表面等离激元纳米阵列在生化传感方面的应用基础研究

In order to meet the increased important demands of miniaturization high-sensitivity biochemical sensors for medical, biomedical and health care areas, this project will investigate the theory, fabrication and applications of plasmonic nanoarray sensor for detecting specific binding of biochemical moleculars, based on our research experiences and foundation in surface plasmons theory, metallic nanostructure design, micro-structure’s processing and preparation, as well as biochemical detection. This project will study the coupling effect of surface plasmon modes in nanoarray theoretically and experimentally. We will mainly focuses on the sensing mechanism of electromagnetic coupling and resonance in the symmetric and asymmetric annular arrays. Then, we will explore the enhancement mechanism of electromagnetic field modes in annular array by introducing negative refraction metamaterials based on a metal-dielectric multilayer structure, metallic substrate, , and metal nanoparticles in order to break through the detection limit of existing biosensor. We will investigate nanostructure preparation technologies using micro-nano fabrication equipment and its sensing properties are detected from four aspects: refractive index sensitivity, surface sensitivity, figure of merit, and detection of limit based on microfluidic integrated technology. Finally, we will achieve sensor’s biochemical detection using specific binding among biochemical moleculars. This project has significant scientific importance and potential application values for both the development of surface plasmon sensing theory and the realization of metallic nanoarray biochemical sensor.

针对小型化、高灵敏度生化传感器在医疗卫生等领域的重要需求，本项目结合申请人在表面等离激元理论、金属纳米结构设计、微结构加工与制备、传感器生化检测等方面的研究经验和基础，拟开展用于生化分子特异性检测的等离激元纳米阵列传感器理论和应用研究。本项目将从理论和实验两方面系统研究纳米阵列中表面等离激元的耦合效应，重点揭示对称性和非对称性环孔阵列中电磁场共振耦合传感机制，探究金属基底、金属介质多层膜负折射超材料、金属纳米粒子对环孔阵列结构中电磁场模式的增强机制，突破现有传感器的灵敏度和检测极限；利用课题组所在单位的微加工设备，研究实现纳米阵列结构的制备工艺，结合微流控集成技术进行折射率灵敏度、表面灵敏度、品质因数和检测极限等参数标定，进而利用生物分子之间特异性结合实现传感器的生化检测。该项目的实施将推动表面等离激元传感理论的发展，实现金属纳米阵列传感技术器件化，具有重要科学意义和应用价值。

表面等离激元由于其近场增强和亚波长空间局域的特性，使其在高性能纳米结构设计方面具有不可比拟的优势。本项目针对小型化、高灵敏生化传感器在医疗卫生等领域的重要需求，从理论和实验两方面创新性开展了表面等离激元纳米结构在生化传感方面的应用基础研究，揭示了多种纳米结构阵列共振模式近场增强和高灵敏传感检测物理机制，利用聚焦离子束技术、溶胶聚合物小球光刻技术、电化学合成技术等微加工技术制备了这些传感器，同时系统调查了其生化传感检测性能。采用光纤端面技术，将光纤与微纳结构融合，利用光纤本身的导光作用实现了具有高集成度的光纤式生化传感器件。所研制的表面等离激元纳米结构阵列传感器能实现高精度、高灵敏度探测，进而推进微纳结构生化传感器的实用化进程奠定基础。代表性成果包括：（1）利用纳米盘和纳米孔结构的空间叠加构建了的金属纳米环阵列，实现了窄带和高峰值对比度纳米结构传感器，并在实验上系统研究了其传感性能，获得蛋白分子检测极限为45 nM，满足实际应用需求；（2）利用超薄氧化铝模板转移技术实现了低成本、大面积纳米盘结构阵列的制备，并系统研究了入射光角度对传感器性能的影响。结果显示：在入射角为10º时，纳米结构激发的等离激元模式对蛋白分子的检测极限为1.8 nM，这相对于传统棱镜式表面等离激元模式，对生物分子的检测极限降低了一个数量级；（3）利用聚合物纳米小球光刻技术将金属纳米孔阵列制备在光纤端面上，实现了低成本、便携式的光纤纳米结构传感器，为解决表面等离激元传感器成本高、体积大等问题提供了有效的途径。在该项目的资助下，三年内在知名学术期刊Advanced Optical Materials、ACS Sensors、Nanoscale、Scientific Reports 等上共发表SCI 期刊论文13篇 (JCR 一区10篇)，中文核心期刊1篇，获得国家发明专利2项。本项目建立和构建的表面等离激元纳米结构阵列共振耦合传感机制、制备技术和生物检测方法对实现表面等离激元纳米结构的器件化具有重要科学意义和应用价值。