Excitación de ondas de superficie Bloch basada en acoplamientos de rejilla de matriz de orificios bidimensionales para biodetección altamente sensible

Resumen

En este estudio, se colocó una estructura de rejilla bidimensional (2D) de difracción de superficie en la capa superior de los reflectores Bragg distribuidos (DBR) para la biosensibilidad. La resonancia de la onda de superficie de Bloch (BSW) se realizó acoplando una rejilla de matriz de orificios de sublongitud de onda 2D y podría excitarse en diferentes ubicaciones:la superficie de la capa de rejilla 2D o la interfaz entre el DBR y la solución biológica. Se midieron las pérdidas de material en el dieléctrico multicapa para probar la solidez de este esquema. Tanto la configuración BSW de rejilla de difracción de superficie (DG-BSW) como la configuración BSW acoplada por rejilla guiada alternativa (GC-BSW) mostraron una sensibilidad angular notablemente mejorada en comparación con los esquemas convencionales acoplados por prisma. La excitación de estos modos usando una técnica de acoplamiento de rejilla parece producir diferentes modos de sensibilidad extrema con un máximo de 1190 ° / RIU para DG-BSW y 2255 ° / RIU para GC-BSW. Los sensores de índice de refracción con una alta cifra de mérito se pueden realizar a través de configuraciones tan compactas.

Antecedentes

Los dispositivos fotónicos especialmente diseñados representan la posibilidad de detección selectiva en tiempo real y sin etiquetas de diversas especies químicas y biológicas para una variedad de aplicaciones de investigación médica y monitoreo ambiental y particularmente para la detección óptica de cantidades minúsculas de moléculas en soluciones altamente diluidas [1 , 2,3]. Índices de resonancia de modo de superficie óptica tales como polaritones de plasmón de superficie (SPP) [4, 5, 6], microcavidades [8.1%) semitransparentes y fotovoltaica orgánica colorida. Adv Funct Mater 28 (7):1703398 "href =" / articles / 10.1186 / s11671-019-3159-8 # ref-CR7 "id =" ref-link-section-d213170396e647 "> 7], resonancia en modo guiado [ 8, 9], y las ondas de superficie de Bloch (BSW) [10, 11, 12, 13] se pueden utilizar para distinguir las modulaciones generalmente pequeñas de los parámetros ópticos que reflejan una concentración de biomolécula determinada [14, 15].

La tecnología de detección basada en resonancia de ondas de superficie más popular es el método de resonancia de plasmón de superficie (SPR) [4, 16] que funciona excitando polaritones de plasmón de superficie a lo largo de una interfaz metal / dieléctrico mediante la luz incidente. Desafortunadamente, SPR solo puede ser excitado por luz magnética transversal y la absorción acompañada de una fuerte dispersión es inevitable en los componentes metálicos. La sensibilidad de los biosensores SPR es generalmente del orden de varios cientos de nanómetros por unidad de índice de refracción (nm · RIU ⁻¹ ) [17, 18].

BSW es una alternativa prometedora a los SPP. La tecnología BSW basada en la estructura totalmente dieléctrica de baja pérdida óptica tiene mayor sensibilidad y mejora de campo ajustable que otras ondas superficiales y puede combinarse con diferentes métodos de modificación química de la superficie y mecanismos de detección óptica [19,20,21]. Muchos investigadores han demostrado experimental y teóricamente la superioridad de los sensores BSW sobre los sensores SPP [22, 23]. La sensibilidad de la longitud de onda de los sensores 1D-BSW en una configuración de Kretschmann es de varios miles de nm · RIU ⁻¹ [24, 25]. Investigadores recientes [26] demostraron excitación BSW basada en fibra para la detección de RI con una sensibilidad de aproximadamente 650 nm / RIU para p -luz polarizada y 930 nm / RIU para s -luz polarizada. La mayoría de los sensores basados en cristales fotónicos 1D (1DPC) utilizan complicadas estructuras acopladas a prismas de Kretschmann para excitar BSW. Pocos investigadores han explorado los sensores BSW basados en redes acopladas u otros diseños nuevos para reducir la complejidad de los componentes ópticos a granel. Vijay y col. [27] informó una mayor sensibilidad en un perfil de rejilla de la capa superior evaluado mediante interrogación azimutal; el modo de fuga BSW se localiza principalmente dentro de ranuras muy estrechas que las biomoléculas no penetran fácilmente.

