基于集成光流控环形谐振腔的多功能生化检测技术的研究

The biochemical detection is one of the key technologies in the fields of precision medicine, diagnosis at the point-of-care, environmental monitoring and etc. The current biochemical detection based on integrated optical ring resonators can hardly measure the ultra-low concentration solute(i.e. glucose and salt, etc.) and insoluble molecules(i.e. protein and DNA, etc.) simultaneously. We propose to develop a new universal multifunctional biochemical detection technology that can solve this problem by changing the distribution of the optical mode in the ring resonator and improving the interaction between the optical mode and different analytes via optofluidic elements. In this project, we analyze the relation between the optical ring resonator and optofluidic elements in the optical coupling system, and clarify the related mechanism of optical mode modulation. Then, we study the effect of the optical mode modulation in the ring resonator on the biochemical sensing, and develop a multifunctional detection method for different ultra-low concentration biochemical analytes. Moreover, we optimize the design and fabrication process of the optofluidic elements, and achieve to integrate the optofluidic elements and optical ring resonator monolithically. This project first introduces the mechanism of optical mode modulation in an integrated optofluidic ring resonator, which is the basis of developing the new multifunctional biochemical detection technology. This research will effectively facilitate the development of biochemical and medical detection.

生化物质检测是精准医疗、现场诊断、环境监控等领域的核心技术之一。已有的集成光学环形谐振腔检测技术难以同时检测生化物质中超低浓度的溶质（葡萄糖、盐等）含量和不可溶分子（蛋白质、DNA等）含量。为突破上述瓶颈，本项目提出基于集成光流控环形谐振腔的光学模式的调控方法，提升光学模式与不同生化物质的作用效率，发展能同时检测生化物质中超低浓度的溶质含量和不可溶分子含量的新型生化检测技术。具体内容包括：分析环形谐振腔的光学模式耦合系统中谐振腔与光流控元件的关系，阐明基于光流控技术的光学模式调控的机制；研究环形谐振腔的光学模式调控对生化物质的传感特性的影响，发展多功能超低浓度的生化物质的检测方法；优化光流控元件的设计和制备工艺，突破光流控元件与环形谐振腔集成的关键技术。本项目将首次阐明集成光流控环形谐振腔的光学模式的调控机制，并在此基础上发展生化检测的新方法和新技术，为生化医疗领域提供有力的测量技术支撑。

本项目针对精准医疗、现场诊断、环境监控等领域的核心技术生化物质检测，研究基于集成光流控器件的光学模式的调控方法，提升光学模式与不同生化物质的作用效率，发展高灵敏度的新型生化检测技术。具体内容包括：分析集成光流控器件的光学模式耦合系统与光流控元件的关系，阐明基于光流控技术的光学模式调控的机制；研究光学模式调控对生化物质的传感特性的影响，发展多功能超低浓度的生化物质的检测方法；优化光流控元件的设计和制备工艺，突破光流控元件与光流控器件集成的关键技术。本项目将首次阐明集成光流控器件的光学模式的调控机制，并在此基础上发展生化检测的新方法和新技术，为生化医疗领域提供有力的测量技术支撑。项目深入研究了采用液体代替传统固体光波导器件来构建基本的光学元件的方法，采用光流控元件与光纤实现单片集成，无需额外昂贵复杂的工艺，具有可集成化，可调控性和可微型化等优点。在光波经过芯片上的各种光流控元件（例如光流控波导、平面准直透镜和光流控棱镜等）传播进入与之耦合的光流控传感器中，通过优化芯片的光学结构，调控光场在不同元件的材料和边界的传播规律，即相干性、发散角和光能量损耗等特性，从而增加光场与分析物的相互作用，获得~38000nm/RIU的折射率灵敏度，葡萄糖的最低检出限为0.33mM，蔗糖水解的检出极限为检测限为250 μmol/L。本项目通过优化光学模式的激发和调控手段，实现高效高灵敏度的光信号传输。在本项目的资助下共培养6名硕士研究生。