高灵敏度表面等离子激元共振光纤生物化学传感关键技术研究

本课题开展金属介质纳米结构表面等离子激元共振高灵敏度光纤生物化学传感关键技术的研究。为解决在生物、医疗、化工和能源等领域具有巨大应用潜力的光纤生物化学传感器所存在的灵敏度低、环境适用性弱、重复性低、稳定性差等普遍问题和难题，本课题拟将光纤传感器、表面等离子激元共振、生物检测、化学分析、高分子聚合物、微纳结构与技术、传感器融合、光电及信息处理等进行创新结合和有机融合，针对基于金属介质纳米结构的表面等离子激元共振传感机理、目标预嵌入式功能型高分子聚合物薄膜、金属介质纳米结构的灵敏度增强技术、微纳光纤传感器结构和工艺及复用方法等开展原创性的研究，重点解决实现高灵敏度光纤生物化学传感所需的高选择性、高重复性、高稳定性、多参数测量和复用性等关键问题。该课题能够建立和实现高灵敏度光纤生物化学传感的核心理论和关键技术，推动光纤表面等离子激元共振生物化学传感技术的深入发展，具有重要的科学意义和应用价值。

本项目开展了高灵敏度光纤SPR生物化学传感关键技术的研究。课题组通过表面等离子激元理论研究、纳米结构分析及传感器建模，采用特种光纤、纳米材料及生化功能膜系实现了多种高灵敏度光纤SPR传感器，有效地解决了光纤生化传感技术中灵敏度低、选择性差、重复性低等问题，在高集成度、宽应用范围光纤SPR生化传感系统研制方面取得了重要进展。通过研究金属光栅结构中电磁场模式共振耦合原理，建立了耦合等离子模式与FP腔联合共振的传感模型，基于模式耦合理论及Fano共振机制实现了表面局域电磁场增强，设计了金属纳米孔、纳米环等集成化传感结构，可实现对微量生物分子的高灵敏度检测。研制了基于光纤毛细管及光子晶体光纤等材料的自补偿SPR传感元件，采用微纳结构金银混合膜系提高了SPR传感元件的灵敏度，利用ITO等材料实现了宽光谱双通道SPR传感检测，采用液晶填充的空心光纤传感器实现了对环境状态的监测；研制了用于多物理化学参量检测的多通道或准分布式光纤传感器，与SPR技术相结合可实现多参量高灵敏度生物化学测试。制备了CNC-Ag及TiO2-Ag等碳化物，增强了表面增强拉曼光谱活性及拉曼增强位点；研制了碳化棉布柔性纳米材料，制备了CNC-Al2O3-Ti等碳纳米线圈并将其用于传感研究。利用巯基乙烯砜实现了对SPR芯片表面多样化修饰，研发了能够特异性检测糖蛋白的SPR硼酸探针，对刀豆蛋白ConA的检测下线可以达到0.287nM；合成了能够特异性识别糖类的硼酸SPR探针，对葡萄糖的检出限低至0.1μM，优于传统尿糖检测指标。研制了波长调制、角度调制和相位调制等SPR仪器，折射率分辨率达10-7RIU；研制了基于通用光电器件的便携式及智能手机光纤SPR传感系统样机，并实现了高分辨率生物分子检测和生化反应监测。本项目实施以来发表论文119篇，其中SCI论文96篇(44篇Sci. Reports、Nanoscale、Opt. Letters、Opt.Express等IF>3的论文)、EI论文97篇；课题组成员之一参与获得国家技术发明二等奖1项；申请并获批软件著作权2项；申请发明专利25项，已授权5项；培养博士生29人，硕士生58人。课题组成功地承办了2014年第八届中国光纤传感学术会议暨产业化论坛，会议规模近300人，有效地进行了项目宣传；积极参加国际会议、与国外团队互访及联合培养研究生，建立了坚实的国际合作平台。