光纤集成式平面光子晶体SPR传感实时定量监测系统

In the Surface Plasmon Resonance (SPR) phenomenon of Metallic sub-wavelength two dimensional (2D) nano photonic crystals (PC), there is a close connection between the resonance peak of the structure and the refractive index of the dielectric material such as bio molecules on the surface of the photonic crystals. In this project, we aim to utilize this connection and fabricate optical fiber based 2D PC SPR bio-sensing system. The system is built for non-intrusive realtime quantitive analysis, which is finally demonstrated by the detection of the absorption of protein molecules on top of the bio material. The basic theoretical study is carried out through both numerical calculation and computer assisted FDTD simulation, where numerical calculation is for simplified models of the sensor and the FDTD computer simulation is mainly for complicated and detailed system design. The research model is further refined through the real situation of bio-chemical detection cases, when the total surface coverage and the refractive index change with time and other environmental parameters. The sensor device is fabricated by various nanofabrication methods such as Electron Beam Lithography, Nanoimprint Lithography and Laser Interference Lithography, as well as some new non-planar nanofabrication method to be developed in this project preparing the PC structure on top of the optical fiber. The detection system is assembled with the sensor device, light source and the spectrometer system. The method to inspect the evolution of the bio-chemical specimen in a realtime and quantitive manner will be realized by this detection system. The system will be able to help achieving the detection and manipulation of the evolution of the bio-chemical specimen by controling different environmental parameters. It provides the opportunity to study small specimen at a trace level in order to understand the mechanism of the reaction in depth. This research and the system developed are expected to be used as a bio-medical research equipment, and further extended into other research and application fields such as material analysis, blood analysis, toxicity analysis, drug test and environment inspection.

金属性纳米亚波长平面光子晶体的表面等离子体共振（SPR）透射增强光谱的波峰位置与光子晶体表面生物分子的折射率间具有密切的关系。本项目利用该关系制备光纤式平面金属光子晶体SPR传感集成系统，对生物化学现象进行非破坏性实时定量分析，并以蛋白分子材料表面吸附过程的监测为实例进行成果展示。以数值计算和FDTD计算机模拟相结合为理论基础对器件结构和材料建模，参考检测实际情况细化模型，采用电子束光刻、纳米压印、干涉光刻等纳米加工方法制备平面器件，并设计全新工艺技术将器件集成于光纤顶端，并与光源、光谱仪形成监测系统，对材料的生物化学演化进行实时监测，实现分析的定量化，通过记录实现各控制参数对生物过程影响的控制与检测，为纳米尺度小样本生化研究提供实时监测的研究手段，为认知其内在过程创造条件。该研究手段有望发展成为一种生物医疗的科研设备，或延伸到其他应用，如材料分析，血液分析，毒物分析，药物测试及环境监测。

金属性纳米亚波长平面光子晶体的表面等离子体共振（SPR）透射增强光谱的波峰位置与光子晶体表面覆盖材料的平均折射率间具有密切的关系。本项目研究二维金属光子晶体与SPR信号的内在关联机理，建立利用二维金属光子晶体特殊结构和表面特定金属材料层产生的SPR增强信号进行生物检测与监测的模型，以此为基础对新型非平面纳米加工技术进行开发性研究，制备光纤式平面金属光子晶体SPR传感集成系统，对材料进行非破坏性实时定量分析。本项目的研究按照项目计划中“建立简单模型——纳米工艺研究——设计参数优化——系统集成——实例演示”的路线进行展开，在具体工作中将模型计算和纳米工艺研究并进，在完成两者的优化设计后实现系统集成的研究并完成演示，在结构的物理原理研究和纳米工艺技术的研究方面均有进展，达到研究目标。对纳米平面金属材料光子晶体的结构进行多种设计比较，包括空心环状单元、紧密排列纳米金属柱、圆孔阵列以及底部带有金属盘的圆孔阵列，研究其本征SPR特性的研究及在生物化学检测中的响应特性；针对每种结构进行了相应的纳米工艺研究，以电子束光刻为前期基础，针对不同设计所制备的器件进行工艺设计，注重于提高纳米加工的尺度和精度，其后以电子束光刻结合反应离子刻蚀等工艺手段制备压印模板，用于光纤集成的纳米压印工艺开发。在完成系统集成后，进行了化学检测的光谱检测演示和色谱检测演示，实现研究目标。本项目研究中，对多种纳米结构的SPR特性的系统研究为未来相应工作打下了坚实的基础，其中开发的10nm线宽电子束工艺、超高高宽比金属柱阵列电镀工艺、对底部金属圆盘的纳米孔阵结构的共振能级分裂机制的研究在国际上均具有前沿性，是较为成功的研究成果。本项目的研究工作可以创造一个实时监测的研究手段，提供大量数据，为实现生物分析的定量化研究提供了可能；能够延伸到其他应用领域，如材料分析，血液分析，毒物分析，环境监测，光刻胶折射率检测，高分子材料交联固化机理研究等；能够利用温度、湿度、营养等控制参数对生物体演化过程的影响，通过实时监测进行记录，完成对该过程的控制与监测；有助于对生物演变的内在过程的认知和探究；还可用于药物试验，检测药物对生物的影响；并有望发展成为一种生物医疗的科研设备，为进一步的向医疗诊断发展提供研究方向； 在此基础上最终提高医疗保健水平，提高人民生活质量。