有源可调局域表面等离激元多光谱生物光学芯片

Localized surface plasmon resonance (LSPR) plays an important role in the field of bio-sensing. However, in order to improve the detection sensitivity, accuracy and efficiency of the LSPR based bio-optical chip, we need to focus on two basic issues: (1) Narrowing the spectra of LSPR; (2) Real-time tuning of the LSPR wavelength. Our previous studies have found that coupling of LSP and other modes, such as cavity mode, could effectively reduce the width of LSPR peak; Tuning the resonance wavelength would effectively manipulate the depth of LSP evanescent field, and further improve the detection sensitivity. Here, we plan to optimize the array structure of three-dimensional localized surface plasmon, coupling LSP with other optical modes to compress the spectrum width; By optimizing the interface design, we may integrate the high birefringence liquid crystal with localized surface plasmon to achieve efficient active-LSPR, resulting in the real-time manipulations of the resonance wavelength and the depth of LSP evanescent field. The project will reveal the mechanism of the active-LSPR based bio-optical chip and lay the preliminary foundation for the new generation of LSPR instrument.

局域表面等离激元共振（LSPR）在生物传感领域具有重要地位。然而，目前基于LSPR的光学芯片还存在两个问题亟待解决：（1）消光谱半峰宽的压缩；（2）共振波长的实时连续调控。前期研究表明，LSP与其他模式耦合可有效压缩共振半峰宽；调控共振波长可有效调控LSP消逝场的作用范围（趋肤深度），进而提高检测灵敏度；调控共振波长亦可减小单一波长下的检测误差，提高精度并实现单芯片上多组分的高通量检测。本课题拟采用三维立体局域表面等离激元阵列结构，实现LSP与其他模式耦合，压缩半峰宽；通过优化界面设计，实现高双折射率液晶与局域表面等离激元的有效耦合，从而实现对后者的高效有源调控，达到实时连续调控共振波长及LSP消逝场作用范围的目的。本项目将系统地阐明LSPR传感器里最基本的器件物理结构、有源调控结构、共振波长响应、消逝场作用范围与灵敏度的内在物理联系，为下一代新型LSPR生物仪器的开发进行前期的科学探索。

为了系统地阐明局域表面等离激元共振（LSPR）传感器里最基本的器件物理结构、有源调控结构、共振波长响应、消逝场作用范围与灵敏度的内在物理联系，为下一代新型LSPR生物仪器的开发进行前期的科学探索。本项目基于朗道-德热纳理论（Landau-De Gennes theory），通过有限元计算的方法，总结界面设计原则；采用纳米杯或纳米柱阵列/局域表面等离激元颗粒的融合结构，在理论和实验上详细探讨纳米杯或柱阵列周期、深度、直径、纵横比、保形沉积薄膜的结构层次、厚度等结构参数以及局域表面等离激元颗粒的形状、分布密度等因素对灵敏度和品质因子的影响，得到最优半峰宽压缩效果的三维立体LSP阵列结构参数；重点采用液晶调控模式，通过调节电压信号，调控液晶分子的取向，从而改变局域表面等离激元所处环境的折射率，改变器件响应的共振波长，进而调控局域表面等离激元在界面的衰减长度，实现LSPR波长的实时连续调控。团队通过连续观察和记录LSPR波长调控过程中反射波长、趋肤深度的变化，初步构建起LSPR灵敏度与上述各参数之间的物理联系，并利用临床病人的实际样本进行了验证。依托本项目的支持，团队已发表SCI论文5篇（包括Biosensors and Bioelectronics，ACS Sensors等），通过将等离激元探针与链取代放大技术相结合，开发了基于图像算法的活癌细胞中miRNAs检测和成像系统一套。并且基于该算法开发的应用软件可在Android平台上运行，这对远程诊断的发展具有一定现实意义。此外，团队通过充分挖掘本项目中涉及到的可视化、图像算法技术在其他领域的应用，成功与上市公司-深圳市亚辉龙生物科技股份有限公司签订了一份150万的企业委托研究合同。