折射率传感器和方法与流程

政府权利

本发明是在美国国家科学基金会颁发的批准号为dmr-1654765的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年5月15日提交的美国临时专利申请序列号62/671,707的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

背景技术：

依赖于光学谐振的生化传感器由于其对周围环境的本体折射率变化的敏感性以及与用于生物医学应用的诸如蛋白质的颗粒的直接相互作用而引起了人们的关注。在若干配置中，这些传感器可以重新使用，或者能够以微型、便携式格式进行实时检测。

技术实现要素：

本文公开的实施例包括具有提供更负担得起的、高效的折射率和生物传感的潜力的介质超表面平台。使用所述实施例的基于透射率的单波长幅值测量可以潜在地明显降低感测设备的成本和物理大小而不会损害灵敏度，并且可兼容的制造过程可以允许与互补金属氧化物半导体(cmos)或其他基于芯片的设备集成。

在第一方面，公开了一种用于测量介质的折射率的方法。该方法包括利用以相对于基板表面的非法向入射角入射在超表面上的照明激发超表面的第一反对称谐振。超表面包括形成在基板表面上的谐振器的周期性阵列。其折射率正在被测量的介质对谐振器的周期性阵列进行封装。该方法还包括从透射信号的幅值确定介质的折射率，透射信号包括照明的透射通过超表面的一部分。

在第二方面，折射率传感器包括基板、微流控芯片、多个介质谐振器和光源。基板具有顶表面。微流控芯片在顶表面上并且具有非平面底表面，非平面底表面形成界定在顶表面和非平面底表面之间的通道。通道具有在垂直于顶表面的方向上的通道深度。多个介质谐振器在顶表面上布置为周期性阵列，并且延伸进入通道中达到顶表面上方的一高度，该高度小于通道深度。光源被配置为以非法向入射角入射在顶表面上的照明照射周期性阵列。照明具有中心波长λ0，该中心波长λ0超过高度、多个介质谐振器中的每一个的宽度以及周期性阵列的单位单元大小。

在第三方面，公开了一种用于区分介质的折射率的变化与照射介质的照明的中心波长的变化的方法。该方法包括利用入射在第一超表面上的照明激发第一超表面的第一谐振，第一超表面包括形成在基板表面上的谐振器的第一周期性阵列，第一超表面包括对谐振器的第一周期性阵列进行封装的介质。该方法还包括利用照明激发第二超表面的第二谐振，第二超表面包括形成在基板表面上的谐振器的第二周期性阵列，第二周期性阵列在几何上不同于第一周期性阵列。该方法还包括通过将第一透射信号的第一幅值的变化与第二透射信号的第二幅值的变化进行比较，确定第一幅值的变化是由照明的中心波长中的变化引起还是由介质的折射率的变化引起。第一透射信号包括照明的透射通过第一超表面的第一部分。第二透射信号包括照明的透射通过第二超表面的第二部分。

附图说明

图1和图2是在实施例中的折射率传感器的相应截面图。

图3是在实施例中的图1和2的折射率传感器的光学单元的三维视图。

图4示出在实施例中的入射到并传播通过图3的光学单元的超表面的介质谐振器的照明的电场幅值。

图5示出在实施例中的图3的光学单元的超表面的反对称模式的电场幅值。

图6示出在实施例中的由图3的光学单元的超表面反射的照明的电场幅值。

图7是在实施例中的图3的光学单元的超表面的透射率曲线。

图8是在实施例中的对于封装材料的两个折射率值的与图7相关联的超表面的透射率曲线。

图9是在实施例中的与图8相关联的超表面随着封装折射率变化的透射率曲线。

图10是示出作为图1和图2的折射率传感器的示例的折射率传感器的横截面的示意图。

图11是在实施例中的包括本文公开的折射率传感器的两个超表面的阻带的示意图。

图12是在实施例中的对于封装材料填充的两个折射率值的与图7相关联的超表面的透射率曲线。

图13是示出作为图1的折射率传感器的示例的折射率传感器的横截面的示意图。

图14是示出在实施例中的用于测量介质的折射率的方法的流程图。

图15是示出在实施例中的用于将折射率的变化与照明波长的变化区分开的方法的流程图。

具体实施方式

图1是折射率传感器100在平行于坐标系198的x-z平面的平面101中的横截面图。在下文中，由一个或多个轴x、y和z描述的方向和平面是参考坐标系198，除非另有说明。

