基于四波混频效应的悬挂芯光子晶体光纤DNA生物传感器研究

The four-wave mixing (FWM)-based sensor is utilizing the shift of FWM Stokes or anti-Stokes peaks to detect the minute changes of external environment. Due to its high sensitivity, simplicity, such a sensor exhibits great scientific research value and application potential in optical fiber sensing area. However, its application in bioassays is limited for small air holes and low nonlinear coefficient of photonic crystal fibers (PCFs). To overcome above problems, a DNA biosensor based on FWM effect of suspended-core PCF is proposed. In theory, the FWM effect in suspended-core PCF will be researched, and fiber structure and thickness of bimolecular layer will be designed and optimized. In experiment, the DNA sensor probe will be fabricated with immobilization methods of DNA molecules, and sensor system based on FWM effect of suspended-core PCF will be established. Finally, preliminary tests on biological samples will be taken with the fabricated sensor, and the response time, detection limit and detection range will be investigated with different concentrations of DNA samples. Combining high sensitivity of FWM-based sensors with the characters of large air holes, high nonlinear and flexibly controllable dispersion of suspended-core PCFs, a DNA sensing probe with advantages of high sensitivity, high speed and convenience is expected in this project, which provides a alternative method for bioassays in biomedicine.

利用四波混频效应中斯托克斯波或反斯托克斯波波长的漂移可以实现外界环境微小变化的探测，该方法灵敏度高、结构简单，在传感领域具有巨大研究价值和应用潜力。然而，普通光子晶体光纤（PCFs）空气孔小、非线性系数低等因素，限制了其在生物检测方面的进一步发展与应用。针对以上问题，本项目提出利用悬挂芯PCFs并结合四波混频效应来制作DNA生物传感器。理论上，研究悬挂芯PCFs中的四波混频效应，设计优化光纤结构与DNA生物层参数；实验上，解决DNA分子固定关键技术，制作出DNA传感探针，并搭建出基于悬挂芯PCFs的四波混频传感系统。最后，利用研制的传感器对生物样品进行初步检测，研究传感器的响应时间、检测限、检测范围等特性。本项目将悬挂芯PCFs的大空气孔、高非线性、灵活可控色散特性，与四波混频效应传感器的高灵敏特性相结合，传感器具有高灵敏度、快捷、灵活等优点，为生物医学中生物样品检测提供新的途径。

四波混频效应是介质中四个光波相互作用所引起的非线性光学效应。产生四波混频需要泵浦光和信号光之间满足相位匹配条件。当光纤结构发生微小变化时，光纤的零色散波长会发生变化，从而导致产生的斯托克斯波和反斯托克斯波波长发生漂移。通过漂移情况来反映光纤结构或外界环境的变化，就是基于四波混频效应的光纤传感机理。在本项目中：.（1）我们设计了一种基于四波混频效应效应的液体填充光子晶体光纤折射率传感器，分析了泵浦波长位于正常色散区和反常色散区时，产生的闲频光和信号光随折射率的变化情况，也分析了入射光泵浦功率对折射率灵敏度的影响，以及泵浦功率波动引起的折射率测量误差；（2）我们提出了基于四波混频效应的液体填充光子晶体光纤温度传感器，对信号光的光谱特性以及传感特性进行了理论和实验研究，同时实验研究了泵浦功率对信号光的影响。我们还对填充不同液体的光纤传感器进行了复用研究；（3）我们对基于四波混频效应的选择性液体填充光子晶体光纤温度传感器进行了理论和实验研究，温度灵敏度可达到0.61 nm/oC，并且传感器灵敏度随传感光纤长度不变，这对于搭建超紧凑传感器非常重要；（4）制作了一种基于四波混频效应的开腔式悬挂芯光子晶体光纤折射率传感器，光纤空气孔大，液体填充非常方便容易，但灵敏度还有待提高；（5）初步进行了DNA分子的固定实验，并对DNA浓度进行了检测。. 本项目将光子晶体光纤与四波混频效应传感器的高灵敏特性相结合，传感器具有高灵敏度、快捷、灵活等优点，为生物医学中生物样品检测提供新的途径。