光学弱测量方法及其生物分子检测应用研究

Quantum weak measurement, which is an observation that is extraordinarily higher than the eigenvalue, has taken increasing attention according to the amplification of the technology. In this project, we designed， for the first time to our knowledge，a weak measurement system with a reflection configuration for the label free sensing of biomolecule. In the weak measurement in frequency domain, the central wavelength shift of output spectra is sensitive to the optical phase difference between the two orthogonalpolarizations. Based on the total internal reflection (TIR) in one interface of triangle prism, which can connected the bio sample with the phase delay of polarization, we can realize the quantitative analysis of the sample through the central wavelength of output spectra. The real-time fitting of the central wavelength makes it possible for a real-time sensing in biomolecule detection. On the basis of the detection on the singledetective channel of the prism, we proposed a differential weak measurement system based on sagnac interferometer with the function of self-reference. Thus, with the weak measurement we implemented, a high precision detection for biomolecule sensing can be obtained. The configuration with common optical path exhibits a high stability. The simple structurewith a low cost is significant for the investigation of biomolecule detection.

量子弱测量可以通过引入合适的前后选择态，从指针中读出比系统本征值高出若干倍的检测结果，因而可以得到比经典的光学更高的灵敏度。本课题首次将量子弱测量的方法和系统应用于生物分子检测。我们针对非标记生物分子传感的目标，设计了反射式的弱测量系统，利用棱镜界面的全内反射将待测生物样品与偏振光的相位延迟连接起来，从而根据频域弱测量中出射光谱的中心波长移动对于相位的高精度响应，可以实现对生物样品的定量分析；通过对于光谱中心波长的实时拟合，可以实现实时的生物传感；同时，在单个棱镜检测面的基础上，设计了具有自参考功能的基于sagnac干涉仪的差分弱测量系统。本课题弱测量生物分子传感器，不仅能得到较于传统检测技术更高的精度，还能实现在普通的玻璃表面实时生物分子传感；而且，共路的系统设计可以使其有高稳定性，系统结构简单、成本低的特点，对于生物反应过程、生物分子分离等方面也有十分重要的价值。

弱测量技术作为基于“弱值放大”的原理一种新兴技术，相较于经典的干涉技术，在高精度测量上具有巨大的潜力，可以将检测精度提高两到三个量级，且具有高放大性及系统易匹配性等优点，为弱测量生物分子检测仪器的创新带来了新思路与新机遇。.本项目执行期间，我们成功提出了一种全新的频域弱测量系统的多工作区域的理论，从理论上将弱测量技术进行了创新，将原有弱测量系统的工作区域数量从一个拓展到了多个。在具体的实验中证明了其中四个工作区域的存在，还总结了不同工作区域的优缺点，这可以帮助为不同的检测场景选择最佳的弱测量工作区域。针对检测系统中数据的采集方式和处理方法等关键步骤同时结合弱测量检测的特点，分别通过数字高斯滤波技术和双峰比值表征方法提升了弱测量系统的检测区域范围、分辨率、检测灵敏度和系统稳定性等性能。通过数字滤波方式系统的工作区域范围达到0.210 rad，最高分辨率达到7.12×10∧（-7 ）RIU, 各提高了1个数量级；灵敏度为3210.9 nm/RIU ，提高了近1倍。利用频域弱测量系统光谱为双峰的特点，利用光谱中受外界噪声较小的两个峰值的比值来表征系统检验结果。相比于原有的频域弱测量系统常用的中心波长的表征方法系统稳定性大大提高。围绕着生物分子检测在实际场景中的应用。分别完成了对蛋白质大分子与小分子的混合溶液中大分子含量的检测和手性分子与其对映体混合物中两种分子含量占比的两项生物分子检测两项具体应用的工作。并对肿瘤标志物等进行了实时检测。.总之，项目组顺利完成了既定的科研任务，研发了一种基于全内反射的相位型弱测量传感器，完成了甲胎蛋白AFP、癌胚抗原CEA 和糖类抗原CA125等多种生物大分子的弱测量检测，发表了标注SCI论文10篇，申请了专利4项。