作者：John Wallace

加拿大国家研究委员会（NRC）的科学家研制的光子生物传感器阵列芯片包括许多阵列传感器单元，它们可以同时独立监控不同的分子结合反应。

该单片集成芯片以螺旋硅光子线波导作为其组成单元，因其具有直接传感分子优势而不是利用荧光标记，因此这种阵列有潜力替代现有的玻璃微阵列（用于基因组学、蛋白质组学和药物筛选）。^[1]此外，NRC的科学家Adam Densmore表示，这种阵列光子线单元具有提供诸如分子键强度、结合反应速率和分裂速率等重要信息的能力。

传统的玻璃微阵列都印有包含不同探针分子的传感点，这可以用来研究大量的DNA或蛋白质的相互作用。被检测的分子被标记上可以发射荧光的物质，当被照明的时候可以发出特定波长的光。当载玻片暴露在分析物上后先被清洗，然后再成像，以观测标记分子是否被粘贴在个别点上。这种方法最初用于定性分析，判断是否存在目标分子。

基于荧光的探测方法在样品荧光标记的过程就需要多个步骤，标记物可能干扰系统的结合特性，而且并不是任何时候都可以在特定分子上做标记。

图：螺旋硅光子线波导单元组成的栅格，以及组成生物传感阵列的集成微流体通道。上面6个传感器在实验中使用，下面3个用于单独检测。

Denmore表示，正是由于这个原因才开发了商用表面等离子共振（SPR）传感器。与荧光阵列相比，这些传感器提供了更多的详细信息，并且可以实时监测分子结合反应。然而，尽管目前已经有更多复用的系统开始在市场上出现，但是商用SPR传感器通常只有有限的传感量，一次只能监测一个或几个结合反应。而且，SPR传感器在灵敏度方面也存在着一定的限制。

干涉仪阵列

NRC研制的阵列可以提供与SPR探测器同样多的信息，同时还具有更高的灵敏度。在这个器件上，螺旋硅光子线波导栅格制作在硅绝缘体材料（SOI）上，硅波导宽0.45µm，厚0.26µm （厚度经过优化，使其对横磁场波导模灵敏度最大）。利用光学分光器和合光器系统，每个螺旋波导组成独立的马赫曾得干涉仪的一个传感臂（MZI）。

研究人员首先在整个波导结构上沉积一层2µm厚的聚合物作为包层，然后仅去除传感波导上面的聚合物。接下来再沉积一层50µm厚的聚合物层并形成微流体通道。最后，在包层上面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）。

Denmore说：“尽管PDMS并不具有粘性，但表面张力起了很好的封装作用。此外，我们的测量系统专为我们的器件而设计，在通道内产生负压，从而增加附着力。这种封装的强度足以阻止实验中发生液体和气体泄露。并且实验后可以很容易地清洗掉，然后再利用。”

波长为1560nm的TM偏振态激光被传送到阵列的输入端。使用一个近红外相机同时监测6路输出波导，信号接近饱和输出，具有36dB动态范围（12位分辨率）。MZI的相移可以通过余弦函数拟和原始数据得到（相移作为变量）。

研究人员对抗体抗原反应进行了实时测量，如兔IgG抗体与抗兔IgG和其他组合受体。每个单元的探测水平相当于表面覆盖小于0.3 pg/mm²（该值越小越好）。

更大的相移

Denmore表示：“我们的传感器的单位灵敏度与商用SPR器件相当。这两者之间最大的不同在于商用SPR系统中使用的表面等离子体在被金薄膜吸收前只能传输大约20µm。这个高传输损耗限制了这种系统的灵敏度。在光子线波导中，波导模可以在传输数厘米之后仍然具有较小的损耗，因此可以产生更大的相移，从而获得更高的测量灵敏度。”

Denmore预测0.3 pg/mm²的灵敏度可以通过改进测量硬件得到进一步提高。“而且，使用我们的干涉仪结构，我们可以设计对温度不敏感的传感器，这就降低了对高精度温度稳定性的要求。”数百个螺旋硅光子线波导单元可以集成在一起形成高密度传感阵列。

参考文献                                                                            

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