面向水环境重金属离子污染的液芯金属包覆波导传感检测机理及应用研究

In recent years, the project team has developed a new type of Liquid Metal-Cladding Waveguide (LMCW), which is a guided mode resonant sensor with free space coupling. The oscillation field sample is in the resonance mode of the waveguide; electromagnetic field binding than conventional dielectric waveguide is stronger; the ultrahigh order modes with high sensitivity of optical properties of micro samples; samples of refractive index of the waveguide core layer rate is not restricted, provided the conditions for liquid detection..Based on the LMCW structure, we use the super high order guided mode as the probe to detect heavy metal ions in water environment. We will test the trace (< 10ppm) concentrations of Cadmium，Chromium, Plumbum，hydrargyrum and other heavy metal ions. Using the characteristic absorption of heavy metal ions to be measured, we will study the mechanism of LMCW structure for multi component identification of samples, and find the method of selective detection. At the same time, we extend the application of LMCW in the detection of organophosphorus pesticide residues in water, as well as the optical trapping of biomolecules in the waveguide..Based on the LMCW structure of the filter function, using ordinary semiconductor laser as light source, can further reduce costs. We will designs a practical prototype of the new type of heavy metal ion sensor, which provides a new idea and experimental reference for the development of practical waveguide sensor.

近年来，项目组发展了一种新型液芯金属包覆波导（LMCW），这是一种采用自由空间耦合方式的导模共振传感器。待测样品处于共振模的振荡场区域；波导对电磁场的约束力比传统介质波导更强；其超高阶导模对微量样品光学特性有很高的灵敏度；该波导芯子层的样品折射率可不受限制，为液体的探测提供了条件。.本研究利用LMCW结构，采用超高阶导模为探针，开展水环境中重金属离子的检测。测试微量（＜10ppm）镉、铬、铅、汞等重金属离子的浓度；探究水中多种重金属离子检测识别的机理，利用待测重金属离子的特征吸收，找到重金属离子选择性检测的方法。同时，拓展LMCW结构在水中有机磷等农药残留检测、波导中生物分子的光俘获等方面的应用。.基于LMCW结构的滤波功能，用普通半导体激光器作光源，可进一步降低成本。设计一种有实用化前景的原型光电子器件—全新的重金属离子检测传感器，为研制实用化的波导传感器提供新思路和实验参考。

1.在液芯金属包覆波导的理论和设计测试方面。研究了波导超高阶导模的激发及特性，该波导传感检测的理论方案。通过理论分析和多次的实验测试，获得了波导最佳耦合效率，制作出了优良的波导结构，掌握了光波导实验的关键技术。.2.进行波导结构传感器的参数测试及性能分析，研究波导参数的影响作用，开展了温度、偏振、吸收、散射以及波导镀膜分析和测试，初步解决了该波导的高灵敏度与外界的干扰问题。.3.重金属离子的检测工作，在纯水中加入微量的镉离子，注入波导，选择合适波长的激光以小角度入到波导耦合层，激发波导超高阶导模，产生波导的导模共振，通过观察衰减全反射峰值的变化测量了该重金属离子的浓度。.利用金属包覆波导中的增强拉曼散射，开展水中重金属离子铅的微量检测研究。采用宽带光源入射波导结构中，对多种重金属离子溶液进行检测浓度和识别的初步研究测试，获得较好实验结果。.4．开展了相关的拓展应用研究。应用该波导的三高特性：高功率密度、高品质因子、高灵敏度，研究了双面金属包覆波导的灵敏偏振强度比检测、超高阶导模实现无掩模纳米结构光刻、低阈值全光及电光双稳态、游标传感、直接观测光的自旋霍尔效应、光流体自组装的超低阈值连续激光等等方面的研究。.应用于无标记实时跟踪生物分子间的相互作用，实时检测病毒细胞的增殖等过程，获得了荧光增强检测单细胞技术应用于癌症诊断和治疗方法。.5．完成了项目的预期目标。在国内外发表SCI / EI 学术论文25篇，中文核心期刊论文3篇；申请3项发明专利；培养了研究生10人。