折射率传感器100包括光学单元104和光源150，以及在某些实施例中包括光电检测器158。光学单元104包括基板110、布置为周期性阵列120的多个介质谐振器121和微流控芯片140。图2是光学单元104在平行于x-y平面的横截面102中的横截面图。图3是光学单元104的三维视图，其中微流控芯片140的一部分被省略，以提供介质谐振器121的清晰视图。在以下描述中最好一起查看图1-3。

基板110具有顶表面112。微流控芯片140在顶表面112上，并且具有非平面底表面141，非平面底表面141形成通道144，通道144是在顶表面112和与顶表面112不接触的一部分非平面底表面141之间界定。通道144具有在垂直于顶表面112的方向上的通道深度146。

每个介质谐振器121是在顶表面112上，并且在顶表面112上方延伸到通道144中，达到高度122。高度122小于通道深度146。每个介质谐振器121具有宽度124。周期性阵列120具有单位单元间隔123，单位单元间隔123是最邻近的介质谐振器121之间的中心到中心的距离。在图1-3所示的示例中，谐振器121具有圆形截面，在不脱离实施例范围的情况下它们可以具有不同形状的横截面，诸如多边形。

光源150被配置为以非法向入射角156入射在顶表面112上的照明152照射周期性阵列120。光源150的示例包括发光二极管、固定波长激光器和可调激光器。在某些实施例中，照明152是非偏振的。

照明152具有中心波长λ0，中心波长λ0超过高度122、宽度124和单位单元间隔123中的每个。每个介质谐振器121具有折射率nr(λ0)，基板110具有折射率ns(λ0)。在某些实施例中，照明包括入射在光学单元104的不包括周期性阵列120的区域106(图2)上的照明154。光学单元104透射照明154的至少一部分作为参考信号154t，其可以用于标准化，例如用于确定超表面130的单个波长透射率或透射率光谱。

光学单元104透射入射照明152的至少一部分作为透射照明152t，在实施例中，透射照明152t由光电检测器158检测。在操作中，透射照明152t的光谱特性用于测量通道144中封装介质132的折射率，如本文所述。封装介质132可以是气体或流体。封装介质132和周期性阵列120在通道144内形成超表面130。在图1中，指向超表面130的标注与表面112和141相邻的虚线框接触。在实施例中，照明152的光谱带宽比超表面130的阻带窄。照明152可以具有在该阻带内的中心波长。光源150可以包括带通滤波器，以实现所述光谱带宽关系。

在某些实施例中，超表面130是惠更斯超表面，即具有光谱重叠的电偶极子谐振和磁偶极子谐振的超表面。在某些其他实施例中，超表面130不是惠更斯超表面，使得电偶极子谐振和磁偶极子谐振的任何重叠不足以使超表面作为惠更斯超表面。在这样的其他实施例中，电偶极子谐振可以在光谱上邻近于磁偶极子谐振。例如，电偶极子谐振与相邻磁偶极子谐振之间的光谱间隔是(a)小于照明152的线宽和(b)大于1/2(e+δb)中的至少一个，其中δe和δb是电偶极子谐振和磁偶极子谐振的相应光谱宽度。

在此，封装介质132的折射率被称为封装折射率。在实施例中，用于足够折射率的ns(λ0)<αnr(λ0)-将介质谐振器121的折射率与封装折射率进行对比，以产生阻带。在实施例中，系数α在0.6和0.7之间，而偏移β在0.08和1.2之间。系数α可以等于封装折射率除以nr。封装折射率与基板折射率ns的差异可以小于偏移β。

图4示出以4度入射角入射到超表面430的多个介质谐振器421中的一个上并传播通过多个介质谐振器421中的一个的照明452的电场幅值。超表面430在基板110上，并且具有电偶极子谐振，电偶极子谐振在照明452的中心波长处与其磁偶极子谐振光谱重叠。结果，超表面430透射几乎100％的照明452作为透射照明453。超表面430为超表面130的示例。

