作者：Gail Overton

    一维光子晶体和光子晶体微腔已经被用于DNA、蛋白质甚至是细菌探测。由于样品不需要用荧光或辐射标记物着色，因此光子晶体是生物传感的绝佳平台。美国罗切斯特大学（Rochester）的研究人员进一步利用这项技术开发了一种中心带有缺陷的二维光子晶体传感器，它可以探测直径为50nm（肝炎病毒）量级和100nm（甲型流感病毒）量级的单个粒子。

    为了实现单粒子探测，必须将靶粒子引导到光子晶体微腔中的缺陷区域内。这种光子晶体结构，是通过对厚度为400nm的绝缘硅（SOI）晶圆进行电子束蚀刻制成的。晶格常数为400nm、孔径为240nm的六边形阵列环绕着一个中心缺陷，这是一个直径为685nm的中心孔。这些参数的选择使得谐振波长恰好处于实验所采用的1440～1590nm的可调谐激光器的波长范围之内。

    一个直径为370nm的乳胶球被俘获在二维光子晶体微腔（上图）的中心缺陷（直径为685nm）中，它导致传感器的光谱特征发生了大约4nm的红移（下图）。增加球体的直径，红移量会继续增大。

    经过聚焦的横向偏振光束由一根锥形透镜保偏光纤输入到二维波导中。透射信号以相似的方式耦合出来，并由铟镓砷（InGaAs）探测器测量，该探测器使用氮冷却系统去除热噪声。准直和辐射损耗控制是利用红外相机实现的。

    在研究人员设计的二维光子晶体波导中，中心缺陷孔的尺寸约为周围阵列小孔的3倍，这样直径与中心缺陷尺寸量级相当的粒子就会被俘获在缺陷内部，其他的粒子则会附着在周围小孔阵列的表面上而不妨碍被测光谱的移位。当一个粒子被俘获在中心缺陷内部时，缺陷孔内很小的折射率变化就会导致器件的光响应发生变化。

    为了演示器件的工作过程，研究人员将一个直径为370nm、折射率约为1.45的乳胶球俘获在微腔的缺陷内部（如图）。比较俘获前和俘获后的光谱特征可以明显看到大约4nm的红移。研究人员还证明了球体在腔内的位置也会对红移量产生影响。

    由于这项技术可以探测直径小于或等于50nm的单个粒子，因此该技术应该也能探测SARS病毒和H5N1型禽流感病毒。尽管将这些粒子输运到中心缺陷中是一项富有挑战性的工作，但是可以在器件中植入膜式过滤器或微流体通道来改善粒子的俘获。

    “我们决定使用SOI上的光子晶体作为平台，是因为它体积小巧，易于实现与其他光学元件的芯片集成，并且它还具有批量生产的潜力，”研究人员 Mindy Lee表示，“我们的第一步工作是证明这种传感器具有探测单个生物分子的灵敏度；而我们的最终目标是为制药工业、临床诊断以及生物安全领域的研究提供无需标记物的解决方案。”

    参考文献：

1.M.R. Lee and P.M. Fauchet, Optics Lett. 32(22) 3284 (Nov. 15, 2007).

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