基于微波光子链路的聚合物光波导局域表面等离子体共振复合传感基础研究

With the rapid development of modern environmental monitoring industry and bio-chemical analysis, the surface plasmon resonance (PSR) optical sensors have been a new hot spot with the merits of high sensitivity, flexible detection and the capability of working in a variety of environment situation. However, at present, limited by the factors like the penetration depth of evanescent wave, the traditional SPR sensors are incapable of implementing super high-sensitive measurement. In this project, a novel C bandwidth optical polymer waveguide SPR sensing scheme based on the gold nanoshells (GNSs) is proposed utilizing microwave photonic link, since the polymer waveguide is good film-forming and plastic properties material realizing low-cost and mass controllable preparation, also the resonance peak of GNSs can be easily tuned. Based on the GNSs polymer optical waveguide SPR sensing model, research is focused on studying the waveguide GNSs SPR effect for microwave photonic link performance, to ascertain the relationship between the microwave signal character and the intrinsic parameters of SPR sensing such as waveguide structure, mode field distribution, the structure of the GNSs. Then, the fabrication processes of the polymer optical waveguide and GNSs will be carried out with the integration research of waveguide sensor chip and microfluidic channel, realizing polymer optical waveguide localized surface plasmon resonance sensor based on microwave photonic link. The proposed SPR sensing system will be applied in many fields with the merits of high sensitivity, flexible detection, and small size, such as environmental monitoring, clinical diagnosis, food safety inspection and so on.

伴随着环境监测、生化检测等行业的快速发展，对能够兼容多种环境的小型高灵敏、灵活低成本表面等离子体共振（SPR）传感技术的需求愈来愈强烈，而目前传统SPR传感器受限于倏逝波穿透深度等因素不易于实现高灵敏的传感测量。本项目基于聚合物光波导材料低成本、良好的成膜和可塑特性以及金纳米壳粒子其SPR共振峰良好的可控性，结合微波光子技术设计一种新型C波段金纳米壳粒子聚合物基光波导SPR复合生化传感器。在建立光波导金纳米壳粒子SPR模型基础上，解析输出微波信号特征与光波导SPR表面等离子体传感参数之间的映射；研究聚合物基光波导和金纳米壳粒子的制备以及聚合物波导传感单元与微流控通道键合工艺，实现具有高灵敏度、灵活快速及小型集成等优点的微波光子光波导SPR复合传感系统。研究成果将在环境监测、医疗诊断及食品安全检测等领域发挥积极的作用，为发展新一代生物化学传感器提供一种新选择。

近年来，水源污染、雾霾天气、埃博拉和寨卡病毒以及食品安全等事件充分吸引了全世界各国对食品、医疗和环保等民生行业的关注，相关的环境安全监测、重大疾病检测等领域技术的发展需求已使得生物化学传感器成为了目前世界上重大的研究热点领域。光学生化传感器具有抗电磁干扰能力强、可在线检测、安全性高等优点，在生化传感领域占有越来越重要的地位，为了获得复杂环境下的生化信息，探索研究支撑新一代兼顾生物医疗及环境检测等的高灵敏度、低成本、小型集成多用途的光学生化传感器具有重要的科学研究意义和应用价值。.本项目研究新型高灵敏度、大测量范围以及小型集成的微波光子聚合物基光波导SPR复合技术生化传感系统。通过探索金涂覆光波导与表面生物分子相互间的PSR传感物理机理，分析待测物信息变化与LSPR效应引起的光信号特征变化的内在联系，解析输出微波信号特征与待测物有效折射率之间的映射并建立生化传感模型。提出利用聚合物基光波导SPR生化传感器与微流控通道键合集成实现高性能生化检测的方案，并制备出传感器原型器件，构建测试系统并进行实验验证。.本项目对SPR光波导传感器的数学模型进行了理论分析，并通过Matlab软件将数学模型转化为可视化的理论曲线。针对设计的光波导SPR传感器，完成了整个传感检测系统的光学器件及各子系统的制作工艺探索，包括能够提高传输效率的锥形透镜光纤的设计和采用磁控溅射方式局域镀金的工艺，搭建了光波导SPR传感检测系统，进行了传感器的性能检测，实验结果表明，当待测液体的折射率从1.400变化到1.450时，功率计测得的滴溶液前后输出光功率变化值从-3.5dBm降到-15.5dBm，当待测液体的折射率从1.450变化到1.470时，滴溶液前后输出光功率变化值从-15.5dBm变化到-3.5dBm，灵敏度约为1489dB/RIU。验证了其生化检测功能。本项目研究采用的基于OrmoCore聚合物光波导SPR生化传感器相比于已报道的波导SPR传感器而言，具有很多优点，比如低成本，制作工艺简单，小型化，该类型光波导SPR传感器能够在生化传感领域得到实际应用。