基于缺陷态光子晶体表面波谐振和光谱重构原理的高通量生物分子信息检测研究

A optical biosensor used in biomolecule concentration and intermolecule interation detection has been proposed combining the photonic bandgap characteristic of defect photonic crystal with the surface wave resonance principle. The sensing model of the biosensing chip based on defect photonic crystal has been established based on rigid coupled wave method, and the relationship between the change of resonance angle for reflective spectrum and the variation of refractive index for biomolecule detected. Through the theoretical simulation, the photonic crystal structure and parameters has been optimized to obtain high Q value. Using layer-upon-layer package technique,in place of the metal film in the surface plasma resonance(SPR) sensor, the photonic crystal with the defect layer have been prepared through vacuum sputtering, which surface could be recycled to reduce the detection cost. In additon, repeatedly total reflection would take place in the defect layer, which would enhance the electromagnetic field, provide sufficient chance to affect the biomolecule and increase the senstivity of the measurement system. The signal demodulation would be achieved based on polarization interference. The spectrum image would be marked with different color through the spectrum image reconstruction technique, and the dynamic real-time dection of interation betweeen biomolecules could be achieved by spectrum sampling. And the high-flux detection system would be established combining the micro-pore plate and mirofluid channel technology and using region label. The research achievement has high research significance and would be widely used in vaccin research, disease diagnosis, environmental monitoring, and so on.

本项目拟结合缺陷态光子晶体的光子带隙特性与表面波谐振原理，提出一种用于生物分子浓度及分子间相互作用检测的光学生物传感器结构。基于严格耦合波法建立缺陷态光子晶体生物敏感芯片的传感模型，进而得出反射光谱谐振角度变化与待测生物分子样液折射率变化关系；通过理论仿真，优化设计光子晶体结构参数，实现高Q值；采用层层自组装技术，通过真空溅射法制备缺陷态光子晶体，取代传统表面等离子共振传感器中的金膜作为敏感芯片，其活性表面可重复利用从而降低检测成本，入射光在缺陷层谐振腔中形成多次全反射，使电磁场增强，并与待测生物分子样液充分作用，提高检测的灵敏度；基于偏振干涉，实现信号解调；通过光谱图像重构技术对光谱图像进行颜色标示，并通过光谱间隔采样实现生物分子间相互作用的实时动态监测。结合微孔板和微流通道技术，采用区域标记，实现高通量检测。该研究成果可广泛用于疫苗研制、疾病诊断、和环境监测等领域，具有重要的研究意义。

随着光学生物传感技术的发展，光学生物传感器在生物分析、医疗诊断、国防科研、食品安全和环境监测等多个领域得到了广泛的应用。设计出高灵敏度和高Q值的传感器，已经成为光学传感器相关研究的发展趋势。光子晶体传感器利用缺陷态光子晶体结构对不同折射率的样本溶液反映的不同光谱信息进行分析，从而实现浓度、组分和生物分子相互作用及其动态变化等多种信息的检测。 .本项目结合缺陷态光子晶体的光子带隙特性与表面波谐振原理，提出了一种用于生物分子浓度及分子间相互作用检测的光学生物传感器结构。在表面缺陷态光子晶体中，以SiO2-Al2O3-SiO2作为缺陷腔取代传统SPR传感器中的金膜作为敏感芯片，在缺陷层中加入吸收介质，并使光波在缺陷层表面处发生全反射，通过研究缺陷层产生谐振与全反射发生古斯汉欣位移，进而得出反射光谱谐振角度变化与待测生物分子样液折射率变化关系。利用分层传输矩阵法对表面缺陷态光子晶体传感器结构进行数值计算，并分析其传感特性。通过理论仿真，优化设计光子晶体结构参数，实现高Q值；入射光在缺陷层谐振腔中形成多次全反射，使电磁场增强，并与待测生物分子样液充分作用，提高检测的灵敏度。结合微孔板和微流通道技术，利用CCD面阵成像机理通过光谱间隔采样实现生物分子间相互作用的实时动态监测，基于角度调制原理实现高通量检测。.实验结果表明，对于单点测量，该表面缺陷态光子晶体传感器的Q值约为1087.7，灵敏度S约为3596 nm•RIU-1，证明该传感器光子晶体表面缺陷结构具有高Q值、高灵敏度的特性。结合微孔板技术的优势，在一个扫描周期内可实现对不同传感区域的不同待测样本信息的同时监测，通过前面得到的入射角与待测样本溶液折射率之间的关系，来检测各个传感区域滴定的溶液折射率的变化，因此，该传感器在角度调制高通量检测时的Q值为2080.23。.本项目的研究成果将在疫苗研制、疾病诊断、药物开发、基因测序、案件侦破、环境监测、食品安全检验等领域具有重要的研究意义和应用前景。