具有多维可控立体通道光微流生化传感器机理与实现研究

It is a great challenge to develop a highly sensitive, high output sensing and degree of recognition optofluidic sensor. This project proposes a novel optofluidic sensor, which is composed with the fusion structures between the re-shaped microstrutured fibers and multi-structured waveguides along the radial direction. Based on the concept of “Lab on a chip”, the high sensitivity couplings are excited by these two fusion parts, and the different refractive index of microfluid measurement with high sensitivity can be carried out by monitoring the coupling between them. Moreover, different waveguides and microfluid tunnels are coated or filled with bio-chemical materials to fulfill the need of high sensitivity, high output and high degree of recognition sensing..In the project we will investigate the mechanism of resonant coupling among the “multi-state” waveguides, the fabrication of the micro-tunnels, the individual control of the tunnels and the combination of the biochemical material. Based on the research above, optofluidic sensors with the improved plug-and-pull measuring function will be realized and the theory according to this structure will also be established.

由于目前的光微流生化传感器存在难以同时满足高灵敏度、高通量及多种被测物高辨识度感测的缺陷，本项目提出一种将不同结构波导与重塑的微结构光纤在径向相熔合，并结合多种生化材料分区域加载的新型生化传感器，同步实现上述功能。将“Lab on a chip”的理念应用于光纤端面，通过对不同波导结构和微流通道在径向排布进行设计优化，利用纤芯和波导间模式耦合所具有的高灵敏度，去感知在多维通道内不同折射率的微流体，实现对折射率低于石英的生化材料进行高灵敏度传感；充分利用空间优势，通过对各通道的单独控制及材料加载，实现高通量和高辨识度传感。本项目对径向熔合结构所形成的各种形状与性状波导，即“多态”波导间谐振耦合机理、立体微流通道构建、对通道进行单独控制、与生化材料结合等物理问题和科学技术问题进行探究，并结合商用微流控器件最终实现插拔式传感，有望解决不能同时进行高灵敏度、高通量和高辨识度传感的难题。

研究背景：.本项目立足于光纤传感器在光纤径向方向的可操作性和可实现性，利用光纤模式耦合理论和光流控技术，设计开发具有可控多立体通道的光纤生化传感器，实现了基于模式耦合的高灵敏度传感，对多种具有潜在应用的生化参数进行了检测，如环境湿度、金属腐蚀微过程；同时对所设计制作的光纤传感器的性能，如扭转、拉力、抗压能力等，以及制作结构参数，如径向轴向长度、错位量、扭转程度、锥区位置及长度等进行了研究与分析。..对所设计的光纤传感器进行理论分析：发现在三段光纤错位的光纤传感器中，中间一段光纤所处的位置和长度对于传感器灵敏度有着重要的影响。利用仿真计算确定了保证高灵敏度下，光纤的最优长度，并结合制作实际确定了最优错位量。.制作光纤传感器并对特定参数进行测量：对传感器进行定标后，对外界环境湿度、温度、折射率等变化进行了测定；模拟实际情况对电化学腐蚀微过程进行检测；对特定目标物进行识别；分析了传感器在不同拉力、压力，扭转等作用下的响应情况。.重要成果：.1、.对环境湿度进行检测：在无涂覆其他增敏材料的基础上，所设计制作的光纤传感器当处于高环境湿度时，如87.5%RH时，对环境湿度的测量灵敏度0.1667 nm/%RH和0.62 dB/%RH，而且中间段的光纤长度可以达到 1222 μm，便于实际制作。.2、.对化学腐蚀微过程进行检测：对不同浓度的氯化钠溶液下的金属腐蚀速率进行检测。结果表明其检测极限值可以达到0.05 wt%，灵敏度可以达到10372 nm/RIU，在氯化钠溶液溶度为0.05 wt%, 0.1 wt% and 0.2 wt%时，其峰值位置移动的动态范围分别为0.08, 0.12 和 0.17 nm/min。.3、.对生物特异性蛋白进行检测：在光纤上加载特异型蛋白从而对特定抗原分子进行检测，实现特异型检测功能，比原有方法灵敏度提升一个数量级。.应用前景：.在未来我们预期将光纤传感器应用于光纤通讯与传感一体化的研究中，实现通感一体化体系，利用传感器对微小参量变化敏感的优势，扩大传感器的应用范围。