基于前向谐振耦合的螺旋式光微流传感器机理与实现研究

In the recent years, optofluidic srnsors have been exploited for the measurement of biochemical composition of microfluid. The sensors are fabricated by integrating liquid into a certain optical circuit and building a micron scaled platform for the interaction between light and microfluid. As a result, on-line measurement can be realized with extremely few liquid consumption. It is a great challenge to develop a highly sensitive, thermally and spatially stalbe and cheap optofluidic sensor. This project propose a novel optofluidic sensor, which is composed with a fluid channel surrounded by spiral microfiber coils. Codirectional resonant couplings are excited by the periodic structure and the measurement can be carried out by monitoring the resonant wavelength. In the project we will investigate the mechanism of resonant coupling, the sensitivity and the implementation of the sensor. Based on this research, an optofluidic sensor with improved performance and lower cost will be realized and a theory for the resonant coupling originated from spiral structure will be established.

光微流传感器是近年来发展起来的一类新型光传感器，它通过将待测液体纳入特定的光学结构中，构建体积微小的光与微流相互作用平台，实现对微流的生化成分进行测量。这种传感器可进行在线监测，且所需液体用量极少，代表着光学生化传感器的发展趋势。如何实现测量灵敏度高、热稳定性和空间稳定性好、成本较低、且光与液体具有各自进出通道的光微流传感器，是摆在研究人员面前的一道难题。针对上述问题，本项目提出一种创新构想，将微纳光纤缠绕在环形微流通道周围并构成螺旋式周期结构，利用瞬逝场的周期性作用激发出导光光纤与微流波导之间的同向谐振耦合，通过监测谐振波长的漂移来实现感测。项目将重点围绕谐振耦合机理、感测机理与增敏、传感器的构建与实现等几个方面开展研究。通过本项目的研究，我们将实现一种性能优越、独具特色、成本较低的光微流传感器，同时为新一类光子谐振耦合器件的基本物理机制和现象建立一套普适理论和研究方法。

癌症和心血管病等重大疾病对人类健康具有严重危害。对于这些疾病来说，只有对目标人群提早进行诊断、筛查并采取相应措施，才能有效提升存活率。在疾病的孕育、发生和发展过程期间，一直伴随疾病标志物的存在，其含量随着疾病的发展而变化。疾病标志物的检测为重大疾病的早期诊断提供新的技术手段，是降低死亡率的一个突破口。然而，疾病标志物在体内含量极低，这对检测精度提出很高要求。此外，未来的“床边诊断”对特异性、样品消耗量、检测时间等均提出很高要求。针对这些要求，本项目提出一种新颖的干涉型光微流传感器结构并实现了不同尺度肿瘤标志物的检测。通过熔融拉锥将微光纤与石英毛细管组装成模式干涉仪，管内壁上组装的功能探针能够有选择性地吸附目标分子，被吸附分子通过倏逝场作用引起干涉谱漂移。与已有技术相比，这一方案检测精度高、免标记、样品用量少、空间稳定性好、抗干扰能力强，具有良好的应用前景。. 项目就微流控器件的构成原理、传感器敏感机理与增敏方法、基于光微流传感器的疾病标志物检测等几个方面展开了研究。. 1、理论研究了由微光纤与微管构成的复合波导的光学模式特性，发现其支持基模与高阶模式传输并产生干涉谱。我们通过优化光纤直径、管壁厚度等几何参数，在较低光学传输损耗下得到对比度较高的干涉谱。. 2、阐明了该光波导结构与管内流体的瞬逝场作用机理，给出了理论公式对干涉谱随管壁吸附生物分子个数之间的漂移进行描述。提出通过减小微纳光纤直径、减小管壁厚和增大微管外径等方式进行增敏。通过结构参数优化，将体折射率灵敏度达到3100nm/RIU。. 3、采用该光微流传感器对不同尺度的三种典型肿瘤标志物分别进行了特异性检测。对生物小分子miRNA-let7a，检测极限为212pM（1.43ng/mL），指数线性区间为2nM到20μM；对生物大分子p53蛋白质，在1fg/mL到10pg/mL区间具有线性响应；对循环肿瘤细胞，灵敏度为37pm/cell，传感器具有单细胞检测能力。