图5示出以激发超表面430的反对称模式432的波长入射在超表面430的多个介质谐振器421中的一个上的照明552的电场幅值。在介质谐振器421中，照明552的电场幅值关于平面592是反对称的。由于入射照明552与所激发的反对称模式之间的对称性失配，超表面430仅将倏逝场(evanescentfield)传输到基板110中，而不传播其中能量流到基板110中的电磁场。

图6示出法向入射在超表面630的多个介质谐振器521中的一个上并由多个介质谐振器521中的一个反射的照明652的电场幅值。超表面630在基板110上并且具有电偶极子谐振，电偶极子谐振在光谱上邻近而不与其磁偶极子谐振重叠。照明652的中心波长在超表面630的相应电偶极子谐振波长和磁偶极子谐振波长之间，这导致超表面630反射几乎100％的照明652作为反射照明653。超表面630是超表面130的示例。

图7是具有光谱重叠的电偶极子谐振和磁偶极子谐振的超表面130的实施例的模拟透射率曲线790。在该实施例中(在下文实施例a中)，基板110由sio2形成，聚二甲基硅氧烷(pdms)填充通道144，并且高度122、单位单元间隔123和宽度124分别为220nm、782nm和482nm。

透射率曲线700包括数值模拟的透射率光谱700和704，其分别对应于以等于0度和4度的入射角156入射在光学单元104上的照明152。透射光谱704具有阻带710，阻带710对应于由4度入射的照明152激发的超表面130的电偶极子谐振和磁偶极子谐振两者的激发。阻带710具有中心波长712和线宽714。中心波长712约为1237nm。在一个实施例中，照明152具有小于线宽714的光谱线宽。在另一实施例中，照明152具有超过线宽714的光谱线宽。

图8是对于封装材料填充通道144的两个折射率值的对应于图7的超表面130的实施例a的透射率曲线890。透射率曲线890包括数值模拟的透射率光谱833和838，其对应于相应的封装折射率n＝1.333和n＝1.338。透射光谱833和838具有以各自的波长λ＝1210nm、λ＝1212nm为中心的相应阻带803和808。中心波长的差异是由相应封装介质132的折射率的差异δn＝0.005引起的。在某些实施例中，照明152具有小于阻带803或808的线宽的光谱线宽。

图9是超表面130的实施例a的在λ＝1212.02nm处的透射率曲线990，其中通道144中的pdms具有在1.333至1.338范围内的封装折射率。透射率曲线990包括数值模拟的透射率910及其相对于腔体折射率的导数912(dt/dn)。

图10是示出作为折射率传感器100的示例的折射率传感器1000的截面的示意图。折射率传感器1000包括光学单元1004和光源1050，它们分别是光学单元104和光源150的示例。光学单元1004包括基板110上的微流控芯片140、周期性阵列120和第二周期性阵列1020。周期性阵列120和1020在表面112和141之间的通道144中，并且是相应的超表面130和1030的一部分。光源1050被配置为利用相应的照明1052(1)和1052(2)同时照射周期性阵列120和1020中的每个。

第二周期性阵列1020是周期性阵列120的示例，并且包括作为第二周期性阵列1020布置在顶表面112上的多个第二介质谐振器。在实施例中，(i)多个第二介质谐振器中的每个的第二宽度不同于谐振器121的宽度124，以及(ii)第二周期性阵列的第二单位单元大小不同于谐振器121的单位单元大小123中的至少一个。在实施例中，周期性阵列1020与周期性阵列120相同。

在某些实施例中，折射率传感器1000包括在光电检测器158和光电检测器1058中的至少一个。光电探测器1058被配置成检测由超表面1030透射的照明1052(2)。

图11是包括超表面130的阻带1110和超表面1030的阻带1120的示意性透射率曲线1190。在一个实施例中，阻带1110和1120由照明1052激发相应的超表面130和1030的相应的反对称谐振(电偶极子或磁偶极子)而产生，其中角度156在2度和10度之间。在另一实施例中，阻带1110和1120是由照明1052激发相应的超表面130和1030的非反对称(例如，对称)谐振而产生，其中角度156在负2度和正2度之间，使得照明1052处于法向或接近法向入射。

