基于金属薄膜-颗粒复合结构的光纤SPR传感器研究

Light wave can be confined near the metallic nano-structrues effectively when surface plasmon resonance (SPR) happens. This resonance accompanied by light confinement and enhancement features the sensitive response to the change of the environment near the metallic structures. Therefore, based on SPR, the novel optical sensors with high sensitivity can be researched and developed. Compared with traditional SPR sensors, the optical fiber SPR (OF-SPR) devices also exhibit high sensitivity. Moreover, the OF-SPR sensors are suitable for compact, portable, remote-sensing applications, which can be used in clinical medicine, pharmacy and bioengineering. A novel OF-SPR structure for biochemical analysis is proposed in this proposal. The sensing principle is to combine SPR at metal surfaces and LSPR near metal nano-particles to raise the sensitivity of OF-SPR sensors. This proposal has four specific research goals. 1) To build the theoretical model to calculate the extinction coefficient of the nano-structure. 2) To design and optimize the parameter of the device. 3) To fabricate the OF-SPR sensor with the film-particle metallic nano-structure. 4) To realize the high sensitivity sensing by monitoring the position of SPR peak in the reflection spectrum.

表面等离子体共振（SPR）效应可以有效地将光波限制在金属纳米结构表面，这种光局域增强效应说明其共振特性对金属结构表面的介电环境变化非常敏感，因此SPR适合于开发高灵敏度的新型光学传感器件。光纤SPR传感器不仅保持了传统SPR传感器的高灵敏度，同时，还具有结构紧凑、便于携带、可远程传感等特点，在临床医学、生物制药以及生物工程领域具有很大的应用潜力。本课题提出可用于生物化学检测的新型的光纤SPR传感原理及结构，将金属薄膜表面的SPR效应和金属颗粒结构的局域表面等离激元共振（LSPR）相结合，利用这种颗粒-薄膜复合型金属纳米结构实现高灵敏度光纤SPR传感器。研究内容包括：建立用于计算金属纳米结构消光特性的理论模型；设计适合于光纤SPR传感的金属纳米结构；制备基于该结构的光纤SPR传感器；SPR信号光谱峰值位置改变实现对液体折射率的高灵敏度检测。

本项目对基于金属纳米复合结构的光纤表面等离子共振（SPR）传感器进行了系统的研究，并通过引入敏感薄膜实现了高灵敏度的葡萄糖浓度测量。在理论方面基于Maxwell方程分析了表面等离子体波导模式耦合过程，局域表面等离子体共振特性以及金属纳米结构对光的散射机制。根据建立的理论模型，对传感器的结构参数进行仿真优化，确定了光纤SPR传感器金属膜种类、金属膜厚度、传感区长度，以及光纤结构的最优几何参数等。开展了基于化学方法制备银纳米薄膜的工艺研究，以及金属纳米颗粒制备工艺研究，同时对楔形光纤、多模-单模-多模光纤和侧边抛磨光纤结构的加工方法进行研究。通过与不同类型的光纤结构结合，制备了三种不同类型的光纤SPR传感结构，并对它们的传感特性进行测试，通过不同结构的传感机理，可以发现侧边抛磨结构可以更好地利用光纤的倏逝场激发SPR，灵敏度更高，结果表明侧边抛磨光纤SPR传感器灵敏度可达4399.207nm/RIU，且结构更易被敏感材料和金属纳米颗粒修饰。为了提高传感器对葡萄糖浓度敏感特性，在传感区表面修饰葡萄糖氧化酶敏感膜，可以与被测葡萄糖分子产生特异性结合，提高检测精度。在葡萄糖浓度为0mg/dL~200mg/dL 的范围内，传感器共振波长与浓度之间存在较好的线性关系。检测灵敏度为0.0572nm/mg·dL-1，比未修饰时提高了约6 倍。同时，传感器的稳定性测试结果较好，葡萄糖浓度单点测量的标准偏差小于10-3。本项目研制的传感器具有高精度、免标记、非破坏性、可实现在线实时检测的优势，在生物医学检测领域具有一定的应用潜力。