15、光电二极管与表面等离子体天线的折射率测量及其在生物传感和晶体结构精修中的应用

光电二极管与表面等离子体天线的折射率测量及其在生物传感和晶体结构精修中的应用

一、光电二极管折射率测量与生物传感

1. 双光电二极管（2PD）方法
   • 原理 ：传统光谱测量获取折射率（RI）信息需扫描波长，耗时长，不适合高通量分析。为实现实时测量，发明了2PD方法。该方法使用两个具有不同光栅周期的光电二极管（PD）和单色光源（如激光二极管）。初始条件下（n = n0），调整光栅周期p1和p2、波长l和入射角q，使光电流差为零。当n从n0变为n0 + Δn时，两个PD的峰值轮廓会移动，产生反映RI变化Δn的差分光电流。此方法能灵敏检测Δn，还可消除部分两个PD共有的漂移或噪声。
   • 电路与优化 ：光强度幅度被调制，差分光电流由锁相放大器检测，进一步提高信噪比和Δn的检测限。多个PD被制作在芯片上，并封装在液密包装（流动系统）中，可连续监测样品液体的RI变化或分子在金光栅线表面的沉积过程。若在PD上附着不同受体，通过并行操作可显著提高分析通量。
   • 实验结果 ：以不同浓度蔗糖溶液为例，实验中p1为330 nm，p2为340 nm，l为685 nm，q为16.8°，光强度为48 mW/cm²，调制频率为500 Hz，放大器电流灵敏度为10 MV/A。根据输出电压与RI的回归线斜率和基线噪声水平，计算出折射率检测限为1.11×10⁻⁵ RIU，与表面等离子体共振（SPR）传感器相当。带有表面等离子体（SP）天线的PD主要特点是能集成大量传感器，虽检测限不是极低，但可提高分析通量。