基于连续域中准束缚态的高性能光学生物传感器用于水体细菌检测及其应用研究

本文推荐一种基于连续域准束缚态（quasi-BIC）的高灵敏度光学生物传感器，用于无标记检测水环境中多种致病菌。该传感器利用共振峰红移响应折射率变化，在1.3330–1.4160 RIU范围内实现对六类细菌的高通量检测，具备高灵敏度（297.60 nm/RIU）、超窄半高宽（0.4 nm）与优异品质因子（Q = 2451），在生物医学与环境监测中具重要应用潜力。

　　

Highlight

本研究提出了一种基于介电结构准连续域束缚态（quasi-BIC）的新型生物传感器，用于饮用水中细菌的高灵敏度检测。重点研究了六种常见水传细菌：铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、炭疽芽孢杆菌（Bacillus anthracis）、粪肠球菌（Enterococcus faecalis）、大肠杆菌（Escherichia coli）、溶血葡萄球菌（Staphylococcus haemolyticus）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）。通过刻意打破结构对称性（引入微小偏离正入射的角度），成功将对称保护型BIC（SP-BIC）转化为准BIC，从而获得高品质光学共振，极大提升了生物传感的灵敏度与实用性。

Design of proposed structure

图1展示了所提出生物传感器的结构示意图。该器件由纳米氮化硅（Si₃N₄）组成的一维周期性光栅构成，制备于氟化钙（CaF₂）基底上，感应介质位于光栅上方，光栅沟槽填充该介质——在基线情况及所有模拟中均为纯水（折射率 = 1.3330）。光栅沿x轴具有固定周期Λ = 640 nm，每个共振器的宽度（w）为…

Results and discussion

图2(a)展示了通过傅里叶模态法（Fourier Modal Method, FMM）计算得到的反射谱随入射角与波长变化的关系（即能带图），用于分析该生物传感器在纯水（折射率 = 1.333）中的光学响应。在正入射时，可观察到两种明显模式：一是对称保护型连续域束缚态（SP-BIC），以白色虚线圆标示；二是导模共振（Guided-Mode Resonance, GMR）…

Conclusion

本研究结果表明，所提出的准BIC生物传感器在水溶液多种细菌的无标记检测中表现出卓越性能。根据提取参数可得出如下结论：

• •
  对于所有测试细菌——铜绿假单胞菌、炭疽芽孢杆菌、粪肠球菌、大肠杆菌、溶血葡萄球菌和金黄色葡萄球菌，该生物传感器均显示出高度线性且可预测的共振红移行为…