Los dispositivos de rejilla bidimensionales (2D) [28,29,30] tienen un atractivo potencial como sensores RI en miniatura debido a sus grandes áreas de detección y su relativa facilidad de fabricación. Este artículo propone un esquema de excitación alternativo basado en el mecanismo de acoplamiento de rejilla 2D. Un BSW se realiza en el lado de la rejilla depositando matrices de orificios de aire en la superficie de un espejo Bragg, que soporta BSW en ambos lados. Aquí, presentamos una configuración para demostrar simplemente la posibilidad de acoplar un BSW en la punta de la estructura de espejo de Bragg acoplada a rejilla, así como un esquema alternativo que demuestra la influencia de la pérdida dieléctrica disponible. Comparamos el rendimiento óptico de las configuraciones del sensor para la excitación BSW en diferentes ubicaciones, como se explica en detalle a continuación.

Métodos

Caso 1:Configuración BSW de rejilla de difracción de superficie (DG-BSW)

En la Fig. 1 se muestra un diagrama esquemático de la configuración BSW de la red de difracción de superficie. El ángulo de incidencia θ (ángulo entre el haz incidente y Z -eje) y el ángulo azimutal φ (ángulo entre la X negativa -eje y la proyección del haz incidente en el x – y plano) se utilizan para describir la dirección de propagación de la luz incidente. En los cálculos numéricos, usamos un DBR (LH) de cinco períodos ⁵ donde los dieléctricos L tienen un RI de 1,46 (SiO ₂ en la longitud de onda de trabajo de λ ₀ =657 nm) y las capas H están hechas de TiO ₂ con el IR de 2,57. Los RI de ambos TiO ₂ y SiO ₂ en el rango de 0,43 a 0,8 μm se expresan 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)

$$ {n} _ {TiO_2} ={\ left (5.913+ \ frac {0.2441 {\ lambda} ^ 2} {\ lambda ^ 2-0.0803} \ right)} ^ {\ frac {1} {2}} $$ (2)

Diseño BSW de rejilla de difracción de superficie en ( x - y - z ) sistema de referencia. La estructura incluye DBR de pocos períodos, capa de amortiguación y rejilla 2D. El acoplamiento está mediado por una rejilla de difracción 2D con período Λ =510 nm, radio del agujero r =145 nm y espesor h =116 nm. El medio externo se asume como aire ( n _ext =1)

Las partes imaginarias de los índices de refracción se refieren a las pérdidas en las capas dieléctricas. Estas pérdidas incluyen la absorción de material intrínseco y las pérdidas por dispersión en la luz incidente (\ ({\ upgamma} _ {{\ mathrm {SiO}} _ 2} =0 \) y \ ({\ upgamma} _ {{\ mathrm { TiO}} _ 2} ={10} ^ {- 4} \), en este trabajo). El DBR se puede dimensionar en consecuencia como una pila de un cuarto de longitud de onda para un ángulo de incidencia en la longitud de onda operativa. Los espesores de las capas correspondientes son respectivamente d _L =100 nm y d _H =70 nm.

Para fabricar el sensor BSW de rejilla de difracción de superficie, una capa de nitruro de silicio (Si ₃ N ₄ ) se depositó en la parte superior del DBR con un patrón de orificios de ventilación [31, 32] para formar la capa de rejilla. Una capa tampón de 60 nm que también está hecha de compuestos de índice de refracción bajo (SiO ₂ ) se insertó entre el espejo de Bragg y la rejilla de matriz de orificios de sub-longitud de onda. La capa de rejilla está diseñada para acoplar las iluminaciones que se propagan al modo BSW. Como se describió anteriormente, la rejilla es esencialmente una matriz periódica en 2D de características estructurales hechas de orificios de ventilación. En las simulaciones numéricas que se describen a continuación, solo las dimensiones físicas de la rejilla (período Λ , radio del agujero r y espesor h ) se ajustaron para excitar BSW en diferentes condiciones de iluminación y optimizar los perfiles de reflexión.

