作者：John Wallace

加拿大國家研究委員會（NRC）的科學家研制的光子生物傳感器陣列芯片包括許多陣列傳感器單元，它們可以同時獨立監(jiān)控不同的分子結合反應。

該單片集成芯片以螺旋硅光子線波導作為其組成單元，因其具有直接傳感分子優(yōu)勢而不是利用熒光標記，因此這種陣列有潛力替代現(xiàn)有的玻璃微陣列（用于基因組學、蛋白質(zhì)組學和藥物篩選）。^[1]此外，NRC的科學家Adam Densmore表示，這種陣列光子線單元具有提供諸如分子鍵強度、結合反應速率和分裂速率等重要信息的能力。

傳統(tǒng)的玻璃微陣列都印有包含不同探針分子的傳感點，這可以用來研究大量的DNA或蛋白質(zhì)的相互作用。被檢測的分子被標記上可以發(fā)射熒光的物質(zhì)，當被照明的時候可以發(fā)出特定波長的光。當載玻片暴露在分析物上后先被清洗，然后再成像，以觀測標記分子是否被粘貼在個別點上。這種方法最初用于定性分析，判斷是否存在目標分子。

基于熒光的探測方法在樣品熒光標記的過程就需要多個步驟，標記物可能干擾系統(tǒng)的結合特性，而且并不是任何時候都可以在特定分子上做標記。

圖：螺旋硅光子線波導單元組成的柵格，以及組成生物傳感陣列的集成微流體通道。上面6個傳感器在實驗中使用，下面3個用于單獨檢測。

Denmore表示，正是由于這個原因才開發(fā)了商用表面等離子共振（SPR）傳感器。與熒光陣列相比，這些傳感器提供了更多的詳細信息，并且可以實時監(jiān)測分子結合反應。然而，盡管目前已經(jīng)有更多復用的系統(tǒng)開始在市場上出現(xiàn)，但是商用SPR傳感器通常只有有限的傳感量，一次只能監(jiān)測一個或幾個結合反應。而且，SPR傳感器在靈敏度方面也存在著一定的限制。

干涉儀陣列

NRC研制的陣列可以提供與SPR探測器同樣多的信息，同時還具有更高的靈敏度。在這個器件上，螺旋硅光子線波導柵格制作在硅絕緣體材料（SOI）上，硅波導寬0.45µm，厚0.26µm （厚度經(jīng)過優(yōu)化，使其對橫磁場波導模靈敏度最大）。利用光學分光器和合光器系統(tǒng)，每個螺旋波導組成獨立的馬赫曾得干涉儀的一個傳感臂（MZI）。

研究人員首先在整個波導結構上沉積一層2µm厚的聚合物作為包層，然后僅去除傳感波導上面的聚合物。接下來再沉積一層50µm厚的聚合物層并形成微流體通道。最后，在包層上面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）。

Denmore說：“盡管PDMS并不具有粘性，但表面張力起了很好的封裝作用。此外，我們的測量系統(tǒng)專為我們的器件而設計，在通道內(nèi)產(chǎn)生負壓，從而增加附著力。這種封裝的強度足以阻止實驗中發(fā)生液體和氣體泄露。并且實驗后可以很容易地清洗掉，然后再利用。”

波長為1560nm的TM偏振態(tài)激光被傳送到陣列的輸入端。使用一個近紅外相機同時監(jiān)測6路輸出波導，信號接近飽和輸出，具有36dB動態(tài)范圍（12位分辨率）。MZI的相移可以通過余弦函數(shù)擬和原始數(shù)據(jù)得到（相移作為變量）。

研究人員對抗體抗原反應進行了實時測量，如兔IgG抗體與抗兔IgG和其他組合受體。每個單元的探測水平相當于表面覆蓋小于0.3 pg/mm²（該值越小越好）。

更大的相移

Denmore表示：“我們的傳感器的單位靈敏度與商用SPR器件相當。這兩者之間最大的不同在于商用SPR系統(tǒng)中使用的表面等離子體在被金薄膜吸收前只能傳輸大約20µm。這個高傳輸損耗限制了這種系統(tǒng)的靈敏度。在光子線波導中，波導模可以在傳輸數(shù)厘米之后仍然具有較小的損耗，因此可以產(chǎn)生更大的相移，從而獲得更高的測量靈敏度。”

Denmore預測0.3 pg/mm²的靈敏度可以通過改進測量硬件得到進一步提高。“而且，使用我們的干涉儀結構，我們可以設計對溫度不敏感的傳感器，這就降低了對高精度溫度穩(wěn)定性的要求。”數(shù)百個螺旋硅光子線波導單元可以集成在一起形成高密度傳感陣列。

參考文獻                                                                            

1 A. Densmore et al., Optics Lett. 34(23) p. 3598 (Dec. 1, 2009).