基于微纳结构和石墨烯增强的SPR光纤传感研究

基本信息
批准号:61575084
项目类别:面上项目
资助金额:74.00
负责人:罗云瀚
学科分类:
依托单位:暨南大学
批准年份:2015
结题年份:2019
起止时间:2016-01-01 - 2019-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:王兴玮,张军,卢惠辉,关贺元,唐洁媛,张建中,陈超英,彭水华,冯信洁
关键词:
石墨烯光纤传感微纳结构表面等离子共振(SPR)光学表面波
结项摘要

Graphene, due to its unique properties, has attracted great interest in recent years. When graphene is employed for enhancement of surface plasmon resonance (SPR), it brings many merits such as large surface area, rich functional groups, excellent biological compatibility, and strong π bonds, etc., but it also causes some negative effects such as increasing non-resonance absorption, broadening resonance width, and degrading resonance depth. .In this project, we propose a novel surface plasmon resonance sensor to address the above issues, and will perform the following tasks: .(1) construction of a photonic crystal structure with a defect layer on polished area of a side-polished fiber to excite and enhance optical surface wave; .(2) development of a novel long-range surface plasmon resonance sensor that incorporates graphene-metal structure in the defect layer of the photonic crystal structure. This novel sensor enables to excite long-range surface plasmons with the optical surface wave enhanced by the photonic crystal structure. Consequently, the penetration depth of the surface plasmons can be increased and the SPR resonance width can be greatly narrowed, both of which will dramatically improve the overall performance of graphene based SPR sensors; and.(3) investigation of key technologies involved in this project, such as fabrication of special-designed side-polished fibers, construction of photonic crystal microstructures, fabrication and integration of the novel graphene based long-range SPR sensor. .(4) characterization and application of the novel micro/nano structures and graphene based long-range SPR sensor. .This project will perform studies in optical fiber waveguides, optical micro/nano structures, and interaction between surface plasmons and graphene materials, and will greatly contribute to fundamental theories and key technologies of graphene based optical fiber sensors. Therefore, this project has scientific research significance and practical application values.

石墨烯具有独特的性能,已成为众多学科的研究热点。当石墨烯用于增强表面等离子体共振(SPR)传感时,会带来超大的比表面积、丰富的功能基团、良好的生物兼容性和牢固的π键结合等优点,但同时也会带来非共振吸收、展宽共振峰线宽和降低共振深度等负面影响。.为解决上述问题,本项目提出一种基于微纳结构和石墨烯增强新型SPR传感器,具体研究以下内容:(1)在侧边抛磨光纤的抛磨区,构建带缺陷层的光学微纳结构,实现光学表面波的增强;(2)设计金属-石墨烯的长程表面等离子共振系统。利用增强后的光学表面波激发长程表面等离子激元,增加表面等离子的穿透深度,压缩共振峰的宽度,提高传感器的整体性能;(3)开展特殊设计的侧边抛磨光纤、光学微纳结构、传感器集成制备等关键技术研究;以及(4)新型传感器的表征测试和生物传感应用研究。.本项目的研究将为光纤石墨烯的传感提供理论基础和关键技术,有重要的科学研究意义和实际应用价值。

项目摘要

随着社会经济的高速发展,人们对环境质量、食品安全和健康状况的关注越来越高。另一方面,污染因素长期存在、食品企业参差不齐、人口老龄化导致慢性病和退化性疾病的也日益增长。因此,研究开发一种检测速度快、成本低、灵敏度高的生化检测系统,具有重要的现实意义和科学价值。光纤表面等离子体共振传感器具有检测速度快、成本低、集成度高和免电磁干扰等优点,但是目前还受到检测灵敏度和品质因素的限制,不能适用于小分子量和超低浓度或弱亲和力的生物分子检测。.本项目在传统的光纤表面等离子体共振传感器的基础上,通过创新光学微纳结构和纳米材料,提高改善传感器的性能,并开展新型传感器的应用研究。(1)在光学微纳结构方面,研究了光学微纳腔增强的SPR、长程SPR、金纳米线局域表面等离子体共振(LSPR)传感研究,最高品质因数达到103 RIU-1,提升到传统SPR的5.7倍。(2)在纳米材料方面,研究了氧化石墨烯、二硫化钨、二硫化钼等二维材料,以及二氧化钛、埃洛石纳米管等修饰SPR传感器,传感器灵敏度均获得提升,最高灵敏度值达到10431nm/RIU,相对于传统的SPR传感器有着5.6倍显著增强。在已报导的通过纳米材料增强SPR传感器性能的工作中,埃洛石纳米管有着最优的灵敏度增强性能。(3)在SPR传感器应用方面,创造性地提出基于SPR的磁场矢量传感、生物传感、以及基于智能手机集成的SPR综合传感平台。(4)研究本项目涉及的其它微纳光学的相关问题研究。.本项目的研究目标和任务的圆满完成,推动了SPR传感的增敏机制和方式的发展,成功地将传感器的灵敏度和品质因数提升到一个新的数量级,并形成了系列研究成果:累计发表SCI论文32篇,其中Advanced Optical Material、Photonics Research、ACS Applied Material and Interface等JCR一区期刊论文6篇,Optics Letters、Optics Express等JCR二区期刊论文17篇;第一标注30篇,第二标注2篇;项目主持人作为第一作者2篇,通讯作者17篇。共申请中国发明专利8件,授权发明专利1件。培养研究生10人毕业并获得硕士学位,培养年轻老师2人获得职称晋升。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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