基于金属/电介质多层薄膜双曲超材料等离激元的超灵敏生物传感芯片研究

Label-free analysis technology has less interference factors and higher empirical performance. Therefore the surface plasmon resonance (SPR) biosensor technology has great application potential in medical research. But now the main problem is that the response sensitivity for the detection of lower-molecular-weight analyte is insufficient. In this project, we propose multiple plasmon modes of metal/dielectric multilayer film structure hyperbolic metamaterials (HMM) excited by using the grating-coupling (GC) technique, for sensing and measurement of sample refractive index, the maximum sensitivity of sensor is up to 36000 nm per refractive index unit (nm/RIU) and the refractive index resolution can reach the level of 10^-9RIU. According to the researches on dielectric properties of HMM with metal/dielectric multilayer film structure and plasmon dispersion characteristics, we acquire structure parameters of several metal/dielectric multilayer films HMM and the grating-coupling condition of the HMM surface plasmon. Thus, we realize the simultaneous excitation of multiple modes of surface plasmon and bulk plasmon, and establish wavelength modulation and angle modulation methods. By fabricating several GC-HMM extreme sensitive sensor chip, designing and building a miniaturized chip signal reading system, we achieve the extreme sensitivity of detection of lower-molecular-weight biomolecules, and provide an extreme sensitive biosensor chip and label-free direct analysis methods for the kinetic measurement of small molecule interaction.

免标记分析技术的干扰因素较少，具有较高的实证性，因此表面等离激元共振（SPR）生物传感技术在药物研究中具有较大应用潜力，但目前最主要的问题是小分子分析物响应灵敏度不足。本项目提出以光栅耦合（GC）激发金属/电介质多层薄膜结构双曲超材料（HMM）的多个等离激元模式，用于样品折射率的超灵敏传感测量，灵敏度可达36000nm/RIU，折射率分辨率达到10^-9RIU量级水平。研究多种金属/电介质多层薄膜HMM的介电特性、等离激元色散特性，获得几种金属/电介质多层薄膜HMM的结构参数、HMM表面等离激元的光栅耦合条件，实现表面等离激元和体等离激元多个模式的同时激发，建立波长调制和角度调制方法；制备并获得几种GC-HMM超灵敏传感芯片，设计并搭建小型化芯片信号读取系统，实现并达到小分子响应灵敏度，为药物分析等小分子相互作用动力学测量提供一种超灵敏生物传感芯片和免标记直接检测手段。

开展微纳结构、二维多层超材料、金属/电介质多层超材料等SPR传感芯片研究，进一步提高SPR传感器的高灵敏、高分辨特性，是生物传感领域的主要研究方向之一，并具有重要意义。. 项目通过理论-建模-仿真-设计-制作-实验的研究路线，研发了多种SPR传感芯片。首先基于SPR传感理论、结合粒子群算法（PSO），提出并建立了设计SPR传感器的多参数寻优SPR-PSO算法，运用该算法可快速获得SPR传感芯片的最佳结构参数；然后运用该算法，设计研制了多种材料和结构的SPR传感芯片：金属-电介质多层膜超材料结构、三维等离子体微井阵列结构、单层石墨烯/金纳米粒子结构、二维多层超材料结构以及微纳结构。. 对于设计制备的传感芯片，从理论仿真和测试实验两方面评估其性能。金属-电介质多层膜超材料结构能够激发超材料结构中特有体等离激元共振模式，仿真结果表明该结构的灵敏度明显优于平面金膜的SPR传感器。三维等离子体微井阵列的传感芯片，可提供高对比度、高稳定性的响应识别，极大提高了分辨率和灵敏度；通过对不同折射率样品的性能测试，其折射率分辨率达到5.38x10-7RIU，比平板金膜的10-5 RIU相比，提高1.5个数量级。. 传感芯片的应用实验研究。三维等离子体微井阵列传感芯片能检出10.7pg/ml BSA单克隆抗体。单层石墨烯/金纳米粒子结构传感芯片对单链DNA（ssDNA）小分子（23-mer ssDNA）的检测限达到500aM，检测线性范围为10-15M - 10-7M，满足小分子检测的灵敏度。运用制备的多种SPR传感芯片开展微囊藻毒素的检测实验，结果表明平面金膜、二维多层超材料、微纳结构三种传感芯片对微囊藻毒素的检出限分别为2.13ng/ml、0.79ng/ml和0.17ng/ml，后两种传感芯片可以很好的满足WHO对于饮用水中微囊藻毒素最低含量（1ng/ml）检测的需求。理论分析和实验结果表明项目研究的SPR传感芯片能有效提高检测灵敏度，接近小分子检测的性能，并有望应用于SPR分析仪器中来进一步提升仪器的检测性能。