基于局域表面等离激元的传感器物理机理和应用研究

Plasmonic micro-/nano-structures have important applications in super-resolution imaging, sensing and medical diagnosing. The medical diagnosing system based on the localized surface polariton refractive index sensor is thought to be a next generation of the portable medical diagnosing system, surface enhanced Raman scattering (SERS) can detect any content of materials even single molecular. However, there still exist some challenges in these two fields, for example, the low Figure of Merit (FOM) of localized surface plasmon polariton refractive index sensors, the detection technology for the disease markers, and the inhomogeneity and low repeatability of the signal of surface enhanced Raman scattering. This project is aimed to solve these challenges through tuning the light fields. This project will propose novel methods to design the refractive index sensors based localized surface plasmon polaritons with ultrahigh figure of merit (over 600), and experimentally demonstrate these sensors. We will demonstrate the medical detecting system based on localized surface plasmon polariton refractive index sensors, and the detection limit of the alpha fetoprotein will be better than 0.4 ng/ml. We will propose novel physical mechanism to design SERS substrates with high enhanced factor and ultrahigh density of "hot spots". We will develop nanotechnology to fabricate such SERS substrates with high enhanced factor, uniformity and repeatability, which will be used in the detection of the concentration of poisonous and harmful materials. The project will push forward the application of surface plasmon polaritons in medical diagnosing, environment monitoring and food safety.

表面等离激元微纳结构在超分辨成像、传感和检测上有重要的应用。其中基于局域表面等离激元折射率传感的医学检测系统被认为是下一代便携式医学检测系统的发展方向，基于表面增强的拉曼散射被认为是可以检测任何物质的存在。但是这两个方向均存在急需克服的问题，比如低局域表面等离激元折射率传感器的品质因子，疾病标志物的检测技术有待发展，表面等离激元增强的拉曼散射衬底的均匀性和测量的可重复性低。本项目通过新型光场调控去解决这些问题，提出设计超高品质因子局域等离激元折射率传感器新方法，实验上实现品质因子超过600。演示基于局域表面等离激元折射率传感器的医学检测系统，并将甲胎蛋白的检测灵敏度提高到0.4 ng/ml。提出设计具有高“热点”强度和密度的表面增强拉曼散射衬底新方法，制备相应的具有高增强因子、均一性和可重复性的拉曼散射衬底，应用到检测有毒有害物质的浓度上。推动表面等离激元在医学、环境和食品检测中的应用。

表面等离激元结构在成像、传感和检测上有重要的应用。其中基于局域表面等离激元折射率传感的检测系统被认为是便携式医学检测系统的发展方向，基于表面增强的拉曼散射被认为是可以检测任何物质的存在。但是这些方向均存在急需克服的问题，比如低局域表面等离激元折射率传感器的品质因子等。本项目通过新型光场调控方法解决这些问题，发展非常规的高精密纳米制备技术，演示了多种新型高灵敏和高重复性的表面等离激元传感结构和元器件。主要结果如下：.1..制备了超光滑表面的一维金纳米槽阵列，利用该结构中的法布里-珀罗模式—伍德异常的相互作用，在正入射下实现了超窄线宽（~2 nm）和超高Q值（Q~350）的局域表面等离激元谐振。发展了高精度且高重复率的纳米制备技术，批间样品的谐振波长标准误差仅为0.05 nm，远超报道的纳米制备技术。该模式的传感品质因子高达284，是目前局域表面等离激元折射率传感器的世界纪录，以强度表示的品质因子可以高达610，检测附着物分子单个CH2变化的灵敏度为0.18 nm/CH2。这为基于局域表面等离激元的便携式医疗检测仪器的研发奠定了技术基础。.2..提出了一种全新的基于表面形貌气动控制的动态反射系统，研制出基于光散射的超灵敏光学气压传感器，以相对反射强度变化表示的气压灵敏度达到178/kPa, 其灵敏度比传统的光学气压传感器高3-4个数量级。将之应用到肿瘤标志物的检测上，通过双抗体方法，甲胎蛋白肿瘤标志物检测极限是0.1 ng/ml。这是一种全新的基于光学气压传感器的医学特异性检测方法。.3..发展了全新的基于镜面-漫反射切换的光学氢气传感器，这为氢能源的安全使用提供了保证，并研制了原型设备，正在推广应用阶段。.4..研究并提出了多种非常规纳米制备新工艺，层层自组装技术和由二维纳米结构制备三维结构技术等，为多种光学器件的制备，尤其是高性能的局域表面等离激元器件奠定了技术基础。