液芯光纤微流控中的反谐振光流作用增强机理及生物分子识别应用研究

Optical fiber microfluidics technology can implement the mutual tune of light field and fluid in micro-nano scale, and it has become an important research focus in the field of photonics at home and abroad. However, how to improve the interaction between liquid with low refractive index and light field in optical fiber has always been a key problem to be solved in the field of microfluidics. To solve these problems, our project intend to study the optical fluid integration methods of liquid core waveguide employing the hollow core microstructure optical fiber as microfluidic channel. Our project aims at study on the mechanism of light-matter interaction enhancement based on the antiresonance coupling in liquid core optical fiber, and plan to complete the following research: (1) set up the theoretical model of optical field transmission and interaction of anti-resonant coupling in liquid core waveguide; (2) research the high-efficiency and compact integrated approach between microstructure optical fiber and liquid; (3) set up the microstructure optical fiber based microfluidic devices and using them for application of biomolecular specific identification detection. Our project will provide theoretical support for improving the performance of optical microfluidic system, and It also has important research significance to realize the all-fiber microfluidic chip laboratory.

光纤微流控技术能够在微纳尺度范围内实现光场与流体的相互调控，是国内外生物光子学领域的重要研究热点。然而，提高低折射率生物流体与光纤光场的相互作用一直是微流控领域亟待解决的关键问题。为解决以上问题，本项目拟利用空芯微结构光纤作为微流通道，研究液芯波导式的光流体集成方式。本项目以研究液芯光纤内反谐振耦合增强光物质作用的机理为目标，完成以下研究内容：（1）建立反谐振液芯波导的光场传输和作用理论模型；（2）研究高效且简单的微结构光纤与流体的集成方式；（3）实验上搭建微结构光纤微流控器件并对其进行生物分子特异性识别方面的应用检测。本项目的研究为提高光微流控系统的性能提供理论支撑，对实现全光纤微流芯片实验室也具有非常重要的研究意义。

光纤微流控技术能够在微纳尺度范围内实现光场与流体的相互调控，是国内外生物光子学 领域的重要研究热点。然而，提高低折射率生物流体与光纤光场的相互作用一直是微流控领域 亟待解决的关键问题。为解决以上问题，本项目围绕微结构光纤模式谐振及光流作用机制在生物微流控中的应用开展了一系列的创新性研究。1.我们建立了研究液芯微结构光纤和微光纤器件及内部光流调控及增强作用的理论分析模型，提出了双包层填充增强反谐振传输的理论机制；2.研究发现、并揭示了基于微结构光纤选择性填充、拉锥、错熔等控光手段增强光流作用过程中的选模激发、双模干涉、光栅重构、微腔谐振等诸多新现象和新机制；3.解决并掌握了利用微结构光纤构造液芯微流控器件所涉及的的关键科学问题和相关技术工艺，成功搭建出基于功能化微结构光纤的生物分子检测与分析微流控平台；4.提出了利用自组装和物理吸附作用的生物分子表面固定化新方法；5.成功研制并演示了基于回音壁谐振微腔、熔锥耦合器以及多锥成栅的光纤微流控器件，并在免疫抗体检测、DNA杂交动力学监测上实现了痕量生物分子的高灵敏度感测应用。本项目的研究成果为基因、免疫检测在快速医疗诊断和生物检测等领域的应用提供了理论支撑和可行性技术方案。在三年的研究期间，我们在以上方面发表相关高水平学术论文18篇，其中10篇已被SCI收录、5篇被EI收录，国际和国内学术会议论文2篇（目前被EI收录1篇）；申请并公开相关国家发明专利2项，项目资助期间授权发明专利1项；培养博士研究生1名（在读），培养硕士研究生6名（其中3名已毕业，3名在读）。项目负责人在资助期内入选天津市“131”创新型人才培养工程第三层次人选、天津市高校“青年后备人才培养计划”人选。综上，我们全面完成了预期研究目标的要求。