阻带1110具有中心波长1112(λ1)和阻带线宽1114(δλ1)。阻带1120具有中心波长1122(λ2)和阻带线宽1124(δλ2)。在实施例中，照明1052具有照明中心波长1151(λ1151)，即在阻带中心波长1112和1122之间：λ1<λ1151<λ2。此外，在某些实施例中，阻带线宽δλ1大于光谱间隔λ1151-λ1的两倍，使得阻带1110包括照明中心波长1151(λ1151)：(λ1151-λ1)<0.5δλ1。类似地，在实施例中，(λ2-λ0)<0.5δλ2，使得阻带1120也包括照明中心波长1151(λ1151)。

图12是对于封装介质132的两个折射率值的超表面130的实施例a的透射率曲线1290。透射率曲线1290包括数值模拟的阻带1210和1220，其对应于相应的封装折射率n＝1.333和n＝1.383。阻带1210和1220具有相应的中心波长1212和1222。折射率的差异可以由包括封装材料的流体中分析物的引入或浓度变化引起。

阻带1210和1220分别是阻带1110和1120的示例，其中照明1052激发超表面130和1030的非反对称谐振(例如，对称谐振)。由于透射率曲线1290是实施例a的两种不同封装材料，周期性阵列120和1020相同，使得阻带1210和1220之间的差异是由于封装折射率的差异引起。

阻带1210由具有电偶极子谐振(其中心波长λe1210小于中心波长1212)和磁偶极子谐振(其中心波长λb1210大于中心波长1212)的超表面130产生。类似地，阻带1220由具有电偶极子谐振(其中心波长λe1220小于中心波长1222)和磁偶极子谐振(其中心波长λb1220大于中心波长1222)的超表面130产生。因此，阻带1210和1220中的每个具有小于相应中心波长的“电性面”和大于相应中心波长的“磁性面”。

阻带1210和1220的相应磁性面(λ0≈1425–1450nm)比它们相应电性面(λ0≈1325–1350nm)更紧密地重叠。例如，在透射率曲线1290中，波长范围1231小于波长范围1232。这是因为超表面130的电偶极子谐振相比于磁偶极子谐振对封装折射率更敏感。阻带1210和1220的这种不对称性能够区分(i)由照明中心波长1151的漂移引起的阻带中心波长的漂移和(ii)封装介质132的折射率变化。

在某些实施例中，超表面130和1030具有小于和大于中心波长1151的相应阻带。例如，阻带1110和1120分别是超表面130和1030的阻带。阻带的这种定位使得能够区分(中心波长1151的)波长漂移和封装介质130的封装折射率，这对于超表面130和1030可能是相同的。例如，封装介质130是流经通过并且围绕两个谐振器阵列120和1020的流体。

当封装折射率增加时，两个阻带1110和1120移位到更大波长(如图12中所示)，使得检测到的超表面130的透射率减小，而检测到的超表面1030的透射率增加。然而，如果中心波长1151减小，则检测到的超表面130的透射率减小，而检测到的超表面1030的透射率增加。因此，仅仅评估透射率是增加还是减小还不足以区分中心波长漂移和封装折射率的变化。

然而，如果中心波长1151对应于阻带1110的“电性”面和阻带1120的“磁性”面，则响应于封装折射率的变化，超表面130(阻带1110)的透射率将比超表面1030(阻带1120)变化得更多，因为电偶极子谐振对封装折射率的变化更敏感。中心波长1151的漂移将导致超表面130和1030之间的透射率变化差异明显较小。

照明中心波长和电/磁偶极子谐振之间的其他关系会导致上述反对称波长移位，该移位能够区分照明波长漂移和封装折射率的变化。这种关系的示例在以下进行描述。在实施例b中，阻带1110的中心波长1112由超表面130的具有各自中心波长λe1和λb1的电偶极子谐振和磁偶极子谐振确定。在实施例b中，阻带1120的中心波长1122由第二超表面的具有各自中心波长λe2和λb2的电偶极子谐振和磁偶极子谐振确定。当照明1052具有在中心波长1112和1122之间的照明中心波长1151时，(i)λe1>λb1且λe2>λb2或(ii)λe1<λe1且λe2<λb2。当λ1和λ2两者都小于照明中心波长1151或者都大于照明中心波长1151时，(iii)λe1>λb1且λe2<λb2或(iv)λe1<λe1且λe2>λb2。