Bajo la rejilla de matriz de orificios optimizada, cuando se excita BSW, la reflexión de la configuración rejilla-Bragg forma perfiles resonantes típicos de Fano [33] con picos agudos. Las ubicaciones de los picos indican el RI de la región que se va a probar. El proceso de fabricación es simple y compatible con las tecnologías de fabricación de MEMS existentes, lo que hace que el dispositivo propuesto se pueda producir en masa y se integre fácilmente en biochips para la detección multiplexada a bajo costo. Realizamos los cálculos descritos aquí con Diffract MOD integrado en RSoft Photonics Suite, que se basa en el método riguroso de análisis de ondas acopladas (RCWA) [34, 35] y contiene varios algoritmos avanzados con armónicos de Fourier que describen funciones dieléctricas periódicas.

La Figura 2 muestra la distribución del campo eléctrico simulado para s -luz polarizada cuando el RI circundante es 1. La línea punteada en la Fig. 2 marca la interfaz rejilla-aire; z =0 es la otra superficie lateral del sensor BSW de rejilla de difracción. Como muestra la figura, el campo eléctrico se mejora fuertemente cerca de la interfaz y la profundidad de penetración BSW alcanza casi 200 nm en el aire. La intensidad del campo local es 42 veces la intensidad máxima de la luz incidente en un ángulo polar de θ =4,3 ° y dominio del ángulo azimutal de aproximadamente φ =12 °.

Distribución de campo eléctrico calculada para s -luz polarizada en resonancia donde la onda superficial se excita solo en la superficie superior. La línea punteada blanca representa la rejilla 2D, la capa de amortiguación y las capas DBR. La intensidad de campo del modo BSW (región amarilla) se concentra en los orificios de ventilación

Aunque la estructura propuesta puede, teóricamente, proporcionar excitación BSW en el modo de red de difracción de superficie, existen efectos relacionados con el proceso de detección que merecen una consideración cuidadosa. Como se muestra en la Fig. 2, el campo fuerte se concentra en las pequeñas aberturas de la rejilla de la matriz de orificios. El analito en el aire no puede penetrar fácilmente en los orificios de pequeño tamaño, por lo que se acumula por encima de la rejilla. La disminución de la concentración de analito en los orificios provoca una pequeña perturbación en el índice de refracción, que reduce el límite de detección y la sensibilidad del sensor BSW. La integración de un dispositivo de iluminación de luz incidente y una capa de detección también dificulta la fabricación del sensor en el chip; además, es muy difícil estimar la interacción entre ellos. Exploramos una configuración alternativa para superar estas desventajas mientras se conserva la distribución del campo eléctrico que decae exponencialmente.

Caso 2:Configuración BSW de acoplamiento de rejilla guiada alternativa (GC-BSW)

En el esquema propuesto, la región de detección se mueve ahora a la parte inferior del sensor BSW acoplado a la rejilla, evitando así cualquier efecto perjudicial relacionado con la penetración de la estructura de la rejilla de la superficie (Fig. 3). Los materiales para el DBR, la capa amortiguadora y la rejilla son similares a los descritos anteriormente. A diferencia del sensor DG-BSW, el inferior TiO ₂ el espesor de la capa se redujo de 70 a 30 nm.

Diagrama esquemático 3D del sensor de resonancia BSW acoplado a rejilla bajo iluminaciones azimutales ( φ ) en ( x - y - z ) sistema de referencia que incluye ángulo de incidencia ( θ _inc ), reflexión de orden cero ( R ₀ ) y parámetros de rejilla 2D ( Λ , r , h ). La región de detección se encuentra en la parte inferior del sensor BSW acoplado a la rejilla

Colocamos una capa de bio-solución con RI cerca de 1.333 (agua pura) adyacente al índice de refracción más alto (TiO ₂ ) capa, donde el espesor de la región a sondar es de 2 μm. No necesitábamos controlar con precisión el grosor de la capa de detección en este caso, porque la superficie exterior de la región sondada no afecta significativamente la excitación del modo BSW. La resonancia se forma como s -La luz polarizada incide sobre el DBR a través de la rejilla en un cierto ángulo, y se producen múltiples reflejos en la capa inferior del defecto formada por la solución a ensayar. La estructura del estado del defecto de la superficie altera la distribución del campo electromagnético en la parte inferior del DBR debido a la resonancia de la onda de la superficie, y múltiples reflejos en la capa del defecto forman una interferencia coherente. El campo electromagnético se mejora localmente y puede actuar completamente sobre las moléculas de muestra que se van a analizar.

