基于微结构光纤双模激光器的免标记生物传感机理研究

This project presents a kind of label-free biosensor which is based on dual-mode microstructured optical fiber laser,the microstructured fiber provides the microfluidic tube for analyte,in order to form dual-mode laser resonant cavity, the LPG and FBG are cascaded in the microstructured fiber, which facet is coated with metal. This transducer is based on perturbation of the simultaneous lasing of the core mode and a high-order cladding modes which is inflected by the analyte refractive index. The chief contents of this proposal are: (1) investigating dual-mode provoking and the mechanism of interaction between light and molecules in the microfluidic tube, exploring the bonding law of biological molecules in microfluidic tube and sensitizing method, and researching the role of biological molecules that in the air holes on mode coupling characteristics;(2) designing and fabricating tombarthite-doped microstructured fiber, exploring the best fiber structure, and increasing the energy of cladding mode in microfluidic tube and the gain of laser;(3)researching the law of refractive index distribution when the cladding's structure changes periodically, analyzing mode coupling characteristics between core mode and cladding mode,and researching the gating law in the structure-changing technics;(4)creating a biosensor system which is based on dual-mode microstructured optical fiber laser, realizing the label-free measurent..This study will play a great role in the development of biosensoring technology in our country and will lay a solid foundation for the research of future biosensoring.

本项目提出了一种基于微结构光纤双模激光器的免标记生物传感方案，利用微结构光纤包层空气孔构成生物分子微流通道，在掺杂微结构光纤中制作布拉格光栅及长周期光栅，端面镀膜，从而形成双模激光谐振腔，利用生物分子对包层有效折射率的扰动进而影响激光器中包层模传播特性来实现生物分子的快速免标记检测。本项目的主要研究内容包括：（1）双模激发及微流通道中光与分子作用机理研究，分析包层空气孔中生物分子对光场模式耦合特性的作用规律，探寻微流通道中生物分子键合规律及增敏方法；（2）稀土掺杂微结构光纤设计与制备，寻找最佳光纤结构，增加微流通道中包层模能量和激光增益；（3）寻找包层周期性结构改变下微结构光纤中折射率分布特征，得到结构性改变工艺下成栅规律；（4）建立微结构光纤双模激光生物传感器系统，实现生物分子的快速免标记测量。本研究将对我国生物传感技术的发展起到巨大的推动作用，为下一代生物传感设备的研究打下坚实的基础。

本项目提出了一种基于微结构光纤双模激光器的免标记生物传感方案，利用微结构光纤包层空气孔构成生物分子微流通道，在掺杂微结构光纤中制作布拉格光栅及长周期光栅，端面镀膜，从而形成双模激光谐振腔，利用生物分子对包层有效折射率的扰动进而影响激光器中包层模传播特性来实现生物分子的快速免标记检测。本项目主要完成如下工作：（1）建立了微流通道中生物分子对包层模作用数学模型，对基于双模激光器的生物传感理论进行深入研究，获得了生物分子特征的光学表征规律；（2）采用层组装工艺，实现了微流通道中生物分子的键合，研究了免疫球蛋白分子浓度与光场作用，得到了高阶模受生物分子浓度的影响规律；（3）获得掺杂微结构光纤以及微结构光纤光栅对双模激发的影响规律，得到了最佳的光纤和光栅参数，实现相应微结构光纤以及光栅的制备；（4）实验室建立微结构双模激光器的生物传感器系统，实现抗免疫球蛋白的快速准确测量。此外，我们还对研究过程中发现的相同波长下光栅解调问题进行了深入研究，采用退火算法，利用形状复用技术，实现了相同波长的4光栅重叠情况下的解调，得到了97%的解调成功率。本项目所设计的系统，无电接触、元件少、低成本、方法简单有效，在生化领域拥有很好的应用前景。