基于高Q值微谐振腔Fano共振激发SERS的生化传感研究

The Fano resonance of the microresonator is coupled with the surface plasmon resonance mode of the metal nanostructure, which has the remarkable characteristics of narrow line width and improved Q value, and can realize highly sensitive detection with ultra-low concentration or even single molecular, and has broad application prospects in the field of high sensitivity biochemical sensing.This project intends to use high-Q microcavity Fano resonance excitation SERS for biochemical sensing research. The main research contents include: exploring the mechanism of Fano resonance biochemical detection in microresonator; discussing the formation, regulation and SERS mechanism of Fano resonance in microresonator; researching the design and preparation of high Q microresonator; based on distributed sensing concept, angle modulation principle, and polarization demodulation technology, combined with spectral acquisition and spectral image reconstruction, construction of biochemical information detection experimental platform, and finally achieve high selectivity, high resolution, high sensitivity and high-throughput biochemical information detection.The research of this project will provide an important theoretical basis for the construction of new principles of biochemical sensing and visualization analysis methods. The results will have important application prospects in the multi-biomolecular complex detection environment in the fields of environmental monitoring, life sciences, genetic engineering, drug development, medical diagnostics, etc.

微谐振腔Fano共振与金属纳米结构表面等离激元共振模式发生耦合，具有线宽窄、提高Q值的显著特性，可实现浓度超低甚至单分子量级的高灵敏检测，在生化传感领域具有广阔的应用前景。本项目拟利用高Q值微腔Fano共振激发SERS来进行生化传感研究。主要研究内容包括：探索微谐振腔Fano共振生化检测机理；探讨微谐振腔Fano共振的形成、调控及SERS机制；研究高Q微谐振腔的设计与制备；基于分布式传感思想、角度调制原理和偏振解调技术，结合光谱采集与光谱图像重构，构建生化信息检测实验平台，最终实现高选择性、高分辨率、高灵敏度和高通量的生化信息检测。 本项目的研究将为构建全新原理的生化传感和可视化分析方法提供重要的理论基础，其成果将在环境监测、生命科学、基因工程、药品研发和医疗诊断等领域的多生化分子复杂检测环境中进行应用，具有重要的研究价值和应用前景。

本项目以平面耦合环形谐振腔作为研究载体，通过对回音壁模式与金属纳米结构表面等离激元共振耦合特性系统研究，探究平面环形腔耦合结构的Fano共振与金属纳米结构表面等离激元耦合提高生化传感的机理，为超高灵敏度微腔生物化学传感器机理的研究提供新的思路。为了产生Fano共振，所研究的电介质型光学超材料拟由电介质纳米颗粒(包括电介质纳米柱、电介质纳米球和电介质纳米环等)、电介质型光子晶体表面缺陷腔和光子晶体微腔三部分构成。基于高Q光学微腔的表面等离激元增强生化传感芯片系统由锥形波导、光波导、高Q光学微腔、金属纳米粒子构成。光场局域于小腔模体积、高Q谐振腔中，以WGM模式传输，使得高Q微腔表面、锥形波导区域周围存在强倏逝场，并与试样相互作用，微腔表面金属纳米粒子激发产生Fano共振峰，对外界环境有着极其高的敏感特性，可实现浓度超低、甚至单分子量级的生化探测。本项目在纳米光波导高Q微腔的研究基础上，利用磁控溅射技术在微腔表面镀一层合适厚度的银纳米薄膜，采用Plasmon技术对银纳米薄膜进行处理，在微腔表面得到一层银纳米粒子。通过数值仿真手段优化微腔与银纳米粒子的结构参数来指导实验工艺制备样品，得到具有超高灵敏特性的敏感单元。并将其应用于生物传感，最终以此为基础进行了相关拓展，得到了酒精浓度、温度、湿度、薄膜厚度、人体血红蛋白浓度检测等多种类型的折射率传感器。