基于金纳米壳粒子的准分布式光纤表面等离子体共振传感机理研究

In order to improve the multiple measurement performance of surface plasmon resonance (SPR) sensors, a quasi-distributed sensing scheme based on the gold nanoshells (GNSs) is proposed in this project. Compared to the gold nanoparticles (GNPs), the GNSs own more special and more excellent surface plasmon resonance properties. The resonance peak of GNSs can be easily tuned in the visible and near infra-red region. SPR sensors with different resonance wavelengths can be implemented by changing the structure of the GNSs. Based on the wavelength division multiplexing technology, the GNSs based optical fiber SPR sensor can carry out quasi-distributed measurements to target parameters. In this project, based on systematic studies on the effect mechanism between the structure and the resonance peak of GNSs, we will prepared GNSs with high performance by self-assembly and reduction method firstly. Then, integrated with the optical fiber sensor, wavelength division multiplexing, biochemical detection and analysis, nanophotonics and sensor fusion technologies, abundant theory and experiment research on quasi-distributed SPR biochemical sensing system will be carried out. The proposed quasi-distributed sensing system has advantages of high sensitivity, high resolution, large measurement range, small size and easy to integrated and will be applied in many fields such as environmental monitoring, clinical diagnosis, drug discovery, food safety inspection and so on.

目前表面等离子体共振（SPR）传感器存在着测试通道少、复用性差的问题。针对该问题，本项目提出基于金纳米壳粒子（Gold Nonoshells，GNSs）的准分布式光纤SPR传感技术方案。GNSs具有比金纳米粒子（Gold Nanoparticles， GNPs）更为独特和更为丰富的SPR特性，其SPR吸收峰具有良好的可控性。通过改变GNSs的组成形态，能制作出具有不同共振波长的SPR传感器，结合波分复用技术以及光纤易于集成的特点可实现对目标参量的准分布式测试。本项目拟在系统研究GNSs组成形态对其共振吸收峰的调控机制的基础上，以化学还原、自组装等方法为制备手段，结合光纤传感、波分复用、生化检测分析、纳米光子学及传感器融合等技术，开展具有高灵敏度、高分辨率、大测量范围及体积小、易集成等优点的生化参量准分布式测试系统研究。研究成果将在环境监测、医疗诊断、制药及食品安全检测等领域发挥积极的作用。

本项目围绕申请书中提出的几项主要研究内容，主要对金纳米壳粒子及其组成形态对其表面等离子体共振吸收峰的调控机制进行了深入系统的研究，并积极探索了金纳米壳粒子的合成制作工艺并将其应用于了实验研究。本项目在生化传感器研究方面取得了较多的研究成果。首先研制了基于棱镜结构的表面等离子体共振传感仪并将其应用于了糖蛋白的检测当中，通过引入参考通道的方式提高了系统的稳定性。实现了对糖蛋白RNase B的特异性检测，并进行了动力学常数的计算，得出结合常数KA=5.787 mL/mg。该传感仪的线性范围为1.3256-1.36997 RIU，灵敏度为176.7 RIU-1，折射率分辨率1.248×10-5 RIU。其次研究了基于模间干涉效应的光纤生化传感器，该传感器具有更大的灵活性，可以方便探测液体及微小空间中物体的折射率，且制作过程简单。实验结果表明，该传感器具有良好的线性和重复性，折射率测量分辨率可达2.8×10-5 RIU。最后提出了基于长周期光栅的高分辨率折射率传感器，实验结果表明在1.33-1.38范围内相位灵敏度与环境折射率呈近似线性关系，并且得到平均为-1911.96º/RIU的折射率灵敏度。提出了运用交叉相关解调算法实现折射率解调的方法，将该解调算法应用到实验中，得到在折射率为1.369附近分辨率为6.8×10-6 RIU，在折射率为1.4228附近分辨率为3×10-6 RIU。本项目的研究成果为光纤生化传感器的实际应用提供了有价值的参考，将在环境监测、医疗诊断、制药及食品安全检测等领域发挥积极的作用。