【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于传感器，涉及一种二维光子晶体砷化镓线性生物传感器及应用。
技术介绍
1、治疗糖尿病患者的首要和最重要的步骤是维持健康的血糖水平，这需要全天候连续和准确地监测血糖水平。健康的血糖水平非常稳定：在4-7毫摩尔/升或70-120毫克/分升之间，而糖尿病患者的血糖水平波动很大，介于2-30毫摩尔/升或35-550毫克/升之间。因此，准确可靠的血糖测试方法对于正确有效地诊断高血糖和低血糖至关重要。目前，葡萄糖浓度通常通过指尖采血方法进行监测，接受多次注射胰岛素或胰岛素泵治疗的患者，每天应测量6-8次血糖水平。然而，因为指尖采血带来的疼痛和不便，所以这种测试很少进行，特别是对于i型糖尿病儿童而言；另一种策略是在连续血糖监测系统(例如德蒙、美敦力)中应用皮下插入的电化学传感器。
2、为了克服电化学传感器的不稳定性和其他类型葡萄糖传感器的局限性，涉及苯硼酸(pba)衍生物、蛋白质和光学传感器的替代方法已经出现，asher及其同事率先开发了光子晶体传感器，他们探索了几种不同的基于光子晶体的葡萄糖传感器，以检测溶液、血液和眼泪中的葡萄糖。光子晶体传感器简单、高效、灵敏度高，为准确检测葡萄糖溶液浓度提供了一种方便快捷的方法。光子晶体是由两种或两种以上介电常数不同的材料在空间中周期性排列而形成的人工晶体结构，这是一种新型光学微结构材料，具有广泛的应用领域，如传感器、光子晶体光纤、太阳能电池等。20世纪80年代初，asher和同事专利技术了晶体胶体阵列，并申请了光子晶体的第一项专利；随后，在1987年，john和yablonov
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4、由于光子晶体传感器具有灵敏度高、体积小、无损耗等优点，利用光子晶体的带隙宽度测量液体浓度逐渐成为基于光子晶体带隙理论的研究热点。例如，sharma等人首次将光子晶体结构应用于生物传感器，可以定量检测血液和尿液中的肌氨酸酐；chakravarty等人利用gaas的二维光子晶体微腔制备了一种光学离子传感器，可以利用光子晶体微腔检测溶液粒子浓度的变化；cai及其同事率先开发了二维光子晶体水凝胶传感器，用于检测各种分析物；li等人构造了一种一维光子晶体结构模型，通过分析光子晶体的透射光谱，得到蔗糖溶液折射率和浓度与光子晶体透过峰位置之间存在严格的线性关系。然而，光子晶体结构对葡萄糖生物传感器性能的影响很少有报道，特别是稳定的半导体光子晶体传感器，在实践中有很大的应用前景。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种二维光子晶体砷化镓线性生物传感器及应用，采用砷化镓(gaas)材料构建具有完美和缺陷结构的二维光子晶体生物传感器。
2、为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
3、第一方面，本专利技术提供一种二维光子晶体砷化镓线性生物传感器，以砷化镓为基底材料，在砷化镓基底材料上设置周期排列的二维三角晶格光子晶体结构以组成生物传感器，其中二维三角晶格光子晶体结构中的散射元为空气孔。
4、作为本专利技术的进一步技术方案，所述散射元为椭圆形散射元或圆形散射元。
5、作为本专利技术的进一步技术方案，所述椭圆形散射元的晶格常数t范围为0.50μm～1.50μm、长半轴a的范围为0.10μm～0.70μm、短半轴b的范围为0.15μm～0.65μm，且三者步长都为0.10μm，自由空间波长λ范围为0.30μm～0.80μm，步长为0.05μm；所述圆形散射元的晶格常数t范围为0.50μm～1.50μm，步长为0.10μm，半径r的范围为0.10μm～0.70μm、自由空间波长λ范围为0.30μm～0.80μm，且步长都为0.05μm。
6、作为本专利技术的进一步技术方案，所述二维三角晶格光子晶体结构的周期性排列为11×11，即散射元以三角晶格的形式排列在基板上，在x和z方向都打下11个空气孔。
7、第二方面，本专利技术提供一种二维光子晶体砷化镓线性生物传感器的应用，将二维光子晶体砷化镓线性生物传感器用于测定葡萄糖浓度，从而用于测定血糖。
8、作为本专利技术的进一步技术方案，二维光子晶体砷化镓线性生物传感器用于测定葡萄糖浓度的具体过程为：
