纳米技术组装的新型光纤传感器原理与关键技术研究

Optical Fiber Sensing has been demonstrated it potential on detecting the physical quantities, but can't be applied to detecting the biochemical quantities very well due to the limitations of the material, structure and technology. However, the nano-technology has high potential on the biochemical tests. The project based on primary research of nano multi-wavelength emission material, combining optical fiber sensing technology and multi-wavelength detecing technology, investigating the key theory and technologies of nano-assembled optical fiber. The research includes the three objects, including the investigations of the physical essence of ZnO nanocomposite structures under the multi-wavelength emission for the biochemical sensing, studing the nano-assembled technology on optical fibers and its sensing principles, and conducting the basical experiments on detecting the Albumin Reagent for verifying the functionality of this novel optical fiber sensor.The project tend to solve three key scientific problems. First is reliability and controllability of nano sensing material under the multi-wavelength emission. Second is the stability of the sensing structure of nano-assembled optical fiber sensors.Third is the practicality of novel nano optical fiber sensors in biochemical tests.Our work will investigate the new priciple and structure of novel fiber sensors,and promote the development of optical fiber sensor in field of biochemical.

光纤传感在物理量检测方面已表现出优势，而在生化量检测方面，由于受到材料、结构和工艺等因素的束缚，不能很好地满足生化领域迅猛发展的需求。随着纳米材料和检测技术的进步，其在生化领域的应用日趋成熟。本项目旨在纳米多波长辐射材料研究的基础上，将光纤传感与多波长检测技术相结合，探索纳米技术组装的光纤多波长传感理论与关键技术。项目研究包括（1）探索ZnO纳米复合结构多波长辐射的物理本质,挖掘其在生化传感方面的优势（2）研究ZnO纳米功能材料与光纤结构的组装，探索新型的光纤传感器的工作机理（3）结合基础生化实验（拟采用白蛋白标准试剂浓度检测），验证新型光纤传感器的功能。本项目拟解决：纳米传感材料多波长辐射的可靠性和可控性、纳米技术组装光纤传感器的传感结构稳定性、以及新型纳米光纤传感器在生化测试中的实用性三个关键科学问题。本课题目的在于探索光纤传感器的新原理、新结构，促进光纤传感技术在生化检测领域的发展。

光纤传感技术在力学、振动、热学等物理量检测方面已表现出优势，但是在生物、化学等领域的检测，由于受到材料、结构和工艺等因素的束缚，不能很好地满足其特殊行业的需求，将会直接影响到光纤传感在多领域的发展。因此，如何在传统光纤传感基础上，引入新的技术创新，拓展光纤传感的应用能力，就显得尤其重要。为了解决这一问题，我们联合香港理工大学电子及资讯工程学系（光电子研究中心）、台湾长庚大学光电所（二维纳米光电生物医疗感测研究实验室），完成了三部分内容的研究：一、适于生化检测领域、高灵敏度、新型光纤激光传感原理及器件技术，我们在摸索材料、工艺制备多个光纤DBR激光传感器的基础上，搭建了静态应力变化，动态超声变化的实验平台，结合理论分析和实验验证，探索新型光纤DBR激光传感器的矢量感知能力。静态矢量测量达到角度小于10度，侧向微压力0.098牛顿的精度。动态矢量测量达到角度小于15度，超声功率密度小于10uw/cm2的精度；二、新型光纤激光传感器件在微纳材料封装后的理论建模及特性改变分析，我们采用微纳聚合物封装光纤DBR激光传感器建模，实现不同封装材料与形状条件下，裸纤传感器灵敏度的变化以及谐振测试点偏移的要求；三、光寻址生化二维影像应用探索，我们通过光寻址二维影像领域的技术合作，提升传感器的H+、K+、Na+等离子的感测能力，从而实现生物、化学、医疗等多领域的实际应用。课题组圆满的完成了项目最初设定的目标，课题负责人第一作者（通信作者）与合作单位共同发表了二、三区的SCI期刊论文3篇，国际会议论文4篇（EI检索），申请国家发明专利6项，培养两名研究生获“国家奖学金”，一名研究生在台湾交流期间获得“论文特优奖”（3名/170名）。