基于多孔硅光子器件荧光增强的高灵敏度生物检测新方法研究

Multiple enhance of detection sensitivity for biological will be realized by fluorescence from Two-photon, semiconductor quantum dots, and localized surface plasmon resonance respectivly. Distribution of biological molecules and nanoparticles into porous silicon photonic devices will be determined by analyzing the affecting factors. Influences of porous silicon to resonance energy transfer between fluorescence molecules and localized surface plasmon metal nanoparticles will be studied and he biological detection will be completed by quantitative analysis of fluorescence quenching. Enhance the emitted fluorescence and compressed spectral width will be realized by strong local field generated by the porous silicon photonic crystal defect region, In particular, porous silicon sensor of the complex photonic crystal structure with good band gap characteristics and rich defect pattern will be designed and prepared. The guided wave modes in devices are coupled to the radiation pattern efficiently, to further improve the sensitivity of biosensor based on fluorescence detection.. This research project explores new methods for high sensitivity biological detection by fluorescence enhancement based on porous silicon photonic devices. The research contents in our project have not reported by other literatures. This study will contribute to the development of the superior performance of the biosensor or microarray biochips.

本项目基于多孔硅优异的生物材料特性和易制备成光子器件的特性，并分别利用双光子荧光、半导体量子点荧光和受局域表面等离子体共振影响的纳米金属颗粒荧光三种不同机理的荧光，多重的提高生物检测灵敏度。通过对多种影响因素的分析，确定生物分子和纳米颗粒进入到多孔硅光子器件内的分布；研究多孔硅对纳米金属颗粒的局域表面等离子体与荧光分子间的共振能量转移的影响，通过对荧光猝灭的定量分析来完成生物检测；由多孔硅光子晶体缺陷区产生的强局域场来增强传感器的出射荧光，压缩谱宽；特别是通过复合光子晶体结构设计并制备出带隙特性好，缺陷模式丰富的多孔硅传感器，将器件中导波模式高效率的耦合到辐射模式，进一步提升基于荧光检测的生物传感器灵敏度。. 本项目研究探索了基于多孔硅光子器件荧光增强的高灵敏度生物检测的新方法，研究内容均未见他人文献报道。这一研究将有助于开发性能优越的生物传感器或微阵列生物芯片。

本项目充分结合纳米多孔硅优良的生物材料特性和维光子晶体传感器良好的传感特性，研究基于荧光的多孔硅光学生物传感的新方法和新器件制备技术。. 本项目制备出了一种新型的衍射光栅和一维光子晶体复合的全多孔硅结构，在此基础上，提出了一种由金属纳米粒子和多孔硅衍射光栅组成的荧光增强方法，使得在多孔硅光栅上探针分子和光栅对荧光发射双重增强，与金属纳米颗粒／多孔硅器件相比，使荧光强度提高三倍。研究了不同沟槽深度的单晶硅光栅和多孔硅光栅对拉曼信号的增强效应。.本项目研究了微腔结构和布拉格结构的多孔硅对嵌入其中的各类量子点的荧光共振增强。另外我们把银纳米粒子沉积在具有光子晶体结构的多孔硅中，发现光子晶体的表面有利于增强的LSPR反应，导致拉曼光信号增强。相对于单层衬底基底，罗丹明6G的拉曼信号有5倍的增益，检出限降低到10-13M。我们还研究了通过进一步将金纳米粒子装饰的量子点和多孔硅布拉格反射结构结合起来实现荧光的双重增强。研究了通过掺杂稀土在多孔硅与分布布拉格反射结构增强多孔硅的光致发光。. 我们用量子点标记生物探针，与固定在布拉格结构多孔硅中的目标分子发生特异性反应．多孔硅光子晶体的高反射带隙位于量子点发射荧光峰处，使得量子点的荧光信号得到放大。多孔硅光子晶体传感器的检测灵敏度明显提高，实验上获得包虫病抗原的检出限为300fg/ml，链霉亲和素的检测限达到pM量级。另外我们利用数字成像设备获得不同浓度传感器的荧光图像，运用图像处理软件计算平均灰度值，利用平均灰度值大小来计算被测生物分子浓度。此方法实现了对DNA的检测限为88pM。. 我们研究了多孔硅光子晶体中基于量子点和金纳米粒子之间通过多种生物反应而发生的荧光共振能量转移，以量子点作为发射供体，金纳米粒子作为荧光淬灭剂。研究了量子点的发光强度随金纳米粒子的添加共轭互补的生物分子的减小而下降的关系。