二维环形光子晶体的敏感能带特性及生物传感应用研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61205042
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    28.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0502.光子与光电子器件
  • 结题年份:
    2015
  • 批准年份:
    2012
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2013-01-01 至2015-12-31

项目摘要

To satisfy the detection requirements of tiny and ultramicro biological molecules, extensive attention has been paid by scholars both at home and abroad to developing new biosensing technologies based on the photonic band gap and localized enhancement effects in two-dimensional photonic crystals. Since the structure of unit cell in current widely used two-dimensional photonic crystals is composed of simple air holes, this may restrict the improvement of sensing performance of two-dimensional photonic crystals due to relatively low shifting sensitivity of photonic band gaps and resonant peaks as the refractive index of ambient changes. In the present project, we will carry out the study of biosensing technologies based on a new type of structure, i.e., two-dimensional photonic crystal slabs with annular unit cell. The working mechanisms and corresponding adjusting rules of such annular structure in improving the sensing properties of two-dimensional photonic crystals will be investigated. Particularly, considering different structures and refractive indexes of ambient, we will study the sensitive band properties of two-dimensional annular photonic crystal waveguides and microcavities by using the plane wave expansion and the finite difference time domain methods. The detailed studies include analyzing the properties of band gaps and defect modes when different lattice types, filling factors of the annular unit cell, and defect structures are considered, as well as exploring the sensing properties when filling materials with different refractive indexes are used. Furthermore, we will fabricate high-precision samples of two-dimensional annular photonic crystals on SOI materials by employing the electron beam lithography (EBL) and inductively coupled plasma (ICP) etching techniques. The sensing parameters of these samples for the solution, such as sensitivity and detection limit will also be verified by using the wavelength scanning approach. It is believed that the present project can provide new theoretical basis and technical support for the improvement of sensing performance of two-dimensional photonic crystals.
为满足超微量生物小分子的探测应用需求,利用二维光子晶体的光子禁带和局域化增强效应来发展新型生物传感技术引起了国内外学者的广泛关注。目前普遍采用的二维光子晶体为单一空气孔单元结构,光子带隙和缺陷谐振峰对折射率变化的移动灵敏度较低,制约了传感性能的提高。本项目围绕一种新型的二维环形光子晶体平板来开展生物传感技术研究,采用平面波展开法和时域有限差分法研究二维环形光子晶体波导和微腔在结构变化以及环境折射率变化时的敏感能带特性,即在不同晶格类型﹑环形单元填充率和缺陷结构条件下对应的带隙和缺陷模特性,以及在不同折射率材料填充时的能带变化特性,探寻环形结构在提高二维光子晶体传感性能上的作用机理和调节规律,通过进一步采用光刻和离子束刻蚀技术基于SOI材料制备出高精度的二维环形光子晶体样品,以及采用波长扫描法验证其对溶液的传感灵敏度和探测极限等参数,为提高二维光子晶体的传感性能提供新的理论依据和技术支持。

