聚合物長周期波導光柵生化感測器關鍵理論與技術研究

《聚合物長周期波導光柵生化感測器關鍵理論與技術研究》是依託電子科技大學,由王玲芳擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：聚合物長周期波導光柵生化感測器關鍵理論與技術研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王玲芳

項目摘要

依靠不含特異敏感膜的單一感測頭而同時實現定性和高精度高靈敏度定量檢測，是目前生化感測中一直以來需要解決的關鍵科學問題。針對此問題，本項目提出了被測液體與波導芯之間無固體包層和串聯長周期波導光柵（LPWG）的生化感測器創新方案。以被測生化液體直接作為波導包層，在聚合物平面光波導上製作串聯的LPWG，分別通過LPWG將波導中傳輸的光部分耦合進/耦合出被測液體包層，解析輸出譜中被測物質的吸收光譜和諧振波長的偏移量分別實現定性與定量檢測。該方案的提出，同時解決了高靈敏度定量檢測問題和無需特異敏感材料實現定性檢測問題，預期最終實現大於20000 nm/RIU的高靈敏度、小尺寸、低成本的LPWG生化感測技術研究。本項目的研究與完成將在生化檢測方面具備廣闊的套用背景，能夠在現今越來越嚴重的關乎國計民生的食品、藥品安全等領域中提供重要技術支持，具有重要的科學意義與套用前景。

結題摘要

近年來，為應對日益嚴峻的水質安全問題、食品藥品安全問題以及環境污染問題，滿足水質檢測和環境監測等領域對高靈敏度、低成本的微型攜帶型生化感測器的迫切需求，科研工作者們對光學生化感測器展開了深入研究。光學生化感測器除了具有靈敏度高、回響速度快、抗電磁干擾能力強等優點，還能工作在傳統生化感測器無法工作的高溫、高濕、易燃、易爆等惡劣環境之下，因此引起了廣泛關注。 本課題首次提出將待測液體作為長周期波導光柵包層的聚合物長周期波導光柵折射率感測器，使其作為非標記型感測器工作。研究了光波導的模式耦合理論以及長周期波導光柵的工作原理，特別是芯層模式和包層模式之間的耦合；針對聚合物長周期波導光柵折射率感測器的工作特性，分析了芯層傳輸的色散曲線，推導出芯層波導的單模傳輸條件，仿真計算出芯層模式與包層模式之間的耦合係數，確定長周期波導光柵的周期和長度等參數；在實驗室利用紫外曝光、顯影、磁控濺射、感應離子刻蝕等工藝製作出感測器樣品；最後，搭建光學測試平台，利用寬頻光源(1520nm-1610nm)作為輸入，改變作為長周期光柵包層的液體材料折射率，檢測出輸出光譜中不同折射率對應的中心波長漂移量，從而得到感測器的感測靈敏度，同時測試了感測器的溫度敏感特性。 實驗結果顯示該器件對液體折射率極其敏感，雖然有器件製作和實驗測試等各環節的誤差影響，但實驗測試靈敏度仍然高達1.05×10^4 nm/RIU，與理論計算的2×10^4 nm/RIU在同一數量級， 溫度穩定性係數為1.47nm/℃，相對於其靈敏度，環境溫度帶來的影響可忽略。測試結果表明器件具有高靈敏度液體折射率感測特性，可實現小尺寸、無需敏感材料的低成本光學生化感測技術。