Descubrimos que las características de sensibilidad durante el monitoreo dinámico de la solución que se va a probar pueden mejorarse mediante el esquema propuesto. Al igual que los SPP, los BSW se localizan en el borde de truncamiento del 1DPC, en la interfaz con el medio externo. Los parámetros de diseño de la rejilla 2D son los mismos en el esquema propuesto que la configuración anterior (DG-BSW): Λ =510 nm, r =145 nm y h =116 nm. Como se analiza en detalle a continuación, comparamos las características de los sistemas dieléctricos resonantes multicapa DG-BSW y GC-BSW. Nuestro diseño de rejilla de matriz de orificios no solo reduce el costo de fabricación, sino que también proporciona un entorno relativamente justo para la comparación del rendimiento del sensor.

Resultados y discusión

Diseñamos estructuras BSW optimizadas bajo los dos conjuntos de condiciones de detección como se muestra en las Figs. 1 y 3 con s -luz polarizada en ambos casos. Las curvas de reflectividad de estos modos en función del ángulo de incidencia y la longitud de onda se muestran en la Fig. 4a yb, respectivamente. Las cajas DG-BSW y GC-BSW tienen características de resonancia nítidas en su excitación tanto en función del ángulo como de la longitud de onda. En el dispositivo DG-BSW, cuando la longitud de onda incidente es de alrededor de 660 nm, apareció un pico de caída pronunciada en θ =4,3 ° por interrogación del ángulo de incidencia. En el dispositivo GC-BSW, el ángulo de resonancia θ =7 ° corresponde a una longitud de onda incidente de 633 nm. Descubrimos que aunque un pico resonante con un factor de calidad superior Q (> 10 ³ ) El valor se puede obtener optimizando los parámetros del dispositivo, la sensibilidad de la longitud de onda y la sensibilidad del ángulo del sensor BSW alcanzaron solo alrededor de 100 nm / RIU y 280 ° / RIU bajo iluminaciones no azimutales. Nuestras simulaciones 3D RCWA son consistentes con la literatura [24]. Tomamos en consideración la libertad de diseño novedosa, el ángulo azimutal φ , en consecuencia.

Ola de superficie de Bloch en φ =0 °. Las curvas azul y roja representan la reflectancia BSW en función del ángulo de incidencia ( a ) y longitud de onda ( b ) para configuraciones DG-BSW y GC-BSW, respectivamente

El reflejo simulado del sensor GC-BSW diseñado para trabajar cerca de θ =7 ° y φ =10 ° se muestra en la Fig. 5a. El acoplamiento BSW ocurre en áreas muy estrechas con una intensidad reflectante relativamente baja (regiones blancas en la Fig. 5a). Cada ángulo polar tiene un ángulo azimutal correspondiente que satisface las condiciones de coincidencia para excitar el BSW. El modo BSW en la heteroestructura decae lentamente a medida que aumentan los ángulos polar y azimutal, luego desaparece cerca de θ =7,6 ° y φ =12 °. Teniendo en cuenta la dificultad de la monitorización de ángulos pequeños, elegimos un ángulo relativamente grande para acoplar el BSW. El pico de resonancia es insensible a los cambios de ángulo polar pero muy sensible a los cambios de ángulo azimutal. Calculamos la distribución del campo eléctrico del punto de muestra ( θ =7 °; φ =9,82 °) para reconocer la resonancia (Fig. 5b). La intensidad decae hacia la interfaz rejilla / aire y el campo oscila muchas veces a lo largo de la estructura periódica y se forman cinco picos en la interfaz dieléctrica del índice de refracción L-H. La línea de puntos de color verde claro en la Fig. 5b representa la distribución del índice de refracción del sensor GC-BSW en la Z -Dirección del eje. Descubrimos que la intensidad del campo magnético en la solución biológica decae gradualmente a lo largo de la Z -dirección, ya que la interacción entre la luz y la solución disminuye con la distancia desde la capa truncada. La profundidad de penetración BSW alcanzó 2 μm dentro de la solución, que es diez veces mayor que en la configuración DG-BSW.

