CN110487729A (zh) 基于石墨烯集成倾斜光纤光栅传感器的高灵敏周期性传感系统
Zhang et al. Dual parametric simultaneous measurement of pH and temperature based on optical fiber interference and silanized pH-responsive hydrogel
CN204101449U (zh) 基于光纤布拉格光栅的链霉亲和素浓度传感器
CN117470806B (zh) 一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器
CN114965450B (zh) 一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant