集成微纳光耦合结构提高上转换纳米颗粒发光效率的研究

Upconversion nanoparticles (UCNPs) are superior in biodetection due to low toxicity and long fluorescence lifetime. However, the low emission efficiency prevents the UCNPs to be good candidates in real applications. Although the emission of UCNPs can be enhanced by using extra optical coupling structure, the conventional coupling structure can only enhance the emission of UCNPs in the near field range through the near-field resonance coupling. In vitro biodetection, the distance between UCNP and substrate is usually in the far-field range, so an external optical coupling structure is urgently required to improve the fluorescence output of UCNPs in far-field range (at least several micrometers away from the structure)..In this project, we plan to design and fabricate a micro/nano integrated optical coupling structure (IOCS) containing a gold groove and a graphene oxide (GO) lens array film, and then introduce the IOCS into microfluidic biosensors. By optimizing the parameters of IOCS, efficient resonance coupling between the optical mode of IOCS and the excitation/fluorescence of UCNPs will be formed in far-field range through the light scattering, interference and coupling of the optical modes, which can enhance the fluorescence emission of UCNPs positioned in far-field range with the expected enhancement factor of 100 compared with the bare glass substrate. The coupling mechanism will be studied. The enhancement of absorption and fluorescence of UCNPs will be investigated when the relative positions between IOCS and UCNPs are changing. The completion of this project will contribute to the development of high sensitivity and high signal-to-noise ratio optical microfluidic biosensors.

上转换纳米颗粒由于毒性小、荧光寿命长等优势，在生物检测领域广泛应用。但其发光效率低，在实际应用中受到很大局限。通过光耦合结构可以提高其发光效率，但传统光耦合结构主要通过近场共振耦合提高近场范围内纳米颗粒的发光效率。在体外生物样本检测中，纳米颗粒距离基底从近场到远场范围都有可能，因此探索提高远场（几微米以上）范围内纳米颗粒发光效率的新方法十分必要。.本项目拟将微纳尺度的金通道与氧化石墨烯微透镜阵列薄膜集成在微流生物传感芯片中，通过优化结构参数，利用集成光耦合结构中光的散射、干涉、多模式耦合的原理，实现光耦合结构的光场模式与上转换纳米颗粒的光吸收和发光在远场范围内的共振耦合，预期提高远场范围内上转换纳米颗粒的发光效率100倍以上（和玻璃基底相比）。阐明共振耦合机理，揭示纳米颗粒与光耦合结构的空间相对位置对光吸收和发光增强的影响规律。为研发高灵敏度、高信噪比的光微流生物传感器提供理论与实验依据。

荧光纳米颗粒在生物检测领域广泛应用，但其发光效率低，在实际应用中受到很大局限。通过光耦合结构可以提高其发光效率，但传统光耦合结构主要通过近场共振耦合提高近场范围内纳米颗粒的发光效率，不能增强远场距离处发光粒子的发光。在体外生物样本检测中，纳米颗粒距离基底从近场到远场范围都有可能，因此探索提高远场（几微米以上）范围内纳米颗粒发光效率的新方法十分必要。.本项目提出了多种新颖的微纳尺度的金属通道结构与微透镜耦合结构，用于微流生物传感中。通过优化结构参数，利用集成光耦合结构中光的散射、干涉、多模式耦合的原理，实现光耦合结构的光场模式与荧光纳米颗粒的光吸收和发光在远场范围内的共振耦合，提高了远场范围内纳米颗粒的发光效率。阐明了共振耦合机理，揭示了纳米颗粒与光耦合结构的空间相对位置对光吸收和发光增强的影响规律。为研发高灵敏度、高信噪比的光微流生物传感系统提供了理论与实验依据。主要内容包括：（1）提出微/纳米级复合金属通道结构，用于微/纳流体生物传感中，将荧光增强区域从近场范围拓展到远场范围，可以增强远场范围发光粒子定向发光，从而提高了荧光生物传感的灵敏度。（2）提出了金属/电介质微通道与微透镜集成的微纳光耦合结构，进一步增强了远场范围荧光物质的激发和定向发光强度，提高了荧光生物传感检测的准确性和灵敏度。（3）设计并实验实现了多种可用于微流通道基底的微纳结构，在可调、多波段范围内提高了发光粒子的发射强度，从而提高生物传感器的灵敏度。（4）设计了氧化石墨烯(GO)微透镜结构，研究了GO微透镜的光学特性，提出利用GO微透镜实现荧光粒子微小位移的高精度测量，同时也可以实现荧光物质定向发光效率的提高。（5）探索了金属通道与电介质微透镜集成光耦合结构在提高比率荧光传感灵敏度方面的应用。（6）提出了波导-谐振腔集成光耦合结构，实现对荧光粒子微位移和移动速度的实时测量，为集成多通道光微流检测系统提供一种有效方案。（7）实验合成了多种具有优良生物传感特性的荧光粒子，并测试了其在不同条件下的吸收光谱和荧光谱等光学特性，在生物诊断、食品检测、环境污染监测等方面有很好的应用前景。