塑料光栅生物传感器的传感特性分析

龚冬梅，孙小芳，王巨峰，庄琳玲

（华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门361021）

生物传感器是由敏感元件产生信号并对信号加以处理的生物量转换元件，其中敏感元件是传感器的核心.目前，生物传感器主要有光学生物传感器［1］、电化学生物传感器［2］、测热型生物传感器［3］、半导体生物传感器和测声型生物传感器［4］等.近年来，光学生物传感器的发展较为迅速［5］.在众多光栅应用中，光栅传感器的研究一直是光学传感器的研究热点，如光纤光栅传感器［6-8］、光栅位移传感器［9］、光栅表面等离子体共振传感器［10］.光学塑料具有很多潜在的优点，如成本低廉、工艺简单和光学性能优良等.利用光学塑料制作微纳结构光栅正在受到人们越来越多的重视［11-13］.刘畅等［14］将塑料CD光盘光栅用于表面等离子体共振（SPR）传感器，使SPR传感器制作成本降低.本文基于塑料矩形光栅制作生物传感器，以微量葡萄糖作为检测样本，分析传感器的检测灵敏度和线性传感特性.

1 实验原理及装置

塑料光栅生物传感器原理，如图1所示.矩形光栅凹槽内为生物分子介质，光从光栅底垂直入射，设光栅槽深为h，周期为Λ，光栅凹槽内生物分子介质厚度为t，塑料基板折射率为n1，生物分子折射率为n2，则光线1和光线2通过光栅时产生的相位差为

图1 塑料矩形光栅生物传感器原理图Fig.1 Schematic diagram of plastic rectangular grating bio-sensor

根据文献［15］可知：矩形光栅衍射效率一般表达式为

由此可得，垂直入射下占空比ρ＝0.5的光栅衍射效率为

式（3）中：m为衍射级次.

由式（3）可得光栅0级和1级衍射效率之差为

当光栅凹槽内充满生物分子介质时，即t＝h，则式（4）变为

从式（4）可知：当生物分子介质折射率n2已知时，通过测量光栅0级和1级衍射效率之差D0-1可求得生物分子介质厚度t，称为厚度法.对于未知折射率n2的生物分子介质，可通过测量D′0-1，再由式（5）求得n2，称为折射率法.

实验装置主要包括半导体激光器（LD）、分光镜、柱面透镜、光学衰减器、线阵CCD传感器和数据处理模块，如图2所示.绿光LD的532 nm波长激光束经分光镜无转折地进入柱面透镜，红光LD的650 nm波长激光束经分光镜转折90°后进入柱面透镜.从YZ平面看，激光束经柱面透镜后仍保留原来光束宽度不变，垂直入射塑料光栅后衍射产生0级和±1级光束，经过光衰减器到达线阵CCD传感器探测面.从XZ平面看，柱面透镜将激光束会聚于塑料光栅上，由于激光束扇形平面与光栅方向平行，透过光栅后仍保留原来扇形形状不变，在探测面上（XY平面）形成长条状光斑，容易被线阵CCD探测到，避免了线阵CCD探测面的光束对准问题（图3）.CCD的光强度响应灵敏度高，响应近似为线性响应，线性拟合相关系数可达0.999［16］.

采用离子刻蚀［17］石英模板结合热压印方法制作低成本塑料矩形光栅［18］.石英模板的光栅表面为矩形，光栅常数10μm量级，塑料基板为聚碳酸酯，当石英模板光栅凹槽深度为百纳米量级时，复制出的塑料矩形光栅表面也具有矩形结构.样品池为与光栅同质塑料圆环，紧密粘贴在光栅表面，样品池内径3 mm，高度2 mm，取样体积14.14μL，如图3所示.

