基于力-光耦合控制机制的超柔性TiO2微盘腔生物传感器及其特性研究

Flexible micro-disk resonator optical biosensor has problems of the low flexibility, low sensitivity and biotoxicity. It couldn’t be conformally integrated on the human body or biological tissues for in in-vitro and in-vivo detection of trace amounts of biological molecules. We propose to develop a super flexible, high sensitive and biocompatible TiO2 micro-disk resonator biosensor to resolve the aforementioned challenges. The super flexible and biocompatible micro-disk resonators will build on a flexible substrate monolithic integration technology, which enables the integration of non-toxic TiO2 micro-disk resonators on mechanically compliant and biocompatible substrates. The idea of building a biosensor with super flexible TiO2 micro-disk resonator is proposed, and the project mainly studies on the introduction of the "controlling strain-optical coupling" in the biosensing. On the basis of the multi-neutral axis theory, a near-surface neutral axis nanostructure design method is proposed to accurately place micro-disk resonator in near-surface neutral axis position, accurately predict and control the strain-optical coupling, which result in the strain-optical failure of large sensor distortion so that the micro-dish resonance wavelengths are shifted only by changes of the surface biological molecular, and achieve the biosensing information accurately and sensitively. During the execution of the project, the strain-optical coupling controlling mechanism of the biosensors and the influence rules of biosensing properties will be explored and investigated, and the interdisciplinary research will provide the opportunity to realize the biocompatible micro-disk resonator biosensors with super flexibility and high sensitivity.

柔性微腔光学生物传感器现存超柔性与高灵敏度不兼容及生物毒性等问题，不能满足与人体或生物组织共形的体外或体内实时检测微量生物分子的需要。本项目以超柔性TiO2微盘腔生物传感器为研究对象，基于柔性单片集成光子技术，集成无毒TiO2微盘腔在柔性生物相容基底上，实现微盘腔的超柔性及生物相容性。提出将超柔性TiO2微盘腔构建生物传感器的设想，重点研究在生物传感中引入“控制力-光耦合”的研究思路。在多中性轴结构设计理论基础上，提出超柔性近表面中性轴纳米结构设计方法，实现精确放置微盘腔在近表面中性轴位置，精准预测和控制力-光耦合，使传感器大变形时力-光耦合失效，微盘腔谐振波长位移只受表面生物分子变化的影响，准确灵敏获得生物传感信息的目的。本项目以生物传感器的力-光耦合控制机制为关键问题，探索生物传感特性影响规律，以多学科交叉性研究推进新一代超柔性、高灵敏及生物相容为一体的微盘腔光学生物传感器目标的实现。

随着柔性光电子学的发展，柔性光学生物传感器在生物医学、生命科学和军事科学等领域表现出了极大的应用潜力。刚性基底到柔性基底的转变使柔性集成光子器件能够实现与人体及其生物组织非平面集成的体外或体内检测。由于支持回音壁模式（WGM）的光学谐振腔具有高品质因数和低模体积，所以基于WGM微腔的柔性集成光子器件可以实现高灵敏度生物传感应用。然而，当器件受力弯曲时，微腔不可避免地会受到应力的作用，其中，径向剪切应力和力-光耦合效应将分别造成腔体尺寸和有效折射率的改变，进而导致谐振波长的偏移，给探测过程引入非生物因素的影响，严重降低其结果的准确度，使超柔性与高灵敏度无法兼容，限制了柔性集成光子器件在生物传感领域中的应用，必须消除微腔所受应力，有效控制力-光耦合，才能准确获得生物传感信息，真正意义上实现柔性微腔光子器件在生物传感领域的应用。因此本项目开展了基于力-光耦合控制机制的超柔性高灵敏微腔生物传感器及其特性研究，采用绿色环保无机盐溶胶-凝胶法低温合成了低损耗介质薄膜材料；采用CMOS微细加工技术和柔性单片集成光子技术相结合将微腔集成在柔性生物相容的有机基底上，研究集成超柔性高Q微腔的关键制备技术；提出了新型三明治薄膜结构、单开口微环谐振腔的新型WGM微腔结构、基于两种径向模式的微盘谐振腔结构以及新型柔性基座微盘谐振腔结构，采用此结构设计及模拟等方法，精准预测和控制力-光耦合，阐明了生物传感器的力-光耦合控制机制，实现了传感器大变形时能准确灵敏获得生物传感信息的目的；研究超柔性生物传感器传感特性的影响规律，实现了超柔性与高灵敏度兼容的生物相容微腔生物传感器。本项目的研究为柔性光学生物传感器的应用提供了重要科学的理论依据，在疾病诊断、环境监测和药物分析等领域具有非常重要的科学意义和应用价值。