多功能生物医学传感检测光电子集成芯片研究

To meet the demand of biomedical sensing technologies that are developing towards high density integration, fast analysis, miniaturization, and low-cost, the proposed research will investigate and develop multifunctional, high sensitivity photonic lab-on-a-chip, including (1) spiral nanowire waveguide double-ring sensors for refractive index based bimolecular detection, (2) surface-enhanced fluorescence spectroscopy and Raman spectroscopy based on spectrometer-on-a-chip and nanowires spiral waveguide with surface plasmon enhancement by gold nanoparticles, and (3) absorption spectroscopy based on novel tunable semiconductor laser and nanowire spiral waveguide. Through the integration of array elements and building blocks of different functionalities, prototypes of highly integrated multifunctional photonic lab-on-a-chip will be developed, which can perform fluorescence, Raman and absorption spectroscopy measurements as well as refractive index sensing, with operating wavelengths in the visible and near infrared. By collecting weak spectral signal through spiral nanowire waveguide with surface plasmon enhancement by metal nanoparticles, a novel, efficient and highly sensitive means is provided for signal acquisition in on-chip spectrometric detection technology. The functionality and integration density of the photonic lab-on-a-chip is at the international advanced level, and will promote the development of biomedical sensor technology and multifunctional photonic integration technology in China.

根据生物医学传感检测技术朝着高集成度、快速、小型化、低成本的方向发展的需求，本项目研究多功能、高灵敏度的光电子传感检测芯片，包括基于折射率探测的纳米线螺旋波导双谐振腔游标传感器, 基于芯片微光谱仪和纳米线螺旋波导以及纳米金表面等离子体增强的荧光光谱和拉曼光谱检测，基于新型可调谐半导体激光器和纳米线螺旋波导的吸收光谱检测等关键组元，通过它们的阵列集成以及多个不同功能的芯片集成，实现高集成度多功能光电子传感检测芯片原型，可以进行可见光和近红外不同波段的荧光、拉曼和吸收光谱检测以及折射率传感。通过采用纳米线螺旋波导采集微弱光谱信号，并利用纳米金属颗粒表面等离子增强效应增强与被测分子的相互作用，可以为芯片级的光谱检测技术的信号采集提供高效、高灵敏度的新手段。本项目的光电子传感芯片的功能多样性、芯片集成度都将处于国际前沿水平，将促进我国生物医学传感检测技术和多功能光电子集成芯片技术的发展。

光学传感在生物医学检测、化学分析、环境监测等领域已得到广泛的应用。目前大部分商品化的光学传感技术都是基于光谱仪、SPR 测试仪等实验室仪器，体积大，价格昂贵，所需的样品量也大。根据生物医学传感检测技术朝着高集成度、快速、小型化、低成本的方向发展的需求，本项目研究多功能、高集成度、高灵敏度的光电子传感检测芯片，促进我国生物医学传感检测技术和多功能光电子集成芯片技术的发展。项目完成了研制应用于生物医学检测领域的多功能光电子芯片原型器件的预期目标,成功研制的代表性芯片和器件包括：基于双谐振腔级联的折射率传感器，基于蚀刻衍射光栅和傅里叶变换的光谱仪芯片及光谱仪样机，用于血液多参数检测的720nm 波段V型腔可调谐激光器以及用于甲烷探测的1650nm波段的V型腔可调谐激光器。开展了硅芯片上的拉曼光谱生物分子选择性检测，研究了纳米波导表面光场和生物分子相互作用，金纳米颗粒和金属波导中表面等离子体对拉曼光谱增强效应，在实验上利用金粒子增强拉曼散射的作用，测量了4,4-联吡啶分子；利用等离子体狭缝波导空间激发拉曼光谱测试了4-硝基苯硫酚分子。级联双环传感器经过浙江省计量科学院检测灵敏度达到2900nm/RIU，折射率最小探测灵敏度优于10-6。在硅波导表面制备了具有特异性吸附功能的生物分子薄膜和分子印迹。利用表面修饰特异性吸附薄膜的级联双环传感器测试了睾酮分子，利用竞争法对有机磷农药中三唑磷分子进行测试。通过在硅基双环谐振腔传感环表面修饰链霉亲和素、生物素标记的人免疫球蛋白G测试了人免疫球蛋白G，通过各种表面修饰测试了黄体酮、前列腺癌特异性抗原PSA，PCA3等。项目执行期间共发表标注项目的SCI论文63篇，其中包括1篇Laser & Photonics Review，7篇Opt. Lett.，4篇Opt. Express, 2篇Adv. Mater.，1篇ACS Nano，1篇Biomaterials。 申请美国发明专利1项，中国发明专利24项（其中已授权6项），培养博士后出站1人，毕业博士硕士研究生21人。