结项摘要

目前普遍采用的二维光子晶体为单一空气孔单元结构,光子带隙和缺陷谐振峰对折射率变化的移动灵敏度较低,制约了传感性能的提高。本项目围绕一种新型的二维环形光子晶体平板来开展生物传感技术研究,理论上采用平面波展开法和时域有限差分法探寻二维环形光子晶体传感器的工作机理和优化设计,即研究二维环形光子晶体在环形单元填充率和环境折射率变化时的敏感能带特性并设计不同的二维环形光子晶体波导和微腔生物传感器;实验上基于“自上而下”的微纳加工手段来探索高精度的二维环形光子晶体样品的制备并验证器件对溶液的传感特性。主要理论研究结果包括:(1)发现了二维环形光子晶体能够获得比普通空气孔光子晶体2到3倍的折射率传感灵敏度,这归功于空气环单元的引入后光子晶体将具有更低的上禁带边频率。与此同时,普通空气孔光子晶体的灵敏度随着折射率增加出现“饱和现象”,而二维环形光子晶体会出现“灵敏度反转”现象,即灵敏度随着折射率增加而下降,这主要是因为二维环形光子晶体的上禁带边频率会更快的靠近下禁带边频率,从而导致光子带隙的快速闭合。(2)发展了多种典型的二维环形光子晶体波导以及微腔折射率传感器模型,特别是将空气槽波导和二维环形光子晶体结合得到的传感器模型(申请了中国发明专利)同时具备高灵敏度、单模截止响应、以及大探测面积的优点,是一种应用性很强的新型生物传感器。(3)首次提出一种具有超高灵敏度的“交叉偏振式”光子晶体折射率传感器工作方式(申请了中国发明专利),其灵敏度是两种偏振波灵敏度之和,特别适用于二维环形光子晶体工作。(4)首次报道了二维环形光子晶体的双偏振慢光和自准直现象,对未来开发基于慢光和自准直波导的新型生物传感器提供了重要的理论基础。主要实验研究结果包括:(1)基于电子束曝光(EBL)和感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术研究了近红外及可见光波段二维环形光子晶体微腔的微纳加工工艺,制备得到了双偏振量子点发光器件(申请了中国发明专利),可用于低温条件下的生物分子探测。(2)基于聚焦离子束刻蚀(FIB)技术制备了可见光波段高质量二维环形光子晶体微腔,光致发光谱验证了其对溶液的高灵敏度传感性能。本项目的研究成果为提高二维光子晶体的传感性能提供了新的理论依据和技术支持,在超微量生物分子的探测中具有潜在应用价值。

项目成果

期刊论文数量(13)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Probing Vertical and Horizontal Plasmonic Resonant States in the Photoluminescence of Gold Nanodisks
探测金纳米盘光致发光中的垂直和水平等离子体共振态
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    ACS Photonics
  • 影响因子:
    7
  • 作者:
    Xiao Ming Goh;Xiangyin Li;Joel K. W. Yang;Zexiang Shen
  • 通讯作者:
    Zexiang Shen
Study on the polarization-insensitive self-collimation behavior in two-dimensional all-solid photonic crystals
二维全固态光子晶体偏振不敏感自准直行为研究
  • DOI:
    10.1007/s12596-014-0181-1
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Journal of Optics
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Liyong Jiang;Hong Wu;Xiangyin Li
  • 通讯作者:
    Xiangyin Li
Polarizing beam splitter based on a double-layer subwavelength grating
基于双层亚波长光栅的偏振分束器
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Optik
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Wei Su;Gaige Zheng;Liyong Jiang;Xiangyin Li
  • 通讯作者:
    Xiangyin Li
Polarization-Independent Single-Mode Waveguiding With Honeycomb Photonic Crystals
采用蜂窝光子晶体的偏振无关单模波导
  • DOI:
    10.1109/lpt.2015.2394463
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    IEEE Photonics Technology Letters
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Hong Wu;D. S. Citrin;Liyong Jiang;Xiangyin Li
  • 通讯作者:
    Xiangyin Li
Polarization-insensitive self-collimation and beam splitter based on triangular-lattice annular photonic crystals
基于三角晶格环形光子晶体的偏振不敏感自准直分束器
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    Journal of the Optical Society of America B-Optical Physics
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    Liyong Jiang;Hong Wu;Xiangyin Li
  • 通讯作者:
    Xiangyin Li

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其他文献

Multifunctional and multichannel all-optical logic gates based on the in-plane coherent control of localized surface plasmons
基于局域表面等离子体面内相干控制的多功能、多通道全光逻辑门
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Optics Letters
  • 影响因子:
    3.6
  • 作者:
    朱泽斌;袁静;蒋立勇
  • 通讯作者:
    蒋立勇
Selectively enhanced Raman/fluorescence spectra in photonic–plasmonic hybrid structures
光子-等离子体混合结构中的选择性增强拉曼/荧光光谱
  • DOI:
    10.4064/fm90-4-2016
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Nanoscale Advances
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    钱继松;蒋立勇;朱泽斌;袁静;刘莹;刘彬;赵祥伟
  • 通讯作者:
    赵祥伟

其他文献

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二维光子晶体-金属纳米天线复合微腔的耦合共振机理及光谱增强技术研究
  • 批准号:
    61675096
  • 批准年份:
    2016
  • 资助金额:
    55.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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