在最近发表的《开放式杂志》上发表的文章中传感器，研究人员报道了二氧化硅在二氧化硅条上进行病毒检测的氮化硅硅化硅的详细敏感性分析。
学习：优化用于芯片病毒检测的氮化硅波导平台。图片来源：Corona Borealis Studio/Shutterstock.com
背景
2019年冠状病毒病（Covid-19）大流行对世界各地的人类生命构成了严重威胁。由于世界各地的病毒感染，许多人每年死亡。结果，容易，快速，廉价和准确的病毒检测技术至关重要。聚合酶链反应（PCR）是一种检测病毒的众所周知的方法，现在它是COVID-19检测的主要方法。尽管这种方法非常敏感和精确，但它是昂贵的，耗时的，需要复杂的过程和样品准备。
用于生物检测的最常见的集成光学技术之一是光学折射率（RI）传感。RI传感器具有高灵敏度，并且快速，紧凑且廉价。表面功能化是RI生物传感器中经常使用的方法，可提高其选择性。RI传感器的性能主要取决于其优点（FOM）。RI传感器的灵敏度分为两类：设备灵敏度（Sd）和波导灵敏度（WS）（sWG）。
使用二氧化硅作为绝缘体（SINOI）波导平台上的氮化硅作为绝缘体在各种应用中具有显着优势。Sinoi被定义为一种互补的金属氧化物 - 氧化型兼容平台，类似于绝缘体（SOI）平台上的硅，可实现质量规模和低成本生产。
（（一种）表面官能化的SI示意图3n4在Sio上2带有代表病毒附着的层的病毒检测的条波导。在不同波长的情况下，带波导的单模单模宽度与波导厚度：（b）TE模式和（（C）TM模式。图片来源：Shamy，R。S. E等，传感器
关于研究
在本研究中，氮化硅的完整理论研究和优化（SI3n4）二氧化硅上的波导平台（SIO2）用于病毒检测。波导表面通过病毒的抗体功能化，从而导致仅由该病毒引起的中等指数变化。
优化波导灵敏度的条波导尺寸（SWG）使用有限的差异本征（FDE）求解器确定粘附在其表面的病毒层。研究了相应的基本准透明磁（TM）和准透明电气（TE）模式。此外，研究了插槽波导并将其与脱带波导进行了比较。
在整个研究中，操作波长从可见到中红外变化。还将带状波导与广泛使用的插槽波导进行了比较。优化了波导以与各种大小和折射率的各种病毒一起使用。
在各种波长中，使用光子电路模拟器和FDE求解器构建了平衡的Mach-Zehnder干涉仪（MZI）的传感器。对于lMzi=λ时500 µm= 450 nm，MZI传感器的FOM高达1231 RIU构建-1。还研究了从纤维到波导传感器的边缘耦合，MZI设计具有FOM = 500 RIU-1（折射率单元）。
MZI传感器配置的示意图：（（一种）S-Mzi（（b）A-MZI，（（C）lt-mzi。图片来源：Shamy，R。S. E等，传感器
观察
在这项研究中，研究人员观察到，在较低波长下运行的氮化硅脱氮基剥离波导是病毒检测的最佳选择，因为它提高了传感器的波导灵敏度（SWG）和fom。发现SWGFOM在较低的波长下增加。与lMzi= 500 µm，开发的传感器在λ= 450 nm处的FOM高，范围从500到1231 RIU-1。
从传感器到纤维的构造的边缘耦合的插入损失（IL）为4.1 dB = 450 nm，用于FOM = 500 RIU-1。开发的具有改进波导的MZI传感器具有FOM = 1231 RIU-1在λ= 450 nm处，臂长为500 µm。同样，构造的MZI传感器的波导宽度超过1 µm，可以在低成本设施中轻松生产。
此外，观察到，对于病毒检测，在低波长下运行的条波导是最佳选择。理论研究表明SI3n4带状波导传感器具有良好的灵敏度，并且随着表面功能化，选择性检测到单个病毒，从而产生高选择性。
（（一种）在λ= 450 nm和λ= 650 nm处H = 20 nm和H = 40 nm处的波导耦合效率与波导宽度相对于波导宽度。（（b）两步纤维边缘耦合的示意图。图片来源：Shamy，R。S. E等，传感器
结论
总之，这项研究阐明了SI的潜力3n4在设计多个集成的光学传感器以检测病毒的光学传感器时，带状波导为传感臂。研究人员强调，需要进行这种数值研究来建立一个低成本的质量生产，用于快速病毒检测和其他生物分子的紧凑型和高度敏感的RI光学传感器。
作者认为，要构建病毒传感器，官能化的波导表面可用于各种集成的光学设备，例如干涉仪和谐振器。同样，研究并改进了纤维边缘与传感器芯片的耦合，从而比以前观察到的纤维耦合器更高。
总体而言，使用中国波导技术，作者开发了一种通用的病毒检测方法。优化的波导非常适合检测多种生物分析。作者认为，此处提供的数据和分析是一般的，这意味着它们可能被用于各种大小和折射率的广泛生物分子。
资源
Shamy，R。S. E.，Swillam，M。A.，Li，X。等。优化用于片上病毒检测的硝酸硅波导平台。传感器22（3），1152（2022）。https://www.mdpi.com/1424-8220/22/3/1152
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