基于WGM的多通道光微流体生物传感技术研究

利用生物传感器在分子水平上观察生物反应过程是生命科学等领域研究的重要组成部分，基于回音壁谐振模可以实现无标记光学高灵敏度生物传感，但目前研究主要集中在单通道测量技术，不能满足生物传感高通量测量的要求。本项目旨在采用微谐振腔，波导技术和光栅技术进行多通道光微流体生物传感研究，基于微毛细管构建谐振腔，通过研究谐振腔谐振模式及其与波导光栅的相互作用耦合机理，解决多通道光微流体传感器微谐振腔之间的回音壁谐振模梳妆谱线的阴影遮挡问题，实现波分复用。同时采用扫描法珀干涉仪的梳妆谱特性进行大谱宽高精度的光谱分析技术研究，实现光微流体传感的多通道复用并行解调。研究将为基于回音壁谐振模传感器实现高通量生物传感提供理论和技术基础，并可进一步用于构建微阵列检测芯片。

项目研究了微管的回音壁谐振效应理论，对薄壁微管和厚壁微管的回音壁谐振模电磁场分布进行了理论分析，探索了光微流体生物传感器的体传感和表面传感理论模型，分析了角模式、径向模式和壁厚对传感灵敏度的影响，显示角模式数越小、径向模式数越大和壁厚越薄，对于体折射率变化的响应灵敏度就越高。提出了在微管内壁涂覆介质层实现折射率传感灵敏度增强方法，并建立了四层回音壁谐振模型进行传感灵敏度研究。理论分析表明，对于体传感和表面传感，为了进一步提高传感器的灵敏度，均需提高电磁场在微管内部中的能量分布系数。采用双向移动电控位移台建立了氢氧焰加热微管拉制系统，拉伸速度可达200m/s。系统具有氮气加压功能，能将氮气充入微管内部使其内部压力高于外界压力。进行了薄壁微管制作理论和实验研究，并扩展到微泡制作。基于时域耦合模理论研究并建立了波导光栅与光微流体生物传感器谐振腔的互耦合作用解析模型，进行了波导光栅与微管的耦合仿真，分析了波导光栅与基于微毛细管的光微流体生物传感器微谐振腔的耦合。基于VIPA研究并设计了并行光谱分析系统，开展了监测工作环境压力的高灵敏度光纤压力传感器研究。搭建了回音壁谐振光微流体传感实验系统，进行了折射率传感实验，开展了葡萄球菌肠毒素SEA抗体在微管内壁固化情况的实验研究，获得了固化系数随浓度变化关系。项目执行过程中发表学术论文19篇，其中SCI检索10篇（SCI二区论文7篇），EI检索16篇。授权国家发明专利7项，申请国家发明专利8项。项目毕业硕士5人，在站博士后1人，在读博士4人，在读硕士2人。国际会议特邀报告2次，国内会议特邀报告1次，参与组织国际研讨会议1次。指导学生参加国际会议1次，参加国内会议1次并评为优秀学术论文。参与编著学术著作《分立式光纤传感技术与系统》。项目完成了预期目标。