《高灵敏度光子晶体光纤传感技术及其应用》

该项目由河南省教育厅科学技术研究重点项目“新型光子晶体光纤传感器的研究”(13A510721)、河南省高等学校重点科研项目计划“太赫兹超材料吸波体特性研究”(17A510010)资助完成。项目属于电子与通信技术-光电子学与激光技术(代码:510-51020)学科。

光子晶体光纤传感技术在生物蛋白质、DNA/RNA、有毒有害化学物质检测等方面具有重要的应用前景。但是,在其应用过程中存在许多问题,如金属纳米镀膜、待测微流体的填充和高折射率样品检测困难等,限制了该技术的发展。鉴于此,该项目将表面等离子体共振原理、耦合原理、太赫兹超材料吸波体、图像处理技术等结合,提出高灵敏度光子晶体光纤传感技术及其应用。

该项目主要研究内容及创新点包括:(1)提出双芯光子晶体光纤传感技术,将表面等离子体共振原理与耦合原理相结合,实现了宽动态范围检测。该技术特别适用于高折射率样品分析,当样品折射率从1.47到1.51变化时,测量的灵敏度更高,且共振波长随折射率呈线性变化,线性度高达0.99822,大大降低了传递函数的计算量;(2)针对光子晶体光纤传感器中空气孔过小导致的金属纳米镀膜以及待测微流体检测等操作困难的问题,提出一种大尺寸正方晶格光子晶体光纤传感技术,将辅助镀膜应用在正方晶格光子晶体光纤传感技术中,能够有效降低光子晶体光纤的传输损耗,提高传感的稳定性和灵敏度;(3)提出在带隙型光子晶体光纤的极大纤芯空气孔中涂覆金纳米薄膜,之后填充高折射率介质(甘油),将光子晶体光纤的导光机制由带隙型转变为折射率引导型,大大的拓宽了通光范围。甘油的折射率随温度线性变化,通过检测甘油折射率的变化,实现对环境温度传感监测;(4)提出一种大孔径光子晶体光纤传感技术,在传统的六角结构光子晶体光纤的最外层交替去掉一个空气孔,增大剩余的空气孔的孔径,增加了待测样品与金属层的接触面积,且界面更靠近纤芯,更加易于与纤芯模式等离子体模式的耦合,实现高灵敏度传感检测。同时,针对检测波段,提出产生高效率高功率连续可调谐太赫兹波的技术;(5)进行了基于可调谐太赫兹波超材料吸波体的传感分析,基于计算关联成像技术提出了利用结构光照射提取待测物体边界的方法进行传感成像,实现了各向异性和各向同性的边界提取,对目标的特征识别带来极大的便利。

在项目完成期间,授权国家发明专利1项,出版专著(独著)1部,获得河南省教育厅科技成果奖二等奖1项;主持人以第一作者发表学术期刊论文13篇,其中SCI收录检索8篇,EI收录检索5篇;以该项目为研究基础,成功获批国家自然科学基金青年项目一项“基于D型光子晶体光纤表面等离子体共振传感技术研究”(61601183,2017.01-2019.12),培养硕士研究生3名。

河南省教育厅结项报告认为该项目提交的研究资料完整,结项报告系统详实,经审查符合结项要求,准予结项。教育部科技查新工作站(Z12)两项查新报告均认为除该项目完成人的前期研究成果外,未见与该项目查新点所述的主要技术特征内容相符的公开文献报道。

该项目研究的传感测量技术应用在郑州天创精工有限公司开发的“肿瘤标志物快速检测系统”中,能够快速、精准的检测到组织样品中的肿瘤细胞;成功应用于郑州林高电气有限公司开发的“生物体免疫系统测量仪”中,能够方便的检测药物与蛋白质之间、核酸与核酸之间、抗原与抗体之间、受体与配体之间等等生物分子之间的相互作用。所研究传感测量技术具有简单高效、成本低、可靠性和灵敏度高的优势,具有广阔的应用前景和巨大的市场价值。

成果说明

该项目依据光学表面等离子体共振技术的超高灵敏度特性以及光子晶体光纤的优良传输特性,研发了一种基于光子晶体光纤的表面等离子体共振传感技术。该技术作为郑州天创精工有限公司开发的“肿瘤标志物快速检测系统”中的核心技术,利用肿瘤标志物存在的非特异吸附特性,能够快速、精准的检测到组织样品中的肿瘤细胞,解决了传统检测方法检测速度慢、检测结果可靠性差的问题,提高了检测的准确性和效率,取得了极好的经济效益和社会效益,在同类产品市场中占据一定份额。 本项目基于表面等离子体共振效应研发的光子晶体光纤传感技术,成功应用于郑州

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