基于全介质类电磁诱导透明效应的无标记红外生物传感器研究

Label-free biosensors based on artificial metamaterials have important application prospects. The current research is mainly using metal, causing low resonant Q value and quality factor, and the spectral resolution is not high. Electromagnetically induced transparency (EIT) can improve the resonant Q value of the sensors. In particular, Mie Resonance-based all-dielectric metamaterials can produce equivalent electrical and magnetic dipole, use displacement current instead of conduction current, greatly reduce the dispersion absorption and energy loss, effectively improve the Q value, transmittance and sensitivity. Biosensors based on all-dielectric EIT metamaterials are rarely reported. The main research contents of this project include the study of the physical mechanism of several kinds of electromagnetic induced transparency effects, such as guided mode resonance (GMR), coherent coupling between bright mode and dark mode; the introduction of high-order Mie electromagnetic resonance to increase the Q value greatly; the coupling among all dielectric materials to enhance localized electromagnetic field and increase the sensitivity; extend the working wavelength range to 3 microns or more, then the device size is in the order of microns, which is conducive to reduce the loss and increase Q value (Q>5000). It is necessary to improve the sensitivity of the sensor. This project will solve the technical difficulties of simulation, performance optimization, surface modification, preparation and testing, and study the realization of small size, low cost, high sensitivity, and label-free all-dielectric EIT biosensors.

基于人工超材料的生物传感器具有重要应用前景。目前的研究以金属为主，谐振Q值和品质因数均较低，光谱分辨率不高。电磁诱导透明效应（Electromagnetically induced transparency，EIT）可产生超高Q值的谐振峰。特别是基于米氏谐振的全介质超构材料可产生等效电、磁偶极子，位移电流取代传导电流，大幅降低色散吸收和能量损耗，更有效提高Q值、透过率和灵敏度。本项目首次提出全介质类EIT生物传感器，引入高阶米氏电磁谐振实现超高Q值的类EIT峰；通过介质超构材料间耦合实现局域场增强，提高传感器灵敏度；研究导模共振和明暗模相干耦合等几种类EIT物理机理；优化设计中远红外（3微米以上）超高Q（Q>5000)类EIT生物传感器，降低损耗。本项目将解决所涉及的仿真、性能优化、表面修饰、制备、检测等技术难点，实现小型化、低成本、高灵敏度的无标记全介质类EIT生物传感器。

研究背景：.随着社会的迅速发展，迫切需要及时有效地对食品添加剂、疾病特征标识等目标物进行检测，开发灵敏、快速、便携的生物传感器势在必行。超材料是一类人工设计的复合电磁材料，有着自然界中天然材料所没有的独特物理性质。类电磁诱导透明(Electromagnetic-like induced transparency, EIT)效应在传感器、光存储、非线性器件等领域都有着潜在的应用。结合类电磁诱导透明和超材料能够增强传感器的灵敏度，降低检测下限，因此越来越受到科学界的关注。.研究内容：.本项目首次提出了基于全介质类电磁诱导透明效应的红外波段无标记生物传感器。我们主要从物理机理分析，理论模型构建、生物模型设计、器件制备与测试等四方面开展工作。主要研究内容包括完成了导模共振和明模暗模干涉相消几种类电磁诱导透明效应实现方式的物理机理研究；通过引入高阶米氏电磁共振，实现了超高Q值的类电磁诱导透明效应峰；通过添加引导机制利于介质间耦合实现局域电磁场增强，进一步提高了传感器的灵敏度，降低了探测极限；实验中通过将器件的工作波段设置在中远红外（3μm以上），实现了器件尺寸控制在微米量级，从而有效降低了损耗和提升了Q值；完成了优化制备工艺和测试流程的优化。.研究成果：.本项目深入研究了相应物理机理，设计了多种超材料生物传感器，并利用设计的超材料传感器对牛血清蛋白、吡虫啉、毒死蜱等物质进行了检测，检测灵敏度较高，并且具有极低的检测下限。在实验中牛血清蛋白的检测下限（LOD）低达0.035mg/mL，人免疫球蛋白G的LOD低至0.2018μg/ml，吡虫啉的LOD为0.0112mg/ml，伏杀硫磷的LOD低至0.01mg/ml，正与相关企业合作展开产品化实践。在国家自然科学基金的大力支持下，项目负责人带领整个课题组，发表SCI论文23篇，申请国家发明专利六项，授权前景稳定，培养硕士研究生12名。.研究意义：.本课题研究了超高Q值类电磁诱导透明峰的新实现方式，实现了小型化、低成本、高灵敏度的各类超构材料生物传感器，有效提高了Q值、透过率等关键传感性能。本项目的研究成果已在各类无标记生物传感检测领域得到实现和应用。