un Reflexión del sensor GC-BSW versus ángulos azimutales y polares. BSW creado por iluminaciones ( λ ₀ =633 nm) cerca de θ =7 ° y φ =10 °. El acoplamiento BSW ocurre en áreas muy estrechas (región blanca) con una intensidad reflectante relativamente baja. b Campo eléctrico (línea negra) y distribución del índice de refracción (línea punteada verde oscuro) dentro de las configuraciones de detección (modo caso 2). c x - y d x - z Vistas en plano del mapa de magnitud del campo eléctrico, calculado en la longitud de onda operativa λ ₀ =633 nm. La línea de puntos blanca indica la ubicación de los agujeros en el campo eléctrico

Las figuras 5c yd muestran mapas de magnitud de campo eléctrico en x - y y x - z planos, respectivamente, calculados a la longitud de onda operativa λ ₀ =633 nm . Los resultados de la Fig. 5b yd están muy de acuerdo. La distribución de campo en la solución / TiO ₂ La interfaz afecta en gran medida el rendimiento general del sensor GC-BSW a través de la integral de superposición entre el campo evanescente y la distribución espacial de la constante dieléctrica de la región de detección. Investigamos los efectos del ángulo polar en los espectros de reflexión azimutal en la configuración GC-BSW probando ángulos polares θ de 6,92 °, 6,94 °, 6,96 °, 6,98 °, 7 ° y 7,02 °. Para evaluar la alta sensibilidad, también determinamos el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) del buzamiento resonante y la altura del pico del buzamiento. Como se muestra en la Fig.6, las formas típicas de líneas simétricas emergieron como el ángulo azimutal θ aumentado. La altura del pico de resonancia aumentó a medida que disminuyó el pico de resonancia FWHM. En un ángulo polar más grande, la resonancia BSW se desplazó hacia un ángulo azimutal más grande debido al efecto de coincidencia del vector de onda.

Espectros de reflectancia azimutal para diferentes ángulos de incidencia θ . Las formas típicas de líneas simétricas emergen como un ángulo azimutal θ aumenta. Las resonancias BSW cambian a ángulos azimutales más altos debido al efecto de coincidencia del vector de onda

Los materiales sin pérdidas (es decir, aquellos con valores cero para los coeficientes de extinción κ) se asumen en la mayoría de las simulaciones numéricas [24, 25, 30]. Sinibaldi y col. [36] estudió la influencia de las pérdidas de material en el rendimiento de los sensores BSW para encontrar que el coeficiente de extinción de las capas de índice alto κ _H afecta solo ligeramente las características de resonancia; introdujeron una extinción κ _L =10 ⁻⁴ a las capas de índice bajo calculadas mediante el método de matriz de transferencia (TMM). Los materiales con pérdidas son necesarios para observar una caída en el espectro de reflectancia [22].

Para estudiar la influencia de la pérdida, evaluamos los espectros de reflexión azimutal de las estructuras DG-BSW y GC-BSW (Figs. 1 y 3) con y sin considerar la pérdida como se muestra en la Fig. 7. En nuestro caso, TiO sin pérdidas ₂ los materiales pueden excitar el pico de caída BSW en el espectro de reflexión. Las pérdidas en el DBR degradan la forma de la línea BSW obtenida en el caso sin pérdidas. Analizamos el efecto de perturbación inducido por valores distintos de cero para κ en las resonancias. En el caso de DG-BSW, el FWHM de las resonancias primero disminuyó y luego aumentó a medida que el coeficiente de extinción aumentó de 0 a 10 ⁻³ , mientras que la profundidad de resonancia hizo lo contrario. Logramos la forma óptima de la línea de resonancia BSW cuando el coeficiente de extinción κ alcanzó 10 ⁻⁴ . La resonancia disminuyó rápidamente a medida que los coeficientes aumentaron aún más (κ _H =10 ⁻² ). En la configuración GC-BSW, el ancho de línea aumentó lentamente a medida que κ _H aumentó al igual que el valor pico de resonancia BSW. La caída de resonancia se hizo más amplia a medida que aumentaban las pérdidas de energía dentro del biosensor.

