中红外硫系玻璃微球传感器

We propose to develop a novel label-free optical microcavity sensor fabricated from high-purity chalcogenide glasses that operate in the molecular fingerprint region of the spectrum between 2 and 20um. The devices will be capable of detecting as well as identifying trace quantities of gaseous, chemical and biological molecules. The strategy will consist of matching highly specific mid-infrared molecular vibrational modes of target molecules with the resonant frequencies of an optical microcavity. This will allow us to combine the outstanding sensitivity of optical resonator sensors with the high selectivity of vibrational spectroscopy. Current sensor technology based on optical microcavities has been restricted to the visible and near-IR due to the limited transparency of oxide materials, and the mid-infrared vibrational modes are therefore not accessible. The specificity is typically obtained by functionalizing the sensor surface with site-specific recognition molecules. The process is complicated and also limits the sensor to only one type of target. Chalcogenide glasses have superior transparency in the mid-infrared spectral region. Based on our extensive experience with infrared transmitting chalcogenide glasses and fibers, we will develop a chalcogenide resonant microsphere sensor with high sensitivity and operating in the mid-infrared region, and attempt to detect and identify trace quantities of multi-species.

本项目建议研制一种以高纯硫系玻璃为基质在分子振动指纹光谱区（2-20um中红外波段）高度透明的新型无标记光学传感器。这种传感器可探测痕量气体、化学和生物分子，并具有识别分子的能力。我们的研究策略是将目标分子的特征振动模与工作在中红外波段的光学微腔谐振频率相匹配，从而结合光学微腔传感器的高灵敏度优势和红外振动光谱的高选择性特点，进而探测和识别痕量分子。由于制作光学微腔传感器材料的透光范围限制，目前光学微腔传感器技术主要局限在可见光和近红外区域，无法探测分子振动模，对分子的识别通常采用微腔表面功能化处理，工艺复杂且表面功能化的传感器只能探测一种分子。硫系玻璃在中红外波段具有优异的透射性能，本项目中，我们将基于长期从事红外传输硫系玻璃和光纤材料的经验，研制可工作在中红外波段的高灵敏度硫系玻璃谐振微球传感器，尝试痕量多种分子的探测和识别。

光学微腔传感器具有高灵敏度、体积小、无需标记等优点，被认为是强大的分子检测器件。本项目结合光学微球传感器的高灵敏度优势和红外振动光谱的高选择性特点，提出了研制一种有望实现痕量分子探测和识别的中红外硫系玻璃微球传感器。为此，我们研究了高纯硫系玻璃的制备、低损耗硫系光纤的拉制、锥形光纤的制作、硫系玻璃微球的制备与表征、生物分子的表征与筛选，获得的主要结果如下：.(1).采用一种新的提纯方法制备了高纯硫系玻璃。该方法是向硫系玻璃系统中引入200-2000ppm摩尔比的超干GaCl3作为除氢和碳杂质的纯化剂，引入100-500ppm摩尔比的Al、Mg或Zr作为除氧剂，通过动态蒸馏的方法对玻璃进行提纯。.(2).研究了Ge-As-S硫系玻璃的结构与性能，获得了玻璃的折射率与其密度和组成元素摩尔折射度之间的定量关系，从而可从其密度预测和调控其折射率；提出了通过粉末漫反射光谱获得硫系玻璃可靠光学带隙的方法。这两点均具有一定科学意义和参考价值。.(3).尝试了采用棒管法、堆积挤压法和双套筒挤压法制备光纤，其中双套筒挤压法是一种创新性的制备方法，制备的光纤性能优异。研制的传输波段分别为1~6 μm 和 2~9 μm 的低损耗硫系光纤产品已产生经济效益约400万元。.(4).利用制备的光纤开展了超连续谱的产生、红外光纤传像束等方面的研究，获得了高亮度（达10毫瓦级）的1.8~10 μm 超连续谱，有望用于癌症早期诊断、食物安全控制、红外光谱学等领域；获得了国际上分辨率最高 (达45 lp/mm)的红外光纤传像束，有望用于红外图像传输领域。.(5).分别尝试了采用环形电热丝和CO2激光对光纤局部加热的方法拉制锥形光纤，前者工艺易控制，拉锥效果较好。然而，当锥区直径小于10 μm时，拉锥过程中光纤易断。研究发现，将光纤表面附上一层高强度树脂后，形成的复合光纤的机械性能大幅改善，拉锥成功率大幅提高。.(6).尝试了一种新的方法制备高质量微球。首先在合适的温度对“硫系/聚合物”光纤进行热处理，然后将聚合物溶于有机溶剂释放光纤中形成的大量微球。获得的微球具有较高的光学质量，在5.2 μm 波长附近的品质因子（Ｑ值）可达~10^5以上.