图13是作为折射率传感器100的示例的折射率传感器1300的示意图。折射率传感器1300包括光源1350、光学单元1304、检测器1358和后处理器1310。光源150和1050是光源1350的示例。光源1350发射照明1352，其中照明152和1052是示例。光学单元104和1004是光学单元1304的示例，并且透射照明1352的至少一部分作为透射照明1352t。检测器1358包括至少一个检测器158，诸如光电检测器1058(图10)。后处理器1310包括处理器1302和存储器1320。检测器1358通信连接到后处理器1310，例如连接到处理器1302和存储器1320中的一个或两者。

存储器1320可以是暂时性和/或非暂时性，并且可以包括易失性存储器(例如，sram、dram、计算ram、其他易失性存储器或其任意组合)和非易失性存储器(例如，flash、rom、磁性介质、光学介质、其他非易失性存储器或其任意组合)。存储器1320的部分或全部可以集成到处理器1302中。

存储器1320存储参考光学信号1321、超表面光学信号1322、波长查找表1324、透射率查找表1326、软件1330、中心波长1342和测量折射率1348中的至少一个。参考光学信号1321的示例是光检测器158响应于透射照明154t的输出。超表面光学信号1322的示例是光检测器158响应于透射照明152t的输出。

透射率查找表1326包括多个透射率值，诸如模拟透射率910(图9)，与封装介质130的多个候选折射率中的相应一个(诸如，曲线990的横坐标)配对。在某些实施例中，超表面130的全波电磁模拟生成查找表1324和1326中的至少一个的条目。

软件1330包括阻带分析器1332、波长插值器1334和透射率插值器1336中的至少一个。在实施例中，阻带分析器1332从透射率光谱1325确定中心波长1342。中心波长1342的示例包括中心波长712(图7)、阻带803和808的各自中心波长λ＝1210nm和λ＝1212nm(图8)、中心波长1112和1122(图11)以及中心波长1212和1222(图12)。在实施例中，波长插值器1334从中心波长1342和波长查找表1324确定测量折射率1348。

图14是示出用于测量介质的折射率的方法1400的流程图。方法1400可以在折射率传感器1300的一个或多个方面内实现以确定封装介质132的封装折射率。在某些实施例中，软件1330将方法1400编码为计算机可读指令，并且方法1400由处理器1302执行软件1330的计算机可读指令实现。方法1400包括步骤1410、1420和1430中的至少一个。

步骤1410包括利用以相对于基板表面的非法向入射角入射在所述第一超表面上的照明，激发第一超表面的第一反对称谐振。所述第一超表面包括形成在基板表面上的谐振器的第一周期性阵列。其折射率正在被测量的介质对所述谐振器的第一周期性阵列进行封装。在步骤1410的示例中，折射率传感器1300的光学单元1304是光学单元1004，并且光源1350利用照明1352激发超表面130的反对称谐振。介质是封装介质132。

在某些实施例中，步骤1410包括步骤1412。步骤1412包括利用照明激发第二超表面的第二反对称谐振，第二超表面包括形成在基板表面上的谐振器的第二周期性阵列，第二周期性阵列在几何上不同于第一周期性阵列。在某些实施例中，照明在第二超表面上的入射角等于步骤1410的入射角。在步骤1412的示例中，光源1050利用照明1052(2)激发超表面1030的反对称谐振(图10)。

步骤1420包括从第一透射信号的第一幅值确定介质的折射率，第一透射信号包括照明的透射通过第一超表面的一部分。在步骤1420的示例中，折射率传感器1300确定封装介质132的测量折射率1348。

在某些实施例中，步骤1420包括步骤1422和1424，当第一透射信号的光谱具有在中心波长λ1处线宽为δλ1的阻带，并且照明具有超过线宽δλ1的光谱带宽且包括中心波长λ1时，步骤1420和步骤1420可适用。

步骤1422包括从第一透射信号确定中心波长λ1。在步骤1422的示例中，阻带分析器1332从超表面光学信号1322确定中心波长1342，其中超表面光学信号1322包括透射光谱，并且检测器1358包括光谱分析器。

步骤1424包括根据将多个阻带中心波长的每一个阻带中心波长映射到介质的多个候选折射率中的相应一个候选折射率的查找表，确定中心波长λ1处的折射率。在步骤1424的示例中，波长插值器1334根据波长查找表1324确定中心波长1342处的测量折射率1348。在该示例中，波长查找表1324将多个阻带中心波长中的每一个映射到介质132的一个或多个候选折射率中的相应一个。