图2 实验装置原理图Fig.2 Schematic diagram of experimental device

图3 CCD探测面上的衍射光斑及输出信号波形图 Fig.3 Diffraction pattern on the surface of CCD chip and the waveform of output signal

2 实验结果与分析

2.1 葡萄糖沉积膜厚度测量的传感特性

为了检验测量方法的可行性，通过测量葡萄糖溶液蒸发沉积膜的厚度进行浓度测量.由于固体葡萄糖的折射率基本固定，可当作折射率已知，适用于式（4）.对于相同体积的葡萄糖溶液，在光栅凹槽内的沉积厚度与溶液浓度成正比，因此沉积膜厚度测量与溶液浓度测量具有相同的传感特性.实验前，用去离子水配制浓度c分别为100，200，…，900μg·d L-1的葡萄糖溶液作为待测介质，分别注入塑料光栅传感器样品池中（图4），样品池内溶液经过加温蒸发沉积，在光栅凹槽内形成纳米厚度葡萄糖薄膜，光栅凹槽深度为300 nm.为了保证葡萄糖溶液只沉积在光栅凹槽内，蒸发过程中样品池始终保持微振动状态，同时注入的葡萄糖溶液均充满样品池，使每次测量溶液体积一致.

图4 塑料光栅传感器样品池结构Fig.4 Structural schematic of the sample cell of plastic grating sensors

用650 nm激光测量衍射效率差D0-1（用输出电压值表示）与葡萄糖溶液浓度c的关系曲线，如图5所示.图5中：每个测量点为3次测量的平均值.根据图5中数据计算可得：葡萄糖溶液浓度每改变100 μg·d L-1，对应输出电压改变14.06 m V，可见塑料光栅传感器测量系统具有很高的灵敏度，测量灵敏度优于100μg·d L-1.实验曲线同时证明了传感器具有很好的线性响应.

2.2 葡萄糖溶液折射率测量法的传感特性

分别配制成浓度为100，200，…，900 mg·d L-1的葡萄糖溶液，注满样品池中，盖上玻璃盖板，使玻璃盖板的下表面与溶液完全接触.在25℃室温下测量衍射效率差D0-1与葡萄糖溶液浓度的关系曲线，如图6所示.图6中：用650 nm激光测量，光栅凹槽深度为542 nm.比较图5和图6可知：与厚度测量法相比，折射率测量法的灵敏度低了3个数量级，其灵敏度为葡萄糖溶液浓度每改变100 mg·d L-1，对应衍射输出电压差变化22.53 m V.

图5 厚度法测量葡萄糖溶液浓度的实验结果Fig.5 Experimental results of glucose concentration by thickness measurement

图6 折射率法测量葡萄糖溶液浓度的实验结果Fig.6 Experimental results of glucose concentration by refractive index measurement

2.3 结果分析

生物分子的检测通常在溶液中进行，并且以分子在溶液中的浓度加以表示.通过比较厚度法和折射率法测量葡萄糖溶液浓度的实验，可以看到厚度法比折射率法具有更高的灵敏度.这是因为被测介质在厚度法中全部进入光栅凹槽中，而折射率法中样品池里只有少量被测介质在光栅凹槽中，在光栅中产生的光程差差别较大，所以前者的测量灵敏度明显高于后者.厚度法测量葡萄糖溶液浓度需要经过蒸发过程，实验操作复杂，测量周期长.如果要提高折射率法的测量灵敏度，可通过增加光栅凹槽深度的方法，如为了制作上容易实现，可采用粗光栅结构.

由于温度不但会影响葡萄糖溶液和沉积膜层的折射率，还会影响测量电路的稳定性，上述实验结果均是在相同环境温度下测量得到的.因此，实验曲线要在相同实验条件下才具有普适性，且不同分子溶液的测量曲线也不同.实验发现图5和图6的测量曲线位置对光栅刻槽深度很敏感，所以要求光栅刻槽深度的制作精度很高，这是矩形光栅作为生物传感器的不足之处.

3 结论

采用塑料光栅作为生物传感器的载体元件，通过分析塑料光栅0级和1级衍射效率之差与光栅凹槽深度、介质厚度和折射率的关系，得到塑料光栅生物传感器的厚度法和折射率法传感特性公式.实验制作了塑料光栅生物传感器测量装置，以葡萄糖溶液为样本，测试了不同浓度的葡萄糖溶液.

实验结果表明：测量葡萄糖溶液浓度时传感器在所测量的范围内具有很好的线性响应，且厚度法比折射率法具有更高的灵敏度，测量灵敏度优于100μg·d L-1.塑料光栅作为生物传感器的载体元件，具有制作成本低，完全非接触测量对被测样本无损伤，敏感元件体积小，所需被测样品少等优点，同时采用衍射光强差测量方法，检测容易，设备简单.

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