un Variaciones de la forma de la línea de resonancia para la configuración DG-BSW y los coeficientes de extinción κ _H =0 (sin pérdidas), 2 × 10 ⁻⁴ , 10 ⁻⁴ , 10 ⁻³ , 10 ⁻² . b Variaciones para la configuración GC-BSW. TiO ₂ sin pérdidas Los materiales excitan el pico de inmersión BSW en el espectro de reflexión. Los valores del coeficiente de extinción suprimen el borde de la banda de resonancia BSW

Nuestros resultados sugieren que TiO ₂ sin pérdidas los materiales producen una resonancia BSW óptima. Al considerar la pérdida, una parte imaginaria tan grande como 10 ⁻³ puede suprimir la amplitud de la reflexión y el Q de la resonancia sin afectar la posición del pico. Nuestras simulaciones también mostraron que los valores del coeficiente de extinción juegan un papel vital en la determinación del compromiso óptimo entre la profundidad y el ancho (es decir, FWHM) de la resonancia BSW.

El objetivo principal de este estudio fue establecer un esquema de diseño para plataformas de detección sin etiquetas basadas en una rejilla 2D para excitar a los BSW, por lo que continuamos explorando ubicaciones de detección para optimizar y mejorar su rendimiento como sensor RI. Los biosensores RI generalmente están diseñados para detectar pequeñas modulaciones del índice de refracción causadas por variaciones en las relaciones de concentración de biomoléculas. Por lo tanto, consideramos la sensibilidad azimutal (\ ({\ mathrm {S}} _ {n _ {\ mathrm {bio}}, \ varphi} \)) un observable significativo:

$$ {\ mathrm {S}} _ {n _ {\ mathrm {bio}}, \ varphi} =\ frac {\ varDelta \ varphi} {\ varDelta {n} _ {\ mathrm {bio}}} $$ ( 3)

donde Δφ es el cambio en el ángulo azimutal y Δn _biografía es el cambio en el índice de refracción de la capa de detección. Las curvas de reflectividad en función del ángulo azimutal para diferentes valores de biomoléculas se muestran en la Fig. 8. Para la configuración DG-BSW, la longitud de onda ( λ ₀ ) y ángulo de incidencia ( θ ) se fijan a 657 nm y 4,3 ° respectivamente (Fig. 8a); para la configuración GC-BSW, λ ₀ =633nm y θ =7 ° (figura 8b). Cuando el índice de refracción de las biomoléculas cambia uniformemente, los picos de resonancia BSW cambian al azul en ambos casos. Es decir, un pequeño cambio en el valor del índice de refracción ( Δn _biografía =0,0005) hace que el cambio angular azimutal entre los picos de resonancia se haga más grande en ángulos azimutales pequeños.

Curvas de reflectividad en función del ángulo azimutal para diferentes valores de solución. un Configuración DG-BSW, donde la longitud de onda ( λ ₀ ) y ángulo de incidencia ( θ ) se fijan a 657 nm y 4,3 °; b para la configuración GC-BSW, λ ₀ =633 nm y θ =7 °

También comparamos las características de detección de las configuraciones DG-BSW y GC-BSW para predecir la sensibilidad (barra negra) y FWHM (barra roja) como se muestra en la Fig. 9 como una función del índice de refracción circundante (SRI). Descubrimos que tanto la sensibilidad como la FWHM aumentaban monótonamente a medida que aumentaban las variaciones de biomoléculas. La sensibilidad de la configuración GC-BSW fue aproximadamente el doble que la del DG-BSW, mientras que el FWHM de las resonancias fue más estrecho en GC-BSW que en DG-BSW.

