近年來，微光子技術(shù)的進步通過開發(fā)芯片級傳感器在生物傳感和氣體傳感領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。通過集成微光子學(xué)實現(xiàn)這些目標需要優(yōu)化波導(dǎo)架構(gòu)，以最大限度地發(fā)揮光與物質(zhì)的相互作用，狹縫波導(dǎo)（slot waveguides）有效地解決了這一挑戰(zhàn)。光子狹縫波導(dǎo)通過將光場限制在低折射率區(qū)域來增強光與物質(zhì)的相互作用，使其在檢測廣泛的生物和化學(xué)分析物方面非常有效。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，意大利巴里理工大學(xué)（Polytechnic University of Bari）和西班牙馬德里理工大學(xué)（Universidad Politécnica de Madrid）的研究團隊綜述了光子狹縫波導(dǎo)在生物傳感和氣體傳感中的應(yīng)用，展示了其集成到片上（on-chip）平臺的能力，這些平臺通常用于增強靈敏度和特異性的即時檢測（point-of-care testing）。該綜述還探討了這些波導(dǎo)在如液體活檢、呼吸分析和呼吸活檢等無創(chuàng)診斷方法中的潛力，為早期疾病檢測和監(jiān)測開辟了新的途徑。通過總結(jié)近期研究進展并概述未來的方向，該綜述凸顯了光子狹縫波導(dǎo)在推進片上傳感技術(shù)在多個領(lǐng)域的變革潛力。相關(guān)研究內(nèi)容以“On-Chip Biosensing and Gas Sensing by Photonic Slot Waveguides: A Review”為題發(fā)表在IEEE Sensors Journal期刊上。
圖1總結(jié)了用于生物傳感和氣體傳感的光子狹縫波導(dǎo)研究的里程碑和關(guān)鍵方向。圖2(a)展示了狹縫波導(dǎo)在SOI（Si/SiO?）材料體系中的典型架構(gòu)。在生物傳感和氣體傳感應(yīng)用中，通常填充狹縫的波導(dǎo)包層是分散有分析物的液體溶液或是氣體混合物。盡管垂直狹縫波導(dǎo)（如圖2(a)）已被證明在諸多應(yīng)用領(lǐng)域具有高度通用性，但近年來已經(jīng)提出多種替代架構(gòu)，具體如圖3所示。
圖1 用于生物傳感和氣體傳感的光子狹縫波導(dǎo)領(lǐng)域的里程碑和成就
圖2 典型的狹縫波導(dǎo)架構(gòu)
圖3 狹縫波導(dǎo)的多種替代架構(gòu)的橫截面
生物傳感應(yīng)用
自從被發(fā)明以來，狹縫波導(dǎo)已被廣泛用于開發(fā)和演示生物傳感器的集成微光子換能器。在此應(yīng)用中，狹縫波導(dǎo)已被證明優(yōu)于傳統(tǒng)的條形波導(dǎo)。這種優(yōu)越的性能源于其顯著增強了低折射率狹縫區(qū)域的光場，該區(qū)域包含敏感元件并充滿目標流體-液體樣品。本綜述主要根據(jù)生物傳感器所基于的折射換能架構(gòu)類型進行總結(jié)，同時也考慮了基于其它換能方法的生物傳感器，主要涉及類型有：微環(huán)諧振器（Microring Resonators，如圖4）、干涉儀（Interferometers）、光子晶體（Photonic Crystals）、布拉格光柵（Bragg Gratings）、其它折射換能架構(gòu)以及非光折射架構(gòu)（Nonrefractometric Configurations）。
圖4 芯片實驗室系統(tǒng)中的狹縫波導(dǎo)生物傳感器陣列
氣體傳感應(yīng)用
基于集成微光子學(xué)的片上氣體傳感由于其高靈敏度、緊湊性和與其他電子及光子系統(tǒng)無縫集成的能力而備受關(guān)注。基于狹縫波導(dǎo)的氣體傳感器是一種極具前景的片上光學(xué)氣體傳感器，它利用了上述狹縫波導(dǎo)的獨特特性來增強光與物質(zhì)的相互作用。狹縫波導(dǎo)傳感器的高靈敏度對于需要檢測低濃度氣體的應(yīng)用尤為寶貴。迄今為止，在基于狹縫波導(dǎo)的片上氣體傳感領(lǐng)域最令人矚目的成果之一已在相關(guān)研究中被報道：利用中紅外（IR）狹縫波導(dǎo)的甲烷傳感的先進方法，實現(xiàn)了0.3 ppm的檢測限（LoD）（如圖5）。
圖5 檢測限0.3 ppm的狹縫波導(dǎo)氣體傳感器芯片的組件和特性表征
綜上所述，將光子狹縫波導(dǎo)集成到芯片級傳感器中已被證明是一種適用于生物傳感和氣體傳感應(yīng)用的通用平臺，可實現(xiàn)緊湊型、低成本且高靈敏度的器件開發(fā)。針對特定應(yīng)用定制波導(dǎo)設(shè)計的能力進一步增強了其應(yīng)用潛力，使其成為未來片上傳感解決方案中極具前景的技術(shù)。除了醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測之外，這類傳感器在食品安全、國土安全以及其他需要靈敏、實時檢測能力的領(lǐng)域也具有廣闊應(yīng)用前景?；诠庾营M縫波導(dǎo)的傳感技術(shù)的未來發(fā)展應(yīng)考慮分析物基質(zhì)（例如氣體、液體、水、等離子體、濕度）對各種傳感機制（例如諧振器、干涉儀和光子晶體）的影響，以優(yōu)化不同應(yīng)用場景中傳感器的性能。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3490256
