[发明专利]一种基于三掺铌酸锂晶体的光学生物检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学生物检测方法，具体地是一种基于三掺铌酸锂晶体的非挥发性全息布拉格光栅的光学生物检测方法。

背景技术

  1967年，Updike和 Hicks将葡萄糖氧化酶 (GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，制成了基于葡萄糖酶电极的第一种生物传感器，之后各种以生物检测为目的的生物传感器，如热敏生物传感器、 场效应管生物传感器、 压电生物传感器、 光学生物传感器、 声波道生物传感器、酶电极生物传感器、 介体生物传感器等广泛应用到生产生活中来。 其中，光学生物传感器（optical-bio sensor）是一种强大的检测分析工具，是目前研究最广，发展最快的生物传感器之一。 

根据光学检测原理的不同，可将其分为表面等离子共振生物传感器、干涉生物传感器、光波导生物传感器、光纤环谐振器生物传感器、光纤生物传感器、光子晶体生物传感器等类型。其中基于布拉格光栅的光学生物传感器受到人们的广泛关注，并且在生物分子检测领域得到广泛应用。制作基于布拉格光栅的光学生物传感器基质主要为碳化硅、二氧化硅等半导体材料和铌酸锂晶体。

以二氧化硅(silicon-on-silicon)为基质紫外写入波导光栅，例如G.D.Emmerson等人，（Emmerson, G.D.；Watts, S.P. ;Gawith, C.B.E. ;Albanis, V. ;Ibsen, M. ;  Williams, R.B. ;Smith, P.G.R.Fabrication of directly UV-written channel waveguides with simultaneously defined integral Bragg gratings，ELECTRONICS LETTERS ，38(2002)，1531-1532）和（I. J. G. Sparrow, P. G. R. Smith, G. D. Emmerson, S. P.Watts, and C. Riziotis，Planar Bragg Grating Sensors—Fabrication and Applications: A ReviewJournal of Sensors，2009 (2009），12 pp）中所提出的一种直接利用相干紫外光写入布拉格光栅的方法。该方法在三层锗掺杂的二氧化硅基质的通道波导中使用244nm的相干紫外光在样品内写入布拉格光栅。由于紫外相干光源的价格非常昂贵，同时整个光栅的制备过程非常复杂，这些因素大大限制了该方法的实用性。

与半导体基质相比，LiNbO₃晶体具有优异的电光和声光等特性，其中电光效应在光折变效应的研究中占据重要地位，而基于光折变效应的应用引起越来越多的关注。另外，掺杂过渡金属Cr、 Cu、 Fe、Ce、 Mn等离子（载流子）可以提高光折变效应，灵敏度和响应时间，因此利用LiNbO₃晶体良好的光折变效应，在掺杂LiNbO₃晶体中写入光折变光栅，以光折变光栅为生物传感器进行生物分子检测具有很大的发展潜力。目前为止运用掺Cu、掺Fe、掺Mn等单掺铌酸锂晶体制作波导光栅。D.RUND等人(J Hukriede,D Runde and D Kid.Fabrication and application of holographic Bragg gratings in lithium niobate channel waveguides.J. Phys. D: Appl. Phys.36 (2003) R1–R16.)在掺铜的铌酸锂晶体内形成的波导中全息地记录折射率光栅，并且使用绿光记录光栅，用不敏感的1.5um附近的红外光读取反射几何,使用热固定法来确保布拉格光栅长时间的稳定性。D.RUND等人(D.RUNDE,S.BRUNKEN,C.E.RUTER,D.KIP.Integrated optical electric field sensor based on a Bragg grating in lithium niobate.Appl. Phys.B .86, 91–95 (2007))实用波长为514.5nm的氩离子激光器产生的两束干涉光记录光栅，为了保证光栅不被可见光擦除，在光栅的记录过程中温度保持在453K写入光栅。 

但是，上述单掺的铌酸锂晶体存在一些缺陷，具体表现：写入的光栅具有挥发性，必须采用热固定或电固定的方法；对光栅进行固定时，相关仪器的使用使得检测成本提高，同时为微型化检测的实现带来不便。