导模共振光学生物传感的光学基础研究

Biosensor is one cutting-edge technology that receives considerable attention of the world. It is also an important domain industry that China's 12th five-year period focuses on. Guided mode resonance optical biosensor, as a new type of micro optical device, is the representation of new optical "free-label" biosensors. Project will carry on optical basic research of guided mode resonance biosensor from three layers: theories including the inverse problems, design methods and sensing experiments. The first two levels aim to solve the common problems which limit the development of such sensors, and the third level focuses on one special sensing application research: the interaction between aptamer and thrombin. By taking the research of guided mode resonance mechanism and inverse problems, a simple method of designing guided mode resonance structures will be got. Through innovative research, the design methods of polarization insensitivity, large angle tolerance of the guided mode resonance devices will be proposed. We will focus on the detection of thrombin with aptamer based on solving the two major bottleneck problems. Besides,project will prepare devices of guided mode resonance sensor, optimize sensing system, and obtain the way of detecting the interaction between aptamer and thrombin in real time using guided mode resonance biosensor with aptamer immobilization. Implementation of this project will greatly promote national reseach levels of micro-nano optical devices and free label biosensors, and provide assistants in many scientific fields such as protein analysis, gene science, molecular biology, etc.

生物传感器是世界各国重点发展的前沿技术，也是我国十二五期间重点发展的产业。导模共振光学生物传感器，是新型的微纳光学器件，更是无标签的光学生物传感器的新型代表。项目进行导模共振光学生物传感的光学基础研究，分为机理及逆问题-设计方法-实验探测三个层面。前两个层面拟解决限制该类传感器发展的共性问题，第三个层面聚焦核酸适体与凝血酶的相互作用的特殊传感应用研究。项目通过导模共振新机理及逆问题研究，得到设计导模共振结构的简便方法；通过创新研究，得到偏振无关和大角容差的导模共振器件的设计方法。在解决了两大共性瓶颈问题的基础上，项目将聚焦进行核酸适体探针检测凝血酶的导模共振光学传感研究，实际制备导模共振传感器件，并搭建优化生物传感系统，得到核酸适体与凝血酶相互作用的实时检测方法。项目的研究将有助提升我国微纳光学器件和无标签光学生物传感器的研究水平，为蛋白质分析、生物分子学等生物科学研究提供帮助。

国家自然科学基金项目“导模共振光学生物传感的光学基础研究” (61378060) 2014年1月实施，2017年12月完成。.生物传感市场巨大，用途广泛，是世界各国重点发展的前沿技术，同时也是也是我国十二五期间重点发展的产业。导模共振光学生物传感器，是新型的微纳光学器件，因其优良特性收到广泛关注和研究。项目在导模共振光学生物传感的理论和实验方面进行了深入和卓有成效的研究。.1. 发表SCI论文12篇(影响因子超过21)、EI论文3篇，合计论文16篇。.2. 获得授权专利6项，其中国家发明专利2项。.3. 项目建立了一套偏振无关、大角容差的导模共振生物传感器，给出了偏振无关生物传感器的实现机理和大范围的角度误差补偿机制。.4. 建立了一系列可调谐的导模共振生物传感器。解决因系统结构参数造成的误差，提高生物检测精度。.5. 设计了一套高效低成本导模共振生物传感器的设计与制备方法，为制造廉价、高效的导模共振生物传感器提供了新的思路。.6. 提出了优化导模共振生物传感器品质因数的方案，通过优化表面附着的生物样品层的厚度可以得到更高的品质因数，提高检测灵敏度。发明专利“一种提高导模共振生物传感器测试灵敏度的方法”获得授权。.7. 利用导模共振的特性，建立起一套基于导模共振的检测装置，根据折射率和共振峰的位置检测液体浓度和气体成分。.本项目提出并设计的一系列导模共振光学生物传感器，将大力推动我国微纳光子学器件研究，以及简便、易用型导模共振光学生物传感器研究的发展，为蛋白质分析、生物分子学等生物科学研究提供帮助。