IEEE SiPhotonics2025 | 氮化硅光子集成线路用于液相色谱中的折射率检测
引言
光子技术与分析化学的结合为微型化检测系统创造了新的发展方向。折射率(RI)检测在分析化学中扮演着基础角色，特别是在高效液相色谱(HPLC)中，这种技术能够非破坏性地检测溶液组成变化。当分析缺乏强发色团或不具荧光性质的样品时，这一能力尤为重要。虽然传统的RI检测器已证明其实用性，但仍面临体积大、动态范围有限以及对温度波动敏感度高等限制。这些缺点显著限制了其在高灵敏度分析和梯度洗脱场景中的应用。氮化硅光电子集成芯片的优势
硅基光电子由于其微型化和增强灵敏度的潜力，已成为集成式RI传感器的优秀平台。在各种光子结构中，微环谐振器(MRRs)因其对折射率变化的卓越灵敏度、与芯片集成的兼容性和可扩展的制造工艺而脱颖而出。论文中展示的工作演示了将氮化硅(Si₃N₄)折射率传感器与微流体技术集成，用于液相色谱检测。
氮化硅在这一应用中提供了多项优势。这些基于MRR的传感器设计为在1550 nm波长的C波段光通信波段中运行。这些器件在热氧化硅晶圆上制造，具有2.2 μm厚的埋氧层和通过等离子体增强化学气相沉积技术沉积的300 nm厚的Si₃N₄层。图案通过100 kV电子束光刻技术创建，并通过感应耦合等离子体刻蚀转移到Si₃N₄层。实验设置与微流体集成
微流体与光子组件的集成代表了该技术的关键进步。微流体通道在压敏胶(PSA)中构建，开发了定制的粘合机制将这些通道与Si₃N₄芯片集成。添加了较厚的聚二甲基硅氧烷(PDMS)层以增强结构稳定性。实现了精密液体处理系统，确保实验过程中准确的液体控制。图1：(a)实验设置展示了液体处理系统与光学组件之间的接口；(b)粘合到Si₃N₄芯片上的微流体通道的俯视图；(c)折射率传感器(MRR)的特写视图；(d)葡萄糖溶液流过芯片时MRR的透射光谱；(e)随着葡萄糖浓度增加的共振波长位移；(f)显示传感器性能的校准曲线。
实验设置，如图1(a)所示，由通过光纤系统和点尺寸转换透镜耦合到波导中的近红外可调谐激光源组成。RI传感器的光谱响应由输出端的光电探测器收集。图1(b)提供了粘合到Si₃N₄芯片上的微流体通道的俯视图，其中光路和流体流动垂直相交。图1(c)提供了折射率传感器本身的特写视图，显示了当液体流过时器件内的光散射。
为了展示集成系统的检测能力，研究者使用了浓度范围从10到50 mg/mL（以10 mg/mL为增量）的水性葡萄糖溶液。温度稳定性对准确的RI检测非常重要，因此支架被精心维持在24±0.002°C，以匹配实验室条件。所有测量都在70 μL/min的恒定流速下进行。
图1(d)显示了10 mg/mL葡萄糖溶液流过芯片时MRR的透射光谱。红色虚线标记了MRR的共振波长，这些波长作为检测折射率变化的参考点。随着葡萄糖浓度增加，这些共振波长以可预测的方式移动，如图1(e)所示。这些位移基于文献中已建立的折射率值转换成校准曲线（图1(f)）。系统展示了约138 nm/RIU和142 nm/RIU的灵敏度，证实了微流体系统与折射率传感器的成功集成。在液相色谱中的应用
这项技术的最终目标是应用于液相色谱。研究人员成功地将他们的折射率传感机制与HPLC系统集成，以进行等度洗脱分离。使用特性明确的糖混合物（葡萄糖和果糖），他们展示了集成传感器作为液相色谱检测器的实用性。最令人印象深刻的是，他们实现了四种糖混合物的分离，展示了光电子集成芯片在环境条件下进行等度洗脱分离的能力。
这种方法解决了传统RI检测器的两个关键限制：有限的动态范围和延长的热稳定时间。光电子集成芯片辅助的HPLC系统允许广泛的动态范围，同时只需极少量的样品，显著提高了效率并减少了资源消耗。未来展望与结论
氮化硅折射率传感器与微流体的集成为开发紧凑、高灵敏度和选择性强的传感器创造了机会，这些传感器能够分析复杂的液体样品。经过表征的基于MRR的传感器受益于明确且高度可重复的传感器-分析物相互作用，通过HPLC分离糖的成功量化证明了在小体积中进行检测的能力。
除了色谱外，这个平台显示了与其他传感器集成的潜力，为相关领域如光热光谱学中的高灵敏度检测提供了途径。随着光电子集成芯片继续发展，我们可以预期更加复杂的分析工具，这些工具结合了光学检测的精确性和微流体样品处理的实用性，最终提升生物化学分析、环境监测等领域的能力。
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