聚合物长周期波导光栅生化传感器关键理论与技术研究

Relying on a single sensor head which does not contain specific sensitive membrane to actualize qualitative and quantitative detection has been needed to solve presently for bio-chemical sensing. Aiming at solving the key problem, we propose a novel structure, unique sensing mechanism bio-chemical sensor which is fabricated by two series of polymer long-period waveguide grating (LPWG) and directly with bio-chemical detection liquid as waveguide cladding. The resonance light will be coupled to the liquid cladding through LPWG1, then coupled back to the waveguide core by LPWG2. The qualitative and quantitative detections will be realized respectively by analyzing output absorption spectrum and resonance wavelength shift related to the liquid detection concentration. We eventually expect to realize the bio-chemical sensing technology with high sensitivity greater than 20000 nm/RIU, small size, low cost and multi-function integration. The development and completion of the project will have a broad application background in chemical and biological detection, and may provide an important technical support for solving today's increasingly serious civil problems such as food and drug safety which is beneficial to the people's livelihood, which will also have important scientific significance and application prospects.

依靠不含特异敏感膜的单一传感头而同时实现定性和高精度高灵敏度定量检测，是目前生化传感中一直以来需要解决的关键科学问题。针对此问题，本项目提出了被测液体与波导芯之间无固体包层和串联长周期波导光栅（LPWG）的生化传感器创新方案。以被测生化液体直接作为波导包层，在聚合物平面光波导上制作串联的LPWG，分别通过LPWG将波导中传输的光部分耦合进/耦合出被测液体包层，解析输出谱中被测物质的吸收光谱和谐振波长的偏移量分别实现定性与定量检测。该方案的提出，同时解决了高灵敏度定量检测问题和无需特异敏感材料实现定性检测问题，预期最终实现大于20000 nm/RIU的高灵敏度、小尺寸、低成本的LPWG生化传感技术研究。本项目的研究与完成将在生化检测方面具备广阔的应用背景，能够在现今越来越严重的关乎国计民生的食品、药品安全等领域中提供重要技术支持，具有重要的科学意义与应用前景。

近年来，为应对日益严峻的水质安全问题、食品药品安全问题以及环境污染问题，满足水质检测和环境监测等领域对高灵敏度、低成本的微型便携式生化传感器的迫切需求，科研工作者们对光学生化传感器展开了深入研究。光学生化传感器除了具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点，还能工作在传统生化传感器无法工作的高温、高湿、易燃、易爆等恶劣环境之下，因此引起了广泛关注。.本课题首次提出将待测液体作为长周期波导光栅包层的聚合物长周期波导光栅折射率传感器，使其作为非标记型传感器工作。研究了光波导的模式耦合理论以及长周期波导光栅的工作原理，特别是芯层模式和包层模式之间的耦合；针对聚合物长周期波导光栅折射率传感器的工作特性，分析了芯层传输的色散曲线，推导出芯层波导的单模传输条件，仿真计算出芯层模式与包层模式之间的耦合系数，确定长周期波导光栅的周期和长度等参数；在实验室利用紫外曝光、显影、磁控溅射、感应离子刻蚀等工艺制作出传感器样品；最后，搭建光学测试平台，利用宽带光源(1520nm-1610nm)作为输入，改变作为长周期光栅包层的液体材料折射率，检测出输出光谱中不同折射率对应的中心波长漂移量，从而得到传感器的传感灵敏度，同时测试了传感器的温度敏感特性。.实验结果显示该器件对液体折射率极其敏感，虽然有器件制作和实验测试等各环节的误差影响，但实验测试灵敏度仍然高达1.05×10^4 nm/RIU，与理论计算的2×10^4 nm/RIU在同一数量级， 温度稳定性系数为1.47nm/℃，相对于其灵敏度，环境温度带来的影响可忽略。测试结果表明器件具有高灵敏度液体折射率传感特性，可实现小尺寸、无需敏感材料的低成本光学生化传感技术。