在某些实施例中，步骤1420包括步骤1426，当第一透射信号的光谱具有线宽为δλ1的阻带以及照明具有中心波长λ0且小于线宽δλ1的光谱带宽时，步骤1420可适用。在这样的实施例中，光源1350可以是固定波长的光源，其比可调光源更经济和节省空间，并且对应于由检测器1358测量的光功率的光学信号1321和1322可以是单波长测量。

步骤1426包括根据将介质在中心波长λ0处的多个数值模拟透射率中的每一个数值模拟透射率映射到介质的多个折射率中的相应一个折射率的查找表，从第一透射信号确定折射率。在步骤1426的示例中，透射率插值器1336从超表面光学信号1322、参考光学信号1321和透射率查找表1326确定测量折射率1348。

在某些实施例中，例如，当步骤1410包括步骤1412时，步骤1420包括步骤1428。步骤1428包括从第二透射信号的第二幅值以及所述第一幅值确定介质的折射率，第二透射信号包括照明的透射通过第二超表面的一部分。在步骤1428的示例中，超表面光学信号1322包括第二光学信号1323，第二光学信号1323可以是超表面1030的透射功率光谱或单波长透射功率值。软件1330经由步骤1422和1424、或经由步骤1426确定超表面1030的第二测量折射率1349。后处理器1310可以在测量折射率和第二测量折射率相差超过预定值时生成错误消息。

在某些实施例中，方法1400包括步骤1412和随后的步骤1430。步骤1430包括通过将第一幅值的变化与第二幅值的变化进行比较，确定第一幅值的变化是由照明的中心波长的变化引起还是由介质的折射率的变化引起。当(a)第一超表面具有光谱上邻近的电偶极子谐振和磁偶极子谐振以及(b)第二超表面具有光谱上邻近的电偶极子谐振和磁偶极子谐振时，可以应用步骤1430。

在步骤1430的示例中，折射率传感器1000的超表面130和1030相对于中心波长1151具有各自的阻带1110和1120(图11)，并且软件1330比较超表面130和1030的透射率的变化。在步骤1430的该示例中，超表面130和1030根据上述实施例b具有相应的电偶极子谐振和磁偶极子谐振。同样在步骤1430的该示例中，当照明1052的照明中心波长1151在中心波长1112和1122之间时，(i)λe1>λb1且λe2>λb2或(ii)λe1<λb1且λe2<λb2。当λ1和λ2两者都小于或者都大于照明中心波长1151时，(iii)λe1>λb1且λe2<λb2或(iv)λe1<λb1且λe2>λb2。

图15是示出用于区分介质的折射率的变化与照射介质的照明的中心波长的变化的方法1500的流程图。方法1500可以在折射率传感器1300的一个或多个方面内实现以确定封装介质132的封装折射率。在某些实施例中，软件1330将方法1400编码为计算机可读指令，并且方法1500由处理器1302执行软件1330的计算机可读指令实现。

方法1500包括步骤1510和1512，其与方法1400的相应步骤1410和1412相似。在步骤1510和1512中，与步骤1410和1412不同，谐振不需要是反对称的，并且入射角可以对应于法向入射。步骤1510和1512分别涉及第一超表面和第二超表面。在某些实施例中，(a)第一超表面具有光谱上邻近的电偶极子谐振和磁偶极子谐振以及(b)第二超表面具有光谱上邻近的电偶极子谐振和磁偶极子谐振，例如，如上面的步骤1430的示例。方法1500还包括步骤1530，其类似于方法1400的步骤1430。

步骤1510包括利用以相对于基板表面的入射角入射在第一超表面上的照明，激发第一超表面的第一谐振。入射角可以是零度(法向入射)，接近法向入射(在±2度之间)或在2度和10度之间。第一谐振可以是对称的、反对称的或非反对称的。第一超表面包括形成在基板表面上的谐振器的第一周期性阵列。折射率正在被测量的介质对所述谐振器的第一周期性阵列进行封装。在步骤1410的示例中，折射率传感器1300的光学单元1304是光学单元1004，并且光源1350利用照明1352激发超表面130的谐振。介质是封装介质132。

