氧化石墨烯集成极大倾角光纤光栅LSPR的（干涉式）光极免疫探针研究

Immunoassay for biomolecules has great practical significance in clinical applications. At present, integrating the graphene or graphene oxide (GO) into various optical fiber biosensors and then developing them into the form of "optrode needle" has become the researching hot-spot and development tendency in the fields of biomolecular detection and monitoring. In this project, we plan to use excessively tilted fiber grating (ExTFG), whose tail- or far-end side surface is deposited with silver film, as a platform, use large size gold nanoshell particles as carriers of the localized surface Plasmon resonance (LSPR), and use GO as the two-dimension material to enhance the LSPR sensitivity of gold nanoshell and to promote the adsorbing number and efficiency of biomolecules, so as to construct a set of "structure, principle and methodology of (interferometric) optrode immuno needle based on GO integrated ExTFG-LSPR". For this purpose, first, we will study the mechanism of how GO enhances the sensitivity of the ExTFG-LSPR based optrode needle; second, we will establish the "broadband & single frequency interference light signal theory and analysis model " for the interferometric GO integrated ExTFG-LSPR optrode needle; and third, we will also study the biological immunoreaction functionalization for the proposed optrode needles. All the above efforts are aiming to realize the "Lab-on-optrode-immuno-needle", which possesses properties of high-degree specificity, high sensitivity, large detection range and repeatability, and a good function of detecting the immune reaction dose and monitoring the dynamic reaction process with high precision at the same time.

生物分子免疫检测具有重要临床实践意义。将石墨烯/氧化石墨烯（GO）集成到光纤生物传感器中并发展成“光极探针”形式，是免疫反应检测/监测领域的研究热点和发展趋势。拟以末端/远端端面涂覆银膜的极大倾角光纤光栅（ExTFG）为平台，以大尺寸纳米金壳粒子为局域表面等离子体共振（LSPR）的载体，以GO为增强纳米金壳粒子LSPR灵敏度和提升对生物分子结合数量及效率的二维材料，构筑一套“氧化石墨烯集成ExTFG-LSPR的（干涉式）光极免疫探针结构、原理及方法”：①研究GO增强ExTFG-LSPR光极探针灵敏度的机理；②结合光纤微迈克尔逊干涉原理，建立“干涉式”氧化石墨烯ExTFG-LSPR光极探针的“宽带&单频干涉光信号理论分析模型”；③研究光极探针的生物免疫反应功能化方法。实现高度特异性、高灵敏度、大检测范围及可重复，且同时具有免疫反应量检测和高精确度反应动态过程监测功能的“光极免疫探针实验室”。

生物分子（生物标记物、病毒、配体分子等）的免疫检测在生物医学、药学的临床应用中具有非常重要的实践意义。.课题开展了基于氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）的极大倾角光纤光栅（ExTFG）局域表面等离子体共振（LSPR）（以下称“GO-ExTFG-LSPR”）光极探针的基本结构、机理、光谱特性及性能的研究。然后，对其进行结构改进，构建“干涉式”GO-ExTFG-LSPR光极探针并研究其原理、特性及优化设计方法，形成了由2*2耦合器和两支GO-ExTFG-LSPR组成的双通道“光极免疫探针实验室”；进一步根据优化方案存在的研究瓶颈，采用新的优化方法——基于级联Sagnac保偏光纤游标干涉式ExTFG传感器方案，相比单纯的GO-ExTFG-LSPR传感器的折射率灵敏度和Q值（品质因素）提高一个数量级。与此同时，研究了所构建的ExTFG-LSPR传感器、GO-ExTFG-LSPR光极探针的生物免疫反应功能化机理、方法和具体优化条件等，最终分别用于对多种生物病毒（或标记物）的免疫反应量检测/反应动态过程监测性能实验研究。结果表明: GO-ExTFG-LSPR光极探针免疫传感器及其优化的干涉式结构都具有很高的折射率灵敏度和生物分子检测灵敏度，并对目标生物分子的检测极限达到了超痕量级别，检测的动态范围得到了很大提升，且具有良好的特异性、稳定性，具有临床应用的潜在价值。.此外，课题组还探讨ExTFG探针的弯曲、应变特性及其矢量特性，并做了基于ExTFG光极探针悬臂梁振动特性研究及其一些拓展性振动传感实验研究，这对其在免疫传感应用中会受到的弯曲、应变交叉敏感问题的研究具有重要意义。还开展了基于GO、纳米金粒子及GO-金纳米复合材料集成几种长周期光纤光栅的免疫传感器研究、双模干涉式微纳光纤等传感器研究，以便与所构建的GO-ExTFG-LSPR光极免疫传感器的生物检测性能进行比对。.综上，课题研究的GO-ExTFG-LSPR光极免疫探针及其干涉式结构的超痕量生物免疫传感器具有微型化、高灵敏度、高度特异性、大检测范围等优点，不仅可为生物化学、生物医学等研究领域提供重要的技术手段，而且在环境监测、食品安全、医学病毒/细菌检测、药物分析/发现等应用领域都具有广阔前景。