纳米尺度传导型表面等离激元生化传感的机理和芯片集成研究

生物化学传感器是表面等离激元（SPP）的重要应用方向之一，高性能、小尺寸和低功耗芯片式传感器是其发展的必然趋势。如何突破现有的传感机理和技术限制，在微纳芯片尺度上集成高灵敏度、低噪声、高通量、低功耗和宽动态响应等优良传感功能是目前迫切需要解决的关键问题。本项目基于最近在复合型纳米尺度SPP结构中实现的高效率SPP强约束导波和耦合等突破性进展，提出利用纳米尺度二维强约束的传导型SPP（nPSPR）进行生化传感的研究设想。结合目前已有的传导型（PSPR）和局域型（LSPR）SPP传感的优点，将探测光高效率地转化成一维金属纳米波导（或波导阵列）中的nPSPR，对微量生化样品实现单分子级灵敏度、低噪声、弱光无损伤和动态响应等探测功能。同时，结合微流控芯片和有源衬底，研制具备上述功能的芯片式生化传感器。研究结果对于SPP传感新机理和新技术研究和应用均具有重要意义。

本项目针对表面等离激元（SPP）传感技术在灵敏度、检出限及功耗等方面面临的挑战和瓶颈，提出探索新的SPP传感技术纳米尺度传导型表面等离激元（nPSPP）生化传感，发展高灵敏度、快响应、低噪声、低功耗芯片式SPP传感器的研究设想。项目结合导波型（PSPP）和局域性表面等离激元（LSPR）的优点，以减小SPP结构尺寸、提高传感灵敏度、加快传感响应速度、降低功耗、突破传统SPP传感结构的性能极限为目标，按照对光场约束能力的增强先后研究了基于介质纳米线波导、金属纳米线表面等离激元波导和金属纳米颗粒局域表面等离激元共振系统的微纳传感器，取得的主要进展包括：（1）研制成功高质量量子点掺杂纳米光纤，实现了超低功耗（0.1nW）、快响应（<0.1s）微纳光学湿度传感器；集成微纳光纤与微流控芯片，实现了对生物样品10fg/ml的超灵敏光学传感测量。（2）建立了衬底集成金属纳米线的表面等离激元传输理论模型，以及金属纳米线SPP波导传感理论模型；并从实验上实现了光纤兼容型金属纳米线表面等离激元气体传感器。（3）提出纳米光纤传导光场激发金属纳米棒LSPR的方法，成功实现了单个金属纳米棒LSPR的高效激发，及其超低功耗、快响应湿度微纳传感应用；基于单个金纳米棒LSPR与微纳光纤的高品质WGM模的强耦合，获得光谱宽度小于5nm的金纳米棒LSPR单峰共振，远小于目前已报道的LSPR光谱峰宽，为突破SPR传感技术的探测极限提供了新的途径。（4）研制成功纳米线单模激光器、纳米线SPP激光器等新型可集成波导型微纳器件，激光腔模尺寸小至1/10波长。上述研究结果表明，通过结合PSPP和LSPR各自的优点，并引入近场光学强耦合等新效应，可以实现SP传感技术性能的突破，为发展高灵敏度、快响应、低噪声、低功耗芯片式SPP传感器提供了一种可行的途径。在Nano Lett.、Lab Chip、Adv. Mater.、 Opt. Express、Opt. Lett.、Laser & Photon. Rev.、Acc. Chem. Res.等期刊发表学术论文40篇，授权专利8项。