极低探测极限光微流回音壁模耦合微腔无标记生物传感新机制与原型样机研究

Label-free optical bio-sensors are important bio-medical instruments that detect fatal environmental bio-materials. Up to now, optical bio-sensors cannot meet the sensing requirements such as ultra-low detection limit, immune to environmental perturbation, opto-fluidic application and easy assembling. Based on our original fundamental works on coupled microcavity lasers and sensors, we propose constructing a prototype optofluidic coupled microcavity sensor. We will use new sensing schemes that are developed by our group, like mode-splitting sensing, modulated spectrum envelope shift sensing, to achieve ultralow detection limit and environmental immune. After investigating the relation between cavity structure with sensing performance, new sensing mechanism and measurement techique, state of art fabrication procedure and increase assembling accuracy, we will build the prototype instrument that has a detection limit of fM and a dynamic range of fM-nM, and more importantly, environmental immune.

无标记光学生物传感器可用于实时探测环境中危险生物物质，在医学生物学科研和应用方面都具有重要的作用。迄今为止，无标记光学生物传感还不能完全满足超低探测极限、外界干扰免疫、光学微流、装调简单等要求。本项目结合课题组前期在回音壁模耦合微腔激光器和传感器方面大量的基础性创新工作，提出光微流耦合微腔生物传感器的研制。利用创新性的的模式劈裂量生物传感、光谱包络移动量传感等新传感技术，通过对耦合微腔与传感性质的构效关系、耦合微腔传感新机制与新测量技术、标准化制备工艺与工作点一致性、传感器装调过程等关键科学技术问题的研究，获得对HIV等重大医学生物学分子的超低浓度探测，突破目前单腔传感的探测极限，研制fM量级探测极限和fM-nM的大动态范围，以及对外界扰动免疫的的无标记生物传感原型样机，将回音壁模微腔传感这一新型传感方式推进到应用领域。

无标记光学生物传感器可用于实时探测环境中危险生物物质，在医学生物学科研和应用方面都具有重要的作用。迄今为止，无标记光学生物传感还不能完全满足超低探测极限、外界干扰免疫、光学微流、装调简单等要求。本项目提出光微流耦合微腔生物传感器的研制。利用创新性的模式劈裂量生物传感、光谱包络移动量传感等新传感技术，通过对耦合微腔与传感性质的构效关系、耦合微腔传感新机制与新测量技术、标准化制备工艺与工作点一致性、传感器装调过程等关键科学技术问题的研究，系统解决了薄壁微泡光学微腔的制备工艺定型，发展了高精度薄壁微腔壁厚的检测技术，批量制备出高品质、参数可控的微泡微腔。解决了微腔-拉锥光纤耦合系统的封装工艺，为高品质光学微腔的实际应用打通了重要的技术瓶颈。完成了超高灵敏度和大动态范围的生物分子（HIV）的特异性识别传感测试，实现了对p24抗原低至50 fg/mL（2.5 fM），高达到100 ng/mL(~5 nM)的大动态范围检测，并完成原理型样机一台。发展了一种差分模式传感新技术，利用微腔不同阶模式灵敏度差异及对外界扰动的一致性，大幅度提高传感的探测极限，成功将探测的噪声压制在对应探测浓度fM量级。发展了一类新型的等离激元复合光学微腔，解决了入射光无法高效耦合进等离激元微腔的难题，成功获得高Q（大于10^5）的复合等离激元模式。利用这样的复合模式与内壁等离激元模式的强耦合，为研究等离激元-光学模式耦合，等离激元-复合模式耦合，等离激元-等离激元耦合提供了统一的器件平台。系统研究了微泡微腔模式的识别、简化，微泡微腔激光以及受激布里渊、拉曼效应、超密集光梳产生等光学非线性过程，发现了基于Fano效应的微泡微腔传感新机制，将传感灵敏度提高4倍。项目发表SCI学术论文14篇，国内外国际会议报告20次，其中国际会议邀请报告7次，国内5次。申请国际发明专利和国家发明专利各1项，培养博士研究生5名，硕士生2名。1名博士毕业生获王大珩光学奖。.经项目的支持，课题组已经成为国际上有明显特点的光学微腔研究小组，国际上微泡光学微腔的研究小组比4年前大幅度增加。光学微腔超高灵敏传感的实用化更可期待。