9、(1)向二维三角晶格光子晶体结构的空气孔中注入待测的葡萄糖；
10、(2)用450nm蓝光照射二维三角晶格光子晶体结构，通过检测光子能量计算出光子禁带的频率，从而得到光子晶体带隙宽度；
11、(3)根据光子晶体带隙宽度，利用线性方程求出待测葡萄糖浓度。
12、作为本专利技术的进一步技术方案，步骤(2)计算光子禁带的频率的过程为：
13、如果光子晶体处于无源空间，且构成光子晶体的介质为各向同性无磁无损介质，根据麦克斯韦方程组，得到电磁波的传播满足式(1)和式(2)，式(1)和式(2)分别为描述电场强度和磁场强度的光子运动本征方程，
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16、在式(1)和(2)中，c表示真空中的光速，ω表示电磁波的振荡频率，ε(r)表示光子晶体的介电常数，e(r)和h(r)分别表示矢量电场强度和磁场强度，它们都是空间位移矢量r的周期函数；在周期结构中，电场矢量e(r)和磁场矢量h(r)用bloch定理展开，然后基于e(r)和h(r)的平面波展开，将tm和te偏振态的本征方程简化为式(3)和式(4)：
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18、
19、在式(3)和(4)中，k为第一布里渊区的波矢量，g和g'为光子晶体倒格失，对于光子晶体结构，介电常数的傅里叶展开为解析式(5):
20、
21、式中j1为一阶贝塞尔函数，f为三角晶格的填充因子，εa为待测葡萄糖的介电常数，εb为背景材料砷化镓的介电常数。
22、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
23、将二维三角晶格光子晶体结构用于生物传感器，用于检测葡萄糖浓度，检测结果精度高，成本低，为光子晶体线性传感器应用于除葡萄糖浓度外许多其他生物分子(蛋白质、氨基酸等)浓度的检测提供了重要的理论基础。
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1.一种二维光子晶体砷化镓线性生物传感器，其特征在于，以砷化镓为基底材料，在砷化镓基底材料上设置周期排列的二维三角晶格光子晶体结构以组成生物传感器，其中二维三角晶格光子晶体结构中的散射元为空气孔。
2.根据权利要求1所述二维光子晶体砷化镓线性生物传感器，其特征在于，所述散射元为椭圆形散射元或圆形散射元。
3.根据权利要求2所述二维光子晶体砷化镓线性生物传感器，其特征在于，所述椭圆形散射元的晶格常数T范围为0.50μm～1.50μm、长半轴a的范围为0.10μm～0.70μm、短半轴b的范围为0.15μm～0.65μm，且三者步长都为0.10μm，自由空间波长λ范围为0.30μm～0.80μm，步长为0.05μm；所述圆形散射元的晶格常数T范围为0.50μm～1.50μm，步长为0.10μm，半径r的范围为0.10μm～0.70μm、自由空间波长λ范围为0.30μm～0.80μm，且步长都为0.05μm。
4.一种如权利要求3所述二维光子晶体砷化镓线性生物传感器的应用，其特征在于，将二维光子晶体砷化镓线性生物传感器用于测定葡萄糖浓度，从而用于测定
5.根据权利要求4所述二维光子晶体砷化镓线性生物传感器的应用，其特征在于，二维光子晶体砷化镓线性生物传感器用于测定葡萄糖浓度的具体过程为：
6.根据权利要求5所述二维光子晶体砷化镓线性生物传感器的应用，其特征在于，步骤(2)计算光子禁带的频率的过程为：
...【技术特征摘要】
1.一种二维光子晶体砷化镓线性生物传感器，其特征在于，以砷化镓为基底材料，在砷化镓基底材料上设置周期排列的二维三角晶格光子晶体结构以组成生物传感器，其中二维三角晶格光子晶体结构中的散射元为空气孔。
2.根据权利要求1所述二维光子晶体砷化镓线性生物传感器，其特征在于，所述散射元为椭圆形散射元或圆形散射元。
3.根据权利要求2所述二维光子晶体砷化镓线性生物传感器，其特征在于，所述椭圆形散射元的晶格常数t范围为0.50μm～1.50μm、长半轴a的范围为0.10μm～0.70μm、短半轴b的范围为0.15μm～0.65μm，且三者步长都为0.10μm，自由空间波长λ范围为0.30μm～0.80μm，步长为0.05μ...
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