单鳞片光子晶体生物传感器件的制备及其SERS的偏振特性研究

Due to their novel physical and chemical properties, photonic crystals (PCs) that possess periodic three dimensional (3D) structures are hopeful to develop a new optoelectronic bio-sensor. Researches show that a pair of butterfly-fore-wings contains more than 100000 single scales and most of them generally possess periodic 3D fine structures as well as excellent polorizing properties that are hard to be replicated by present laboratory nano-fabrication technologies. High-performance PC bio-sensors can be then obtained cost-efficiently if materials, such as Au and Ag, which are sensitive and having raman enhancement to bio-molecules, were hybridized on these single scales’ templates. Thus the project plans to study the surface-enhanced raman scattering (SERS) and polarization-dependent effects of single-butterfly-wing-scales-based (SBWSs-based) PC bio-sensors..The main research contents are as belows:.1. The local distribution of surface electromagnetic fields, the polorization properties of light transmission and etc. of different wing scales or ZnO/Ag and ZnO/Au with wing scales’ structure will be theoretical simulated using finite-difference time-domain (FDTD) method. The influence of the material or structure on SERS and their polorization properties will be discussed and used for further device design and optimization. .2. After the theoretical optimization, the corresponding bio-sensors will be fabricated accordingly and their specificity SERS responses to given tumor markers in urine will be investigated in details..This project is aim to reveal the enhancement and optical polarization effects of materials existed SBWSs' PC structures and build a single-scale-based new PC bio-sensor both theoretically and experimentally..

因新颖的物化性质，具有周期结构的光子晶体可望用于发展新型光电生物传感器件。研究表明，一对蝴蝶前翅含多达十万枚单鳞片，每枚鳞片均具有迄今常规纳米制造技术无法获取的三维周期结构，并表现出独特的光偏振性。在鳞片上复合Au，Ag等材料，有望低成本获取基于SERS效应的光子晶体生物传感器件。为此，项目拟开展单鳞片生物传感器件的制备及其SERS的偏振特性研究，包括：1.运用FDTD方法研究不同单鳞片光子晶体结构以及将鳞片几丁质转换成为ZnO/Ag，ZnO/Au材料对其表面局域电磁场分布、光传输偏振性的影响，结果将用于器件设计和优化；2.材料制备及器件集成；制备所需单鳞片传感材料作为独立的SERS芯片，并将其集成得到生物传感器件，研究其吸附尿液中特定肿瘤标记物后表面拉曼光谱的偏振特性；本项目旨在理解单鳞片光子晶体材料的拉曼增强与偏振特性，并理论设计和实验制备得到基于单鳞片的新型光子晶体生物传感器件。

近几年基于纳米材料的小尺寸效应、表面等离子体共振的拉曼、荧光增强效应等发展起来的新型生物传感器件，能够在单分子水平上实现对生物分子（DNA、蛋白质、抗体等）的快速检测，在疾病识别和早期预测方面具有重要的应用，引起了广泛关注。其中基于表面增强拉曼散射（SERS）效应的生物传感器件最近几年的发展尤为突出，成为超高灵敏度检测领域一个重要的方向。.灵敏度和可重复性是衡量SERS活性衬底性能好坏的两个关键指标。然而，提高灵敏度和增加稳定性往往是一对矛盾体。在保证超高灵敏度的同时，提高SERS活性衬底的稳定性是该研究领域的一个重要方向。已有的研究表明，在材料中引入周期排列的规则结构，可以有效改善其表面拉曼光谱的质量，提高其稳定性和可重复性。.因此本项目拟通过理论与实验相结合的方式，开展在具有周期结构单鳞片表面复合贵金属材料制备灵敏性和稳定性俱佳的SERS偏振材料。.总要结果：1. 找到了一种利用柠檬酸钠乙醇溶胶（SCES）制备Au基纳米材料，Au基纳米复合材料的新方法。该方法相对于传统采用柠檬酸纳水溶液（SCWS）的方法具有诸多优势，例如：反应温度低，无需添加多余稳定剂，可以在低表面张力无水环境制备等，尤其在制备Au基纳米复合材料中，具有SCWS方法无法企及的优势。2. 成功在具有蝶翅周期结构的ZrO2纳米材料表面复合了Au纳米颗粒，并详细研究了其光学性能和SERS效应。结果显示ZrO2基底及其结构对Au的可见光吸收和表面拉曼光散射均具有增强作用。制备得到的Au-ZrO2-SERS材料对4-MBA具有优异的检出度，能检测出乙醇溶液中10-11M含量的4-MBA，并具有良好的线性。.研究结果显示，实验制备得到的具有三维周期结构的Au-ZrO2-SERS材料同时具备优异的灵敏性和稳定性，具有重要的应用价值，可以进一步开发得到性能优异的SERS衬底。