步骤1512包括利用照明激发第二超表面的第二谐振，第二超表面包括形成在基板表面上的谐振器的第二周期性阵列，第二周期性阵列在几何上不同于第一周期性阵列。在某些实施例中，照明在第二超表面上的入射角等于步骤1510的入射角。在步骤1412的示例中，光源1050利用照明1052(2)激发超表面1030的谐振(图10)。

步骤1530包括通过将第一透射信号的第一幅值的变化与第二透射信号的第二幅值的变化进行比较，确定第一幅值的变化是由照明的中心波长的变化引起还是由介质的折射率的变化引起。第一透射信号包括照明的透射通过第一超表面的第一部分。第二透射信号包括照明的透射通过第二超表面的第二部分。步骤1530的示例与以上提供的步骤1430的示例相同。

特征的组合

上面描述的特征以及以下要求保护的特征可以以各种方式组合而不脱离其范围。以下列举的示例说明一些可能的非限制性组合：

(a1)用于测量介质的折射率的方法包括，利用以相对于基板表面的非法向入射角入射在第一超表面上的照明，激发第一超表面的第一反对称谐振，第一超表面包括形成在基板表面上的谐振器的第一周期性阵列，第一超表面包括对谐振器的第一周期性阵列进行封装的介质。该方法还包括从第一透射信号的第一幅值确定介质的折射率，第一透射信号包括所述照明的透射通过第一超表面的一部分。

(a2)在方法(a1)中，第一透射信号的光谱具有在中心波长λ1处线宽为δλ1的阻带。其中当照明具有超过线宽δλ1的光谱带宽且包括中心波长λ1时，确定折射率可以包括(i)从第一透射信号确定中心波长λ1，以及(ii)根据将多个阻带中心波长的每一个阻带中心波长映射到介质的多个候选折射率中的相应一个候选折射率的查找表，确定中心波长λ1处的折射率。中心波长λ1可以超过谐振器的第一周期性阵列的每个谐振器的最大空间尺寸和第一周期性阵列的单位单元大小两者。

(a3)在方法(a1)中，第一透射信号的光谱具有线宽为δλ1的阻带，其中，当所述照明具有中心波长λ0和小于线宽δλ1的光谱带宽时，确定折射率可以包括：根据将介质在中心波长λ0处的多个数值模拟透射率中的每一个数值模拟透射率映射到介质的多个折射率中的相应一个折射率的查找表，从第一透射信号确定折射率。

(a4)在方法(a1)至(a3)中的任何方法中，当激发第一反对称谐振时，非法向入射角可以在2度和10度之间。

(a5)方法(a1)至(a4)中的任何方法可以进一步包括(i)利用照明激发第二超表面的第二反对称谐振，第二超表面包括形成在基板表面上的谐振器的第二周期性阵列，第二周期性阵列在几何上不同于第一周期性阵列，以及(ii)从第二透射信号的第二幅值以及所述第一幅值确定介质的折射率，第二透射信号包括照明的透射通过第二超表面的一部分。

(a6)方法(a1)至(a5)中的任何方法可以进一步包括(i)利用照明激发第二超表面的第二反对称谐振，第二超表面包括形成在基板表面上的谐振器的第二周期性阵列，第二周期性阵列在几何上不同于第一周期性阵列，以及(ii)通过将第一幅值的变化与第二透射信号的第二幅值的变化进行比较，确定第一幅值的变化是由照明的中心波长的变化引起还是由介质的折射率的变化引起，第二透射信号包括照明的透射通过第二超表面的一部分。

(b1)用于区分介质的折射率的变化与照射介质的照明的中心波长的变化的方法包括利用入射在第一超表面上的照明激发第一超表面的第一谐振，第一超表面包括形成在基板表面上的谐振器的第一周期性阵列，第一超表面包括对谐振器的第一周期性阵列进行封装的介质。该方法还包括利用照明激发第二超表面的第二谐振，第二超表面包括形成在基板表面上的谐振器的第二周期性阵列，第二周期性阵列在几何上不同于第一周期性阵列。该方法还包括通过将第一透射信号的第一幅值的变化与第二透射信号的第二幅值的变化进行比较，确定第一幅值的变化是由照明的中心波长的变化引起还是由介质的折射率的变化引起。第一透射信号包括照明的透射通过第一超表面的第一部分。第二透射信号包括照明的透射通过第二超表面的第二部分。