Características de detección del DG-BSW ( a ) y GC-BSW ( b ) configuraciones:sensibilidad prevista y FWHM en función del SRI. La sensibilidad de la configuración GC-BSW es aproximadamente el doble que la del DG-BSW

La figura de mérito (FOM) [25] es otro indicador importante del rendimiento del sensor. FOM se puede mejorar en el sensor RI disminuyendo FWHM, aumentando la sensibilidad espectral S [° / RIU], o ambos, como FOM∝S / FWHM. La FOM de muchos sensores ópticos está limitada por una compensación intrínseca entre la sensibilidad espectral y la FWHM. La sensibilidad azimutal alcanzó 1190 ° / RIU para el caso DG-BSW y 2255 ° / RIU para GC-BSW en la extensión máxima (Ec. (3)). Esto implica que el sensor GC-BSW tiene una superposición más cercana entre el modo resonante y la capa de detección que DG-BSW. Los cálculos también apoyan los resultados mostrados en las Figs. 2 y 5b, donde la capa de detección del GC-BSW tiene una mayor profundidad de penetración del campo de luz que conduce a una mayor sensibilidad que el DG-BSW.

Vale la pena señalar que la sensibilidad de ambas configuraciones de BSW que probamos es un orden de magnitud mayor que la del esquema convencional basado en prismas (ver Tabla 1). A diferencia de cualquier diseño de biosensor basado en excitación acoplada a prisma, no existe un límite estricto de índice de refracción para el compuesto dieléctrico utilizado en configuraciones DG-BSW o GC-BSW [37,38,39,40,41,42]. Al escalar los parámetros de la rejilla 2D y DBR correctamente, las configuraciones de sensor propuestas se pueden realizar de manera efectiva en cualquier rango de longitud de onda.

Conclusiones

En este estudio, exploramos las configuraciones de rejilla 2D de difracción de superficie y las aplicaciones de detección. Construimos una heteroestructura dieléctrica multicapa a partir de una rejilla de matriz de orificios de sublongitud de onda y una reflexión de Bragg distribuida (DBR) con pocos períodos ( N =5) para realizar resonancias BSW de alta sensibilidad con bandas laterales bajas. Se diseñó una configuración DG-BSW de superficie y un esquema GC-BSW guiado alternativo basado en la metodología RCWA. Se logró una sensibilidad teórica de 2255 ° / RIU con un pequeño ángulo polar de la iluminación (<10 °) y barridos del ángulo azimutal alrededor de los mismos valores. La sensibilidad angular fue un orden más alta que la de los sensores basados en iluminaciones polares acopladas a prismas (generalmente no mayor a 300 ° / RIU). El sensor GC-BSW optimizado mostró un aumento particularmente grande en la sensibilidad (doble) y una resonancia BSW más estrecha en comparación con el biosensor DG-BSW. Ambas plataformas de sensores acoplados a rejilla 2D probadas en este estudio muestran un factor de calidad bajo en comparación con los sensores RI BSW tradicionales, pero pueden mejorarse ajustando el período ( Λ ), radio del agujero ( r ) y grosor ( h ).

Los esquemas propuestos para excitantes ondas superficiales de Bloch, DG-BSW y GC-BSW, representan configuraciones compactas de nueva clase para biosensores altamente sensibles y pueden brindar una valiosa oportunidad para diseñar tecnologías de “laboratorio en chip” a nanoescala en el futuro.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Abreviaturas

1DPC:: Cristal fotónico 1D
2D:: Dos dimensiones
BSW:: Ondas de superficie de Bloch
DBR:: Reflectores distribuidos de Bragg
DG-BSW:: Rejilla de difracción BSW
FOM:: Figura de mérito
FWHM:: Ancho completo a la mitad del máximo
GC-BSW:: BSW acoplado a rejilla
P:: Factor de calidad
RCWA:: Análisis riguroso de ondas acopladas
RI:: Índice de refracción
S:: Sensibilidad
SPP:: Polaritones de plasmón de superficie
SPR:: Resonancia de plasmón superficial
TMM:: Método de matriz de transferencia

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