【资讯】中红外硅波导集成芯片，助力生物分子检测 | 前沿进展

　　导读

　　北京航空航天大学余霞教授课题组与新加坡南洋理工大学王岐捷教授合作，提出一种大芯肋形硅波导集成梯度纳米天线阵列的芯片，实现了硅基片上5~7 μm长波红外宽带范围内的表面增强红外吸收，并且在自主研发的激光光谱平台上实现了蛋白质酰胺I、II带光谱的同步检测。该芯片平台开辟了片上表面增强红外吸收技术在生物分子检测的新领域。相关研究成果以“Broadband Long-Wave Infrared On-Chip Silicon-based Surface-Enhanced Laser Spectroscopy enabled by Gradient Nanoantenna Array”为题，发表在Laser & Photonics Reviews上。

　　研究背景

　　硅基片上表面增强红外吸收(SEIRA)结合了波导表面倏逝波和等离子体共振的光场增强技术，提高了透射光-纳米天线耦合的效率，具有CMOS量产、低成本、高灵敏度等优点，是微量分子检测的前沿技术。然而，由于4 μm以上的二氧化硅包层吸收较强，硅基的平台难以在生物分子指纹特征丰富的4 μm以上中红外波长区域工作。同时，蛋白质等生物分子具有比气体分子更宽的吸收带宽，对低浓度的生物分子检测而言，要求在更宽波段内进行吸收信号增强。因此，实现片上SEIRA的中红外宽带信号增强对生物分子检测具有重要意义。

　　研究创新点

　　鉴于此，该工作提出将梯度纳米天线阵列集成在大芯肋形硅波导上用以实现中红外宽带信号增强，并成功检测了牛血清白蛋白(BSA)的酰胺I、II带激光光谱(图1)。

　　图1 集成梯度纳米天线阵列的硅波导示意图

　　图2 a) 耦合系统示意图。b) 与波导集成在6.1 μm (1639 cm-1 )处的钩形纳米天线对的电场分布增强。c) 钩形纳米天线对结构参数示意图。d) 随钩状宽度hw变化的水样品光谱相对于参考光谱的仿真归一化信号谱。e) 随钩状宽度hw变化的仿真损失参数f和-3/(2α)

　　课题组从波导-纳米天线-分子耦合模型出发，当纳米天线谐振波长接近分子吸收频率时，分子信号增强到最大(图2)。研究人员利用三维时域有限差分法对大芯肋形硅波导集成钩状纳米天线对阵列进行了仿真，纳米天线的钩状宽度在硅平台的中心和边缘形成了一个显著的热点传感区域。纳米天线的参数包括钩状宽度、间隙、长度、宽度和高度共同影响谐振波长、场增强因子以及与硅平台的耦合度。其中，钩状宽度是最重要的参数，因为它对传感面积的影响最大。如图2d所示，通过扫描钩状宽度hw，在水样品的HOH吸收峰(1639 cm-1)处，以样品与参考样品(未加样的芯片)透射谱之比作为水的信号。当钩状宽度hw为0.5 μm时，观察到最大的信号，对应于图3e中f最接近于-3/(2α)的情况。这一结果很好地验证了耦合模型的适用性。

　　图3 a) 芯片随长度 (l)变化的仿真透射谱，红点为不同长度l纳米天线的谐振波长，白线为公式l = 0.1535λ-0.2727拟合曲线。l为纳米天线长度，λ为谐振波长。b) 波导上的一组纳米天线阵列示意图。c) 采用图4b所设计的纳米天线阵列模拟芯片的透射谱和相对于倏逝场强的增强场强度

　　由图3可以看出，纳米天线的谐振波长与长度成正比，这说明可以通过调整长度获得理想的谐振波长。因此，通过沿传播方向线性排列长度梯度增加的纳米天线，可以形成多个谐振峰，从而实现宽带增强。三组纳米天线阵列的透射谱和相对于倏逝场强的增强场强覆盖了5 ~ 7 μm的带宽，与此同时在宽带增强范围内，波导倏逝场增强了1000 ~ 2900倍。

　　图4 a)用玻璃电极注射泵将溶液滴在芯片上的装置照片。b) BSA溶液液滴在波导集成梯度纳米天线阵列芯片上的示意图。c)不同浓度BSA溶液在酰胺II波段的吸收谱。d)不同浓度BSA溶液在酰胺I波段的吸收谱。e)随BSA浓度变化的酰胺II带芯片吸收率。f)随BSA浓度变化的酰胺I带芯片吸收率

　　研究人员结合课题组自主研发的中红外激光光谱仪对所制芯片进行了测试，利用空芯的玻璃电极控制纳升体积的蛋白液体准确定位并载样，图4给出了BSA酰胺I、II带光谱的检测结果，记录背景样品和不同浓度BSA溶液样品的扫描光谱。取1550 cm-1(酰胺 II波段)和1650 cm-1(酰胺 I波段)附近的吸光度峰，得到不同蛋白浓度下芯片的吸收光谱。结果表明，该芯片对牛血清蛋白的吸光度比激光透射技术在酰胺I波段和II波段的吸光度分别高6.6倍和9.6倍。

　　总结与展望

　　综上，该课题组提出了一种低损耗硅波导集成梯度纳米天线阵列芯片，实现了用于长波红外生物分子检测的硅基片上宽带表面增强激光光谱。基于该平台，进一步结合片上激光器、光电探测器和微流控封装技术，有望实现完全集成的片上SEIRA生物分子多元动态监测系统。

　　北京航空航天大学余霞教授为论文通讯作者，硕士生安东来为论文第一作者。该工作得到了国家重点研发计划政府间合作专项以及National Medical Research Council (NMRC) under the Singapore-China joint grant on infectious diseases项目的支持。

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