(c1)折射率传感器包括基板、微流控芯片、多个第一介质谐振器和光源。基板具有顶表面。微流控芯片在顶表面上并且具有非平面底表面，非平面底表面形成界定在顶表面和非平面底表面之间的通道。通道具有在垂直于顶表面的方向上的通道深度。多个第一介质谐振器作为以第一周期性阵列布置在顶表面上，并且延伸进入通道中达到顶表面上方的一高度，所述高度小于通道深度。光源被配置为以非法向入射角入射在顶表面上的照明照射第一周期性阵列。所述照明具有中心波长λ0，中心波长λ0超过高度、多个第一介质谐振器中的每一个第一介质谐振器的第一宽度以及第一周期性阵列的第一单位单元大小。

(c2)在折射率传感器(c1)中，每个谐振器可以具有折射率nr(λ0)，基板具有折射率ns(λ0)<αnr(λ0)-β，α在0.6和0.7之间，以及β在0.08和1.2之间。

(c3)在折射率传感器(c1)和(c2)的任何折射率传感器中，多个第一介质谐振器和通道中的封装介质形成超表面，照明的光谱线宽可以小于由通过照明激发的超表面的反对称谐振的激发产生的阻带的线宽。

(c4)折射率传感器(c1)至(c2)中的任何折射率传感器可以进一步包括在顶表面上布置为第二周期性阵列的多个第二介质谐振器，具有以下中的至少一个：(i)多个第二介质谐振器中的每一个第二介质谐振器的第二宽度不同于第一宽度，以及(ii)第二周期性阵列的第二单位单元大小不同于第一单位单元大小，并且光源可以被进一步配置为利用照明同时照射第一周期性阵列和第二周期性阵列。

(c5)在任何折射率传感器(c4)中，多个第一介质谐振器和通道中的封装介质可以形成第一超表面；多个第二介质谐振器和通道中的封装介质可以形成第二超表面；以及照明可以具有光谱线宽δλ0，光谱线宽δλ0小于(i)由通过照明激发的第一超表面的第一谐振的激发产生的第一阻带的线宽δλ1和(ii)由通过照明激发的第二超表面的第二谐振的激发产生的第二阻带的线宽δλ2。

(c6)在任何折射率传感器(c5)中，第一阻带和第二阻带可以具有各自的中心波长λ1和λ2，其中λ1<λ0<λ2，(λ0-λ1)<0.5δλ1，并且(λ2-λ0)<0.5δλ2。

(c7)在任何折射率传感器(c5)和(c6)中，第一阻带可以具有由第一超表面的具有各自中心波长λe1和λb1的电偶极子谐振和磁偶极子谐振确定的中心波长λ1。第二阻带可以具有由第二超表面的具有各自中心波长λe2和λe2的电偶极子谐振和磁偶极子谐振确定的中心波长λ2。当照明的中心波长λ0在λ1和λ2之间时，可以适用以下表示为(i)和(ii)的不等式对：(i)λe1>λe1且λe2>λb2，或者(ii)λe1<λb1且λe2<λb2。

(c8)任何折射率传感器(c4)至(c7)可以进一步包括：被配置为检测照明的透射通过第一周期性阵列的第一部分的第一光电检测器；以及被配置为检测照明的透射通过第二周期性阵列的第一部分的第二光电检测器。

(c9)任何折射率传感器(c1)至(c8)还可以包括光电检测器、处理器和存储器。光电检测器被配置为检测透射信号，透射信号包括照明的透射过基板和第一周期性阵列的一部分。处理器通信连接到光电检测器。存储器存储非暂时性计算机可读指令，当非暂时性计算机可读指令由处理器执行时，控制处理器以执行方法(a1)至(a5)和(b1)中的任何方法。

在不脱离其范围的情况下，可以对以上方法和系统进行改变。因此应注意，以上描述中包含的或附图中所示的内容应解释为说明性的，而不是限制性的。在本文中，除非另外指出，否则短语“在实施例中”等同于短语“在某些实施例中”，并且并不表示所有实施例。所附权利要求书旨在覆盖本文描述的所有通用和特定特征，以及本方法和系统的范围的所有陈述，就语言而言，可以认为其介于两者之间。