光纖集成式平面光子晶體SPR傳感實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目摘要

金屬性納米亞波長(zhǎng)平面光子晶體的表面等離子體共振（SPR）透射增強(qiáng)光譜的波峰位置與光子晶體表面生物分子的折射率間具有密切的關(guān)系。本項(xiàng)目利用該關(guān)系制備光纖式平面金屬光子晶體SPR傳感集成系統(tǒng)，對(duì)生物化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行非破壞性實(shí)時(shí)定量分析，并以蛋白分子材料表面吸附過程的監(jiān)測(cè)為實(shí)例進(jìn)行成果展示。以數(shù)值計(jì)算和FDTD計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合為理論基礎(chǔ)對(duì)器件結(jié)構(gòu)和材料建模，參考檢測(cè)實(shí)際情況細(xì)化模型，采用電子束光刻、納米壓印、干涉光刻等納米加工方法制備平面器件，并設(shè)計(jì)全新工藝技術(shù)將器件集成于光纖頂端，并與光源、光譜儀形成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)材料的生物化學(xué)演化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)分析的定量化，通過記錄實(shí)現(xiàn)各控制參數(shù)對(duì)生物過程影響的控制與檢測(cè)，為納米尺度小樣本生化研究提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究手段，為認(rèn)知其內(nèi)在過程創(chuàng)造條件。該研究手段有望發(fā)展成為一種生物醫(yī)療的科研設(shè)備，或延伸到其他應(yīng)用，如材料分析，血液分析，毒物分析，藥物測(cè)試及環(huán)境監(jiān)測(cè)。

金屬性納米亞波長(zhǎng)平面光子晶體的表面等離子體共振（SPR）透射增強(qiáng)光譜的波峰位置與光子晶體表面覆蓋材料的平均折射率間具有密切的關(guān)系。本項(xiàng)目研究二維金屬光子晶體與SPR信號(hào)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)理，建立利用二維金屬光子晶體特殊結(jié)構(gòu)和表面特定金屬材料層產(chǎn)生的SPR增強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行生物檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的模型，以此為基礎(chǔ)對(duì)新型非平面納米加工技術(shù)進(jìn)行開發(fā)性研究，制備光纖式平面金屬光子晶體SPR傳感集成系統(tǒng)，對(duì)材料進(jìn)行非破壞性實(shí)時(shí)定量分析。本項(xiàng)目的研究按照項(xiàng)目計(jì)劃中“建立簡(jiǎn)單模型——納米工藝研究——設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化——系統(tǒng)集成——實(shí)例演示”的路線進(jìn)行展開，在具體工作中將模型計(jì)算和納米工藝研究并進(jìn)，在完成兩者的優(yōu)化設(shè)計(jì)后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的研究并完成演示，在結(jié)構(gòu)的物理原理研究和納米工藝技術(shù)的研究方面均有進(jìn)展，達(dá)到研究目標(biāo)。對(duì)納米平面金屬材料光子晶體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種設(shè)計(jì)比較，包括空心環(huán)狀單元、緊密排列納米金屬柱、圓孔陣列以及底部帶有金屬盤的圓孔陣列，研究其本征SPR特性的研究及在生物化學(xué)檢測(cè)中的響應(yīng)特性；針對(duì)每種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的納米工藝研究，以電子束光刻為前期基礎(chǔ)，針對(duì)不同設(shè)計(jì)所制備的器件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，注重于提高納米加工的尺度和精度，其后以電子束光刻結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕等工藝手段制備壓印模板，用于光纖集成的納米壓印工藝開發(fā)。在完成系統(tǒng)集成后，進(jìn)行了化學(xué)檢測(cè)的光譜檢測(cè)演示和色譜檢測(cè)演示，實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)。本項(xiàng)目研究中，對(duì)多種納米結(jié)構(gòu)的SPR特性的系統(tǒng)研究為未來相應(yīng)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，其中開發(fā)的10nm線寬電子束工藝、超高高寬比金屬柱陣列電鍍工藝、對(duì)底部金屬圓盤的納米孔陣結(jié)構(gòu)的共振能級(jí)分裂機(jī)制的研究在國(guó)際上均具有前沿性，是較為成功的研究成果。本項(xiàng)目的研究工作可以創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究手段，提供大量數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)生物分析的定量化研究提供了可能；能夠延伸到其他應(yīng)用領(lǐng)域，如材料分析，血液分析，毒物分析，環(huán)境監(jiān)測(cè)，光刻膠折射率檢測(cè)，高分子材料交聯(lián)固化機(jī)理研究等；能夠利用溫度、濕度、營(yíng)養(yǎng)等控制參數(shù)對(duì)生物體演化過程的影響，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)行記錄，完成對(duì)該過程的控制與監(jiān)測(cè)；有助于對(duì)生物演變的內(nèi)在過程的認(rèn)知和探究；還可用于藥物試驗(yàn)，檢測(cè)藥物對(duì)生物的影響；并有望發(fā)展成為一種生物醫(yī)療的科研設(shè)備，為進(jìn)一步的向醫(yī)療診斷發(fā)展提供研究方向； 在此基礎(chǔ)上最終提高醫(yī)療保健水平，提高人民生活質(zhì)量。 2100433B

光子晶體光纖( PCF)是一種新型三維布拉格光柵光纖，由包含小氣孔的玻璃纖維構(gòu)成。因?yàn)槟軌驅(qū)⒐庀拗圃谥锌绽w芯內(nèi)，這種限制特性是傳統(tǒng)光纖所不具備的，特別適用于傳輸高能量的非線性光學(xué)裝置。根據(jù)不同散射信號(hào)的頻率偏移，可使用光子晶體光纖通過布里淵散射傳感對(duì)溫度和應(yīng)變同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。光子晶體光纖的缺點(diǎn)是成本極高。