极大倾角光纤光栅SPR的超痕量生化传感基础研究

Owning to the advantages of highly sensitive to refractive index (RI), microminiaturization, remote sensing, etc., optical fiber surface plasmon resonance (SPR) has been proved to be an important tool for the trace/ultratrace detection in the biochemical-related fields. In order to solve the issues of the traditional optical fiber SPR sensors, such as the instability of the phase match, low Q-factor, etc., in this project, we plan to construct Au nano film or Au nano spheres on the surface of the excessively tilted fiber grating (Ex-TFG) as the platform of SPR, which possess the effects of field/local field enhancement. By utilizing the special mode coupling and spectral characteristics of the Ex-TFG, we will explore a new method that use the Ex-TFG to efficiently and stably excite the SPR to realize an trace/ultratrace biochemical sensor based on Ex-TFG-SPR, which has advantages of extremely high RI sensitivity and resolution, high Q-factor and stable phase match. For this purpose, firstly, we will establish the model of mode-coupling theory to reveal the SPR excitation condition, characteristics of SPR spectrum and RI sensing. Secondly, we will study the interrelation among the parameters affecting the sensing performance to obtain the optimization designed method for the Ex-TFG-SPR sensor. Finally, we will study the impacts of surface modification techniques on its biosensing performance..Our research will enrich and develop the sensing theory of SPR based on the fiber gratings, and will make a foundation to realize the trace/ultratrace biochemical detection based on the Ex-TFG-SPR principle.

光纤表面等离子体共振（SPR）具有对折射率（RI）极敏感、微型化、远程传感等优点，可为生化相关领域的痕量/超痕量检测提供重要手段。针对传统光纤SPR传感器的相位匹配不稳定、Q值低等问题，本项目拟在极大倾角光纤光栅（Ex-TFG）表面构筑金纳米薄膜或金纳米微球作为具有场增强或局域场增强效应的SPR载体，探索利用Ex-TFG独特的模式耦合及光谱特性高效及稳定激发SPR的新方法，以实现具有极高RI灵敏度及分辨率、高Q值及相位匹配稳定的Ex-TFG-SPR超痕量生化传感器：①建立Ex-TFG-SPR的模式耦合理论模型，揭示其SPR的激发条件、SPR光谱及RI传感的特性；②研究影响其传感性能的各结构参数间的内在关联性，获得对其优化的设计方法；③进一步研究表面修饰技术对其生化传感性能的影响。.本研究将丰富和发展基于光纤光栅的SPR传感理论，为实现基于Ex-TFG-SPR原理的超痕量生化检测奠定了基础。

一、研究背景. 与其他类型的光学折射率（RI）传感器相比，由于表面等离子体共振（SPR）和局域SPR（LSPR）的场增强或局域场增强效应，基于SPR/LSPR原理的传感器具有更高的RI灵敏度/分辨率。但现有商用化的SPR/LSPR传感器大都是基于角度检测的Kretschmann棱镜耦合结构，体积大、扫描时间长、价格昂贵，只适合在实验室中使用，不能进行活体的原位检测。由于光纤具有耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小及可远程传感等优点，课题组研究以极大倾角光纤光栅（ExTFG）为激励平台实现SPR/LSPR的生化传感器。.二、主要研究内容、重要结果及关键数据. 研究ExTFG-SPR/LSPR传感器的SPR/LSPR光谱特性及RI传感特性，研究在ExTFG表面涂覆金膜的方法，研究球形金纳米颗粒以及大尺寸（155nm）纳米金壳粒子在ExTFG表面的修饰和固定方法，探索最优化的物理化学参数，构建ExTFG-SPR/LSPR高灵敏度传感器。研究“单克隆抗体”在其表面的固定和解离方法, 针对不同pH值环境下葡萄糖和多种不同分子量的病毒抗原或生物标记物进行特异性、重复性和临床性实验。结果表明，其对病毒抗原检测的最低极限达到超痕量级别（即，pg/ml量级），传感器具有优异的特异性和潜在的临床应用性，项目研究成果中对目标生物分子的检测极限达到了任务书预期的参数指标。项目组发表11篇高水平研究论文（其中，SCI期刊论文8篇），获授权发明专利4项，培养硕士研究生毕业4人，博士后出站1人，项目研究成果数量超出了任务书预期的任务指标。.三、科学意义. 探索由ExTFG激发SPR/LSPR实现超痕量生化传感的新方法，研究结果丰富和发展了基于光纤光栅的SPR/LSPR传感理论，为其应用于超痕量生化传感领域奠定了坚实基础。相关成果可为生物化学、生物医学等研究领域提供重要的技术手段，而且在环境监测、食品安全、医学病毒/细菌检测、药物分析/发现、军用生化战剂的探测等应用领域都具有广阔前景。