基于金属纳米结构的探针型光纤生化传感器

As one of the three pillars of the information technology, the sensor technology is trending towards the development directions of low concentration, extremely low limit of detection (LOD), real-time, and label-free measurement. Thus, we propose the investigation of the chemical and biological sensing mechanism of probe-type fiber patterned metal nanostructures on facet by exploiting merits of localized surface plasmon resonances (LSPRs) with the near-field enhancement and extreme sensitivity to changes of the refractive index (RI) close to the metal surface and optical fiber with low transmission loss and easy to use, and explore the solution to design and fabrication of the probe-type fiber sensor with low LOD, high sensitivity, and ease of use. In the project, we will (1) design the metal nanostructures supporting LSPRs with high sensitivity and develop process technology for them fabricated on fiber facet; (2) give play to the probe effect of the optical near field bounding around the nano-scale metal nanostructure surface to reduce LOD and enhance sensitivity for exploring the real-time, low concentration, and label-free detection; (3) utilize the nanoparticle trapping capacity of localized hotspots for a single molecule detection. The distinguishing features of this project include: (1) integration of metal nanostructures on fiber facet and collaborative utilization of fiber optical communication and sensing technology; (2) the high sensitivity of LSPRs using for low concentration and even single molecules detection. This work will promote the advancement of nano-manufacture technology on small and flat area, and the development of the new probe-type fiber sensor device design and fabrication.

作为信息技术三大支柱之一的传感技术，正朝向低浓度、极低检测极限、免标记实时测量等高性能化方向发展。鉴于此，本项目拟将局域化表面等离子体共振(LSPRs)的近场能量增强及对周围环境折射率变化敏感特性和光纤的传输损耗低、易使用性等优点结合，研究金属纳米结构修饰的光纤探针的感测机制，探索低检测极限、高灵敏度及使用方便的探针型光纤传感器设计及制作方案。研究内容：（1）设计高敏感度LSPRs的金属纳米结构，并发展其在光纤端面的制作新工艺；（2）发挥金属结构表面纳米尺度内的光学近场探针效应，提高灵敏度、降低检测极限，探索实时、低浓度、免标记探测；（3）利用局部热点的强束缚作用，探索单分子探测。特色在于，（1）光纤端面集成金属纳米结构，光纤通信与传感整合；（2）LSPRs高度敏感特性用于低浓度甚至单分子探测。本项目的开展将推动微小平坦区域纳米结构制备工艺进步；并促进新型光纤探针传感器件设计与制作的发展。

表面等离子共振SPR技术是高精度光学检测技术之一，具有灵敏度高、样品免标记且无需纯化、重复性好、实时动态测量、原位监测等优点，在医疗诊断、生物检测和分析、化学加工、药物筛选、食品安全和环境监测等领域有着广泛而深远的应用前景。然而，由于激发效率低和辐射损耗高等内在原因，其传感性能有待进一步提升。近年来，随着纳米材料科学与纳米加工技术的不断发展，SPR传感技术与“Lab on fiber”技术相结合，展现出了新的活力，并成为了生物探测领域的研究热点。本项目以基于金属纳米结构的高性能SPR传感器研究为主要着手点，重点开展了以下几个方面的工作： 1. 提出用二硫化钨纳米片、二氧化钛纳米球等纳米材料薄膜修饰SPR传感器的传感层表面，来提高传感灵敏度。此方法具有简单高效，绿色无污染和生物兼容性好等优点。实验上，对修饰界面进行了表征；通过折射率传感对器件的性能进行了分析，获得较好灵敏度增强效果，并表现出良好的线性检测关系，为开发高灵敏的SPR传感器件提供一种简单有效的新思路。2. 设计了一种基于长程表面等离子共振LRSPR的光纤传感器。利用传输矩阵法，对结构参数进行优化，通过提高表面等离子波导的结构对称性，来有效激发传输损耗小、局域电场强、穿透深度大的LRSPR模式；并通过器件制作与测试，对优化设计结果进行了实验验证，进行了折射率传感和牛血清蛋白分子浓度的测量；对比了该LRSPR传感器和传统的cSPR传感器的性能； 这种LRSPR传感器在非侵入式的细胞内免标记探测方面具有潜在应用。3.设计了一种基于金属椭圆洞与圆盘复合纳米结构阵列的SPR光纤探针传感器，得益于此二元纳米结构共振激发不同的SPR模式间的强耦合与杂化作用，大大降低了共振吸收的辐射损耗，并提高了激发效率与信号对比度，从而大幅改善了LSPR传感器谱线宽，灵敏度和对比度低的问题，进行了折射率传感分析，该传感器具有较高的灵敏度和较大的品质因数，在长距离、免标记、即时生物检测方面，具有实际的应用前景。