表面微结构微纳光纤光栅生物传感器的机理与实现研究

The optical fiber biosensor is an effective means for obtaining the information of biological substance or organism composition. It can be realized by catching specific molecule in liquid with the receptor that is immobilized on the surface of a fiber structure, for the potential applications of disease diagnosis, prevention, and etc. However, in most situations the refractive index change for the biological sensing is too weak. To obtain the accurate information requires development of advanced optical sensors or methods. Based on the analysis of the literatures and our previous research works, this project proposes a novel optical sensing structure. By introducing the microstructures on the surface of a microfiber Bragg grating, the liquid to be measured can easily reach the vicinity of fibercore and interacts strongly with the light field. Our study also provides a high flexibility for the design of microfiber devices for the purpose of mode operation and improvement of the sensor. This project is carried out with theoretical analysis and numerical simulation, fabrication of surface-microstructured microfiber, and realization of biological sensor. Both the theoretical and experimental methods are used. Based on this research, a surface-structured microfiber sensor with both improved performance is realized and a novel methodology for such a photonic device is provided.

光纤生物传感器是主要利用光纤技术手段获取生化物质和生物体组成信息的器件，主要通过在光纤结构表面结合受体以对液体中特异性分子进行抓取来检测，从而实现相关疾病诊断和预防等，然而由于生物体信息的有效折射率变化非常微弱，为了准确获取生物信息必须依赖高灵敏度的光纤结构和方法。本项目正是在总结了以往工作并结合我们自身特点的基础上，提出了表面微结构微纳光纤光栅生物传感器这一创新构想，一方面使待测液体更容易通过连接纤芯的横向微结构进入光纤从而实现与光场作用增强，另一方面也为微纳光纤器件的设计提供了高度灵活性，通过结构变化实现对其模式的操控和传感器性能的提升等。本项目拟主要围绕理论分析与计算、表面微结构微纳光纤制作、以及传感器的构建与实现等几方面展开研究，将理论与实验结果相结合，最终实现一种性能优越的表面微结构微纳光纤生物传感器，并为新一类光子器件的物理机制和实现提供一整套研究方法和思路。

微纳光纤生物传感器结构对传感性能具有巨大的影响，通过光纤结构的改变可实现对灵敏度的提升和稳定性增强。围绕微纳光纤生物传感器的结构设计与实现，我们的研究工作主要分为下面几个方面内容：光纤倏逝场理论研究、光纤结构激光加工、熔融拉锥及光纤光栅制作、生物功能材料修饰及DNA分子传感测试等。在本项目支持下，我们基于上述研究内容做出了一系列创新性的科研成果，包括：我们研究了光纤结构对光的倏逝场效应及模式色散的影响，发现模式或模间色散在波长传感中起重要的调节作用，随着光纤横向尺寸减小，传感器折射率灵敏度优于1000nm/RIU，并对器件的温度响应特性进行了研究，找到影响器件稳定性的结构因素；我们利用飞秒激光加工工艺进行了对光纤打孔、切削以及表面开槽等微加工操作，利用二氧化碳激光加工技术实现了对光纤的微刻槽和形状加工，利用氢氟酸液滴刻蚀实现了对水滴形光纤结构的加工等；在光纤熔融拉锥方面，我们通过优化工艺实现了对光纤拉锥尺寸及结构形状的控制，由此制作了高阶衍射的微纳光纤光栅、竹节状微纳光纤光栅以及扁状高双折射微纳光纤等不同的光纤结构；我们完善了微纳光纤光栅的紫外光刻写技术，制作了例如超结构微纳光纤布拉格光栅等多种光栅结构；我们优化了微纳光纤表面的生物材料组装工艺，通过聚赖氨酸吸附探针DNA分子，实现了对溶液中目标DNA分子的特异性测量，达到本项目的研究目标。在本项目的支持下，我们已发表科研论文21篇（已标注），包括国际SCI期刊论文11篇、国际会议论文2篇和中文期刊论文8篇，其中影响因子3.0以上的SCI期刊论文8篇，论文单篇引用次数38次，两次在国内核心期刊中被评为优秀/封面论文；已申请国家发明专利3项，其中1项已获授权；培养博士和硕士研究生11人；已受邀发表专题论文等。