基于新型纳米结构光波导荧光增强研究及其在超灵敏传感中的应用

In a fluorescent enhancement system, the enhancement efficiency is very sensitive to the distance between fluorophore and metal surface that generates plasmonic resonance. To achieve high enhancement efficiency, the experimental conditions should be strictly controlled. Towards this problem, this project aim to prepare novel film of arrays of nanotubes, by using the enhanced electric filed generated in the optical waveguide layer, to enhance the fluorescence. By tuning the structure of the nanotube array film, including the selection of materials, thickness of film, density of nanotubes and ratio of occupancy, it would be able to tailor the optical characteristics (eg. effective refractive index) and mechanical properties of the waveguide layer. The electric field enhancements in the waveguide layer are to be simulated and the measured enhanced fluorescence under Krechman condition are to be compared with the simulated results. The structure of the waveguide layer and the measuring system are then to be optimized, combined with microfluidics system, after the immobilization of probe molecules and the labelling of target molecules, are used for the detection of mammary cancer marker. This project aims to construct a high performance ultrasensitive biosensing platform based on fluorescent enhancement in a novel optical waveguide layer.

在荧光增强体系中，荧光增强效率对荧光基团与产生表面等离子共振的金属间的距离非常敏感，实验条件要求比较苛刻。针对这个问题，本项目提出制备新型的纳米管阵列结构膜层，利用该新型光波导膜层中增强的电场进行荧光增强。通过对纳米管阵列结构的调控，包括材料的选择、膜层厚度、管密度、占空比等，调节膜层的有效折射率等光学性能和机械性能；通过模拟体系的电场强度增强情况，引入荧光基团，在Krechman装置下测量增强荧光强度，计算荧光增强效率并与模拟结果相比较，总结与膜层结构及其他因素的关系。在此基础上，优化光波导膜层和测量系统，通过探针分子的固定和靶分子的标记，将光学测量体系与微流控系统相结合，针对乳腺癌的一些标志物进行检测，并与传统检测技术相比较和分析，力争搭建一基于新型结构光波导荧光增强的超灵敏生物分子检测平台。

荧光光谱作为一个重要的检测手段已在生物检测和生物医药领域中得到众多的应用，这包括细胞成像、分子标记、光学系统、基因检测等等。在荧光增强体系中，荧光增强效率对荧光基团与产生表面等离子共振的金属间的距离非常敏感，实验条件要求比较苛刻。本项目通过制备新型的纳米管阵列结构膜层，利用该新型光波导膜层中增强的电场进行荧光增强。主要研究内同如下：.1）制备了纳米管阵列光波导层;.2) 检测光路的实现: 搭建了用基于 Kretshmann 结构的检测装置，利用反射率角度谱其动力学曲线以及荧光角度谱进行高灵敏度生物检测；.3）研究了光波导模式对荧光光谱增强的影响；.4）搭建了基于微流控装置的光学检测系统并研究了对生物分子检测的高灵敏检测。.取得的重要成果和关键数据如下：.1）对多孔氧化铝（PAA）纳米波导传感性能仿真与实验结果表明，无论TE1模式还是TM1模式，当共振角变大时，其平均场增强因子均减小，但是灵敏度确是先减小后增大趋势；.2）构建的光波导传感器与强度型SPR传感器有明显提高，达到10^-7RIU量级；.3）波导膜中的荧光较正常的荧光激发强度提高两个量级以上；.4）所构建的波导传感系统对生物分子传感的灵敏度达到皮摩尔浓度量级，经过荧光增强后达到飞摩尔浓度量级。.本项目面向国家需求，以基础研究为根基，引领技术发展；即研究了基于纳米结构纳米管阵列光波导模式对荧光光谱增强的机理和调控因素，推动了传统生物检测相关领域内高灵敏检测的进一步发展。有望在体外诊断、食品检测以及环境监测等领域获得实际应用。