基于Scallop效应所制备三维镂空纳米阵列结构的LSP-SPP耦合免疫传感原理及器件研究

The coupling effect between localized-surface-plasmon (LSP)and surface-plasmon-polariton (SPP) is excited on the surface of metal micro-nano structure, and can confine light to nanoscale area effectively, resulting in strong surface near-field enhancement for high sensitive detection of trace. Innovatively, from the LSP-SPP coupling theory of the metal array nanostructures, this project will investigate the immunoassay detection depending on the refractive index of the micro-environment induced by the coupling structure, and construct LSP-SPP coupling microfluidic sensors. A fabrication method based on the Scallop effect in EBL-ICP process is proposed creatively to produce 3D hollow-carved array structures. Using this new method, the core structure of the LSP-SPP optical coupling structure, consisting of three up-down parts: nanoarray architecture, spacer layer, and metal film, will be fabricated. Furthermore, the project will study the influence of the core structure's material and space parameters on the electromagnetic mode of LSP-SPP coupling structure to control the exciting and coupling rate of SPR efficiently and realize the principle and devices of the LSP-SPP coupling sensors. By employing the obtained sensors, we will also explore the real-time immunoassay detection of the persistent organic pollutants in water, soil, or other environments. The processing method of LSP-SPP coupling sensors and related periodic 3D hollow-carved array structures to be presented here provides a new way for understanding the mechanism of SPR optical-controlled detection and application on the miniaturized total analysis systems on a chip.

在金属微纳结构表面光激发的局域表面等离激元（LSP）-传导表面等离激元（SPP）耦合效应可以有效将光束缚在纳米尺度，引发金属与介质界面非常强的表面局域近场增强，可用于痕量物质的高灵敏度传感检测。本项目创新性地从LSP-SPP耦合效应理论出发，研究依赖于相关结构微环境介质折射率的免疫检测传感方法，构建LSP-SPP耦合微流体传感器件；并创新性提出基于EBL-ICP工艺Scallop效应加工三维镂空纳米阵列结构的方法，研究运用这种新工艺方法加工"金属纳米阵列-间隔层-金属薄膜"LSP-SPP光学耦合基本结构，研究该基本结构的材料和空间参数对LSP-SPP电磁模耦合的影响，有效调控表面等离激元共振（SPR）激发和耦合效率，实现LSP-SPP耦合传感原理及器件，探索免疫检测技术对土壤水质环境持久性有机污染物的痕量实时分析。本研究为SPR光学调控规律的认识及其在芯片微全分析系统上的应用开辟了道路。

本项目根据项目申请书的研究计划，完成了金属-介质-金属（metal-dielectric-metal, MDM）表面等离激元耦合结构体系的工艺设计及开发研究，制备出多样化MDM表面等离激元耦合结构阵列；实现了对MDM三维纳米阵列结构LSP-SPP 耦合特性的实验表征和建模仿真，掌握了耦合结构参数对耦合效应的影响，并获得了丰富的色彩显示；建立了基于LSP-SPP耦合结构的免疫传感膜制备方法，实现了针对蛋白类物质的特异性实时检测，从原理上证明了该生物传感膜具有对POPs特征物质检测的能力。同时结合表面增强拉曼散射，实现了对农药福美双、杀扑磷以及甲基对硫磷的极低浓度检测。本项目的研究涉及微/纳结构复合加工、纳米光学、光学微流体器件构筑及集成、先进测试等多层次科学技术领域，属于交叉性、前沿性基础研究。迄今，本项目共发表SCI期刊论文5篇、顶级会议论文6篇，申请发明专利4项（其中已授权2项），完成博士学位论文1部，并有3篇论文接收待发表、1篇论文在审。总的来说，本项目的研究既为实现基于LSP-SPP 耦合传感原理的芯片微全分析系统开辟了道路，为生物医学领域的科学研究提供了新的视角和解决方案，又加深了对SPR光学调控规律的认识，在相关基础科学问题的探究上具有重要意义。