倾斜光纤光栅表面等离子生化探针机理与优化设计研究

Light can be coupled to the cladding modes of Tilted Fiber Bragg Grating(TFBG) and may be excited Surface Plasmon Resonance（SPR）on the surface of TFBG. Accordingly, TFBG can be considered a high sensitive and independent temperature refractive index sensor. In this application, a novel kind of TFBG biochemical sensing probe with reflective in the end of TFBG is put forward as the last research goal. Different tilted angle, deposit metal, deposit thick of TFBGs on the Corning SMF-28 fiber are fabricated and they are simulated by using Optiwave software,meanwhile, they are deduced to mathematical model via mode-coupling theory and Transfer Matrix Method. Experiments with different ion and non-ion solution concentration are done and compared with theoretical analysis for the purpose of optimizing TFBG-SPR parameters. Special protein concentration is tested through the proposed molecular probe of TFBG-SPR sensor. Its reflective spectrum data information and characteristics are analyzed in detail. The design and fabrication technology of TFBG-SPR probe with end reflective light signal is planned to finish at last in the project, furthermore, its self calculation, high sensitivity and mechanical protection are implemented and experimental system of probe sensor is designed. This application is meaningful and significant in view of researching and marketing area.

倾斜光纤光栅（TFBG）可将光耦合到包层模里并激发镀在包层外的金属膜产生表面等离子体共振（SPR），从而可形成高灵敏度、温度自补偿的折射率传感器。本课题以研制一种实用的终端反射式TFBG的SPR生化传感探针为目标，在康宁SMF-28光纤上，制作不同倾斜角度、不同金属镀层、不同镀膜厚度的倾斜光纤光栅SPR传感器，拟采用光纤光栅耦合模方程和传输矩阵方法，建立数学模型，采用Optiwave软件，进行数值模拟研究；其次，进行离子液体与非离子液体的不同样本溶液的不同浓度测试，将实验结果与理论研究、模拟分析相结合，研究不同参数的折射率传感器，优化TFBG的SPR传感参数；分析研究TFBG终端镀层反射镜后的反射光谱信息特征，实现特定蛋白质浓度的分子探针测试技术，拟最终完成终端反射式TFBG的SPR传感设计、制作工艺，研制出温度自校准、高性能的特定蛋白分子探针系统，具有重要研究意义、社会价值和应用前景。

项目已完成计划任务书全部内容。针对倾斜光纤光栅（TFBG）与表面等离子体共振（SPR）技术结合进行生化检测的研究较少的问题，提出基于TFBG-SPR生化传感器机理及优化设计的创新性研究。成果简述如下：采用经典的耦合模理论对TFBG中光波导模式及传输特性进行研究，并通过仿真软件Optiwave对TFBG传感特性进行模拟。设计制作栅区长度、倾斜角度等参数不同的TFBG，搭建TFBG传感测试实验平台，方便了实验进行和数据分析。研究镀有不同金属的TFBG-SPR机理，探究倾斜角度、镀层厚度等因素对TFBG-SPR传感器灵敏度、响应时间的影响，并研究影响因素补偿的方法，对镀膜后的TFBG进行模拟与实验，将数值模拟与实验结果结合，对TFBG传感器进行优化。.根据OptiGrating仿真和TFBG溶液实验结果得出：当溶液折射率增大时TFBG的共振波长向大波长方向漂移，且在一定范围内共振波长与溶液折射率呈线性变化，线性拟合度高于0.99，灵敏度约为2nm/RIU。在TFBG包层外面镀上纳米金膜以激发SPR效应，可提高灵敏度200～300倍。先将TFBG-SPR制作成DNA分子探针，用于嗜酸性喜温硫杆菌中硫氰酸酶基因的特异性识别。在该基因序列的一段上修饰巯基作为固定探针，采用自组装膜法实现金属膜与固定探针的结合，再进行固定探针与互补探针杂交实验。测试结果表明TFBG的共振波长随着杂交反应的进行向大波长方向漂移，验证了TFBG-SPR的DNA分子探针特异性识别的可行性。.完成TFBG-SPR蛋白质分子探针的测试机理研究，使用化学性质稳定的半胱胺盐酸盐作为中间层将蛋白质固定在金膜表面。在半胱胺盐酸盐増覆成功后又进行了IgG抗原的増覆，分析每次増覆后包层模的变化情况，所得结论表明IgG抗原増覆效果良好。对抗原抗体杂交实验数据进行分析，试验所用的抗体浓度为10mg/ml，特殊阶对应波长变化为5.1nm，实验效果明显。随后又在TFBG-SPR传感器上设计了微反射结构和反射镜结构，并制作成终端反射式TFBG-SPR蛋白质分子探针，实验效果良好。研制的免标记、高灵敏的光纤蛋白质探针，对当前关注的食品安全、分子测试、生化痕量元素测量等热点问题，具有一定的研究参考价值。.该课题资助发表论文共18 篇，其中SCI 收录 6 篇，EI 收录 18 篇。与课题紧密相关的9篇，SCI/EI收录8篇。