基于金颗粒-氧化石墨烯的超灵敏光纤表面等离子体共振生化传感器

Aiming at the low sensitivity of the current optical fiber surface plasmon resonance (SPR) sensor in the detection of low concentration samples, a new and highly sensitive fiber SPR sensor based on gold nanoparticles-graphene oxide (AuNP-GO) is proposed. The structure of the AuNP-GO fiber probe is optimized by finite-different time-domain (FDTD) and raying-tracing methods. Then the fiber probe is prepared by layer-by-layer deposition of gold nanoparticles and graphene oxide using silane-coupling self-assembling method. Afterwards, the fiber SPR sensor is designed and built by using integrated optical fiber devices and combining with fast data acquisition and analysis system. Furthermore, the performance of the fiber SPR sensor is improved by optimization of the size and morphology of gold nanoparticles and the deposition cycles of AuNP-GO. The sensor could finally realize to detect various biochemical samples at low concentrations rapidly and quantitatively. The optical fiber SPR sensor based on AuNP-GO is a small, efficient and convenient real-time detection system that can be used in many fields and occasions. It has a wide potential application in areas such as environmental monitoring, food safety and medical diagnosis.

针对目前光纤表面等离子体共振（SPR）传感器在低浓度样品检测中灵敏度低的问题，提出基于金颗粒-氧化石墨烯构建一种全新的、具有超高灵敏度的光纤SPR传感器系统。拟结合时域有限差分法和光线追迹法对金颗粒-氧化石墨烯光纤探针的结构进行优化，并采用硅烷偶联自组装法在光纤表面逐层沉积金颗粒和氧化石墨烯制备光纤探针；然后使用集成的光纤器件结合快速数据采集分析系统，设计并搭建全光纤结构的SPR传感器；最后通过探究金颗粒大小、形貌和金颗粒-氧化石墨烯沉积层数对光纤SPR传感器性能的影响对传感器进行优化，最终实现在低浓度情况下对多种生化样品的快速、准确的定量检测。本项目研制的基于金颗粒-氧化石墨烯的光纤SPR传感器是一种可应用于多领域多场合的小型、高效、便捷的即时检测系统，在环境监测、食品安全和医疗诊断等领域具有潜在的应用价值。

光纤表面等离子体共振（SPR）传感技术利用金属纳米颗粒的共振吸收峰对其界面介质折射率敏感的特性可实现对生化分子的检测，具有非标记、样品需要量少、响应速度快和体系设计性强等优点，因而成为检测有毒有害污染物的重要工具，在环境监测、食品安全及医疗诊断等领域有着广泛的应用。然而目前仅基于金颗粒的光纤SPR传感器的灵敏度仍然较低，针对此问题，本项目提出并实现了基于金颗粒-氧化石墨烯构建一种全新的、具有超高灵敏度的光纤SPR传感器系统。.首先，研究了基于金颗粒-氧化石墨烯的U型光纤探针的设计、制备与修饰，包含采用时域有限差分法和光线追迹法对光纤探针的结构和参数进行了数值模拟和分析，结果表明U型光纤探针的传感区和非传感区宜采用组合锥型结构实现过渡，并用湿化学腐蚀法实现了U型石英光纤探针的制备，之后在实现金溶胶和氧化石墨烯溶胶制备的基础上，采用硅烷偶联自组装法在探针表面逐层沉积金颗粒和氧化石墨烯实现了光纤探针的修饰，光学显微镜图像表明沉积效果较好。.其次，基于集成的光纤器件结合快速数据采集分析系统，设计并搭建了透射式的全光纤SPR传感器系统，并使用修饰有金颗粒的U型光纤探针对系统的性能进行了测试，结果表明搭建的光纤SPR传感器对乙醇溶液的检测灵敏度为413.4 nm/RIU，且具有较好的线性和重复性。.最后，以不同浓度的乙醇溶液和蔗糖溶液为检测样品，研究了金颗粒-氧化石墨烯的沉积层数对光纤SPR传感器性能的影响，结果表明，金颗粒-氧化石墨烯的最佳沉积层数为3层。.本项目研制的基于金颗粒-氧化石墨烯的光纤SPR传感器为低浓度样品检测提供了一种有效手段，是一种可应用于多领域多场合的小型、高效、便携的即时检测系统。