基于微纳缺陷光栅的Bloch表面波荧光增强机理及高通量检测方法研究

Since both of SPR wave and Bloch surface wave (BSW) devices could increase energy density by bounding optical field within a scope of sub-wavelength above the device surface to satisfy the application request of single molecule layer detection sensitivity in the field of biochemistry, medicine and so on, which has brought them having become being the research hotspot in recent years. Moreover, the combination of surface wave and fluorescence could achieve higher sensitivity. Possesing the similar near field feature but a much lower transmission loss to SPR wave, BSW could make devices of different properties. Based on the comprehensive consideration of the principle and properties of both BSW device and defect grating, we propose a scheme to achieve a higher detection sensitivity and high throughput measurement through the further increase of field energy density via a further compressing surface wave in space by integrating a n array of micro-nano defect grattings on BSW devices. Therefore following studies will be carried on: 1) Study on the high throughput chip possesing micro-nano defect grating strcture matching with BSW substrate for near field enhancement 2) Study on the fabrication of BSW chips with micro-nanostructures; 3) study on features-evaluating and measurement application of BSWchips with micro-nano structures; which will provide essential theoretical and technological foundation for designing and realizing the dual near field enhancement high BSW enhancement fluorescence mechanism, device and highthroughput measurement method.

由于SPR波和Bloch表面波(BSW)器件能把光场压缩在器件表面亚波长范围来提高场能量密度，可满足生化、医药等领域中高灵敏度应用的要求，近年来成为研究的热点。而表面波与荧光相结合可实现更高的灵敏度。BSW与SPR波具有相似的近场性质，但具有更低的传输损耗，因此可实现不同性能的器件。本项目基于BSW器件、微纳缺陷光栅原理和特性的综合考虑，拟通过在BSW器件上集成微纳缺陷光栅对表面波进行空间压缩来进一步提高场能量密度进而实现更高灵敏度和高通量检测。为此主要在以下几方面进行研究：具有与BSW基底相匹配的微纳缺陷光栅的高通BSW增强芯片的研究与设计；微纳结构BSW芯片制备研究；微纳结构BSW芯片的性能测试及检测应用研究。为设计、实现具有双重近场增强的Bloch表面波荧光增强机理和器件以及高通量检测方法提供重要的理论和技术基础。

随着社会的发展和生活水平的提高，人们对食品安全、环境污染、医疗健康、医药开发等方面提出了越来越高的要求，从而促进了对具有少剂量和超低浓度（即高灵敏度），以及多指标和大数量（即高通量）样品的生化检测技术日益迫切的需求。由于SPR波和Bloch表面波(BSW)器件能把光场压缩在器件表面亚波长范围来提高场能量密度，从而提高光场与检测样品的作用强度，进而实现高的灵敏度，可满足生化、医药等领域中高灵敏度应用的要求。另外，这类表面波器件从结构上来说都是二维平面的，可以在其表面划分为大量的检测区域，从而满足高通量的要求。近年来成为研究的热点。另外，由于BSW与SPR波具有相似的近场性质，但其传输损耗更低，因此，通过在BSW器件上添加不同的微纳结构可实现不同性能的表面波器件。例如本项目研究的通过在BSW器件上集成微纳缺陷光栅、回音壁结构等微纳光学谐振腔来对表面波进行空间压缩来进一步提高场能量密度来与被检测样品进行相互作用，进而实现更高灵敏度和高通量检测。本项目主要对具有与BSW基底相匹配的微纳缺陷光栅的高通BSW增强芯片的设计及优化、微纳结构BSW芯片制备、微纳结构BSW芯片的性能测试及检测进行了研究；以及对具有与BSW基底相匹配的微纳光学回音壁结构的高通BSW增强芯片进行了设计研究。研究表明布洛赫表面波的回音壁微腔实现了400 nm/RIU的高灵敏度、1.3×105的高品质因子，以及4.7×10-9 RIU的极低的探测极限。本项目研究为设计、实现基于Bloch表面波的微纳光学谐振腔取得双重近场增强的增强机理和器件以及高通量检测方法提供重要的理论基础和借鉴。