基于光力捕获效应的高灵敏度硅基纳米梁微腔传感器研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61675178
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0502.光子与光电子器件
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

High sensitivity, miniaturization and intelligent sensing are main characteristics requirements of future biosensors. Sensors based on silicon microcavities have been widely investigated due to the potential for lab-on-a-chip applications. The surface of the cavities must be functionalized with receptors, antibodies before they can be utilized for bio/chemical sensing. Thus, it will be difficult to identify the molecules with small weight or analytes with low concentration and small affinity. . The project will address the above issues. We will explore the mechanisms of optical sensors based on photonic crystal (PhC) nanobeam cavities with optical force induced trapping. Optical gradient force induced trapping effect will be utilized to capture the particles/biomolecules, avoiding the surface functionalization processes. To achieve a higher sensitivity, higher-order modes will be utilized instead of the fundamental one to enhance the light-matter interaction. Due to the self-locating trapping effect, the region with the strongest optical field will interact with the analyte molecules and the induced spectrum shift will be the maxima. Furthermore, the influence of the ambient temperature will be eliminated by using dual polarization or multi-mode characteristics of the PhC nanobeam cavities. The real-time quantitative measurement of polystyrene will be demonstrated.
高灵敏度、集成化、智能化是生物传感器发展方向,硅光子集成微腔传感器因其优良的特性以及与微电子结合最终实现片上实验室芯片的潜在可能成为国际上的研究热点之一。目前的传感测量多是在表面功能化修饰的基础上完成的,识别原始状态的小分子量、低浓度以及小亲和性分析物,仍然有非常大的难度。. 针对以上问题,本项目将探索利用光力的捕获效应将待测分子束缚至微腔表面进行传感探测,从而避免对传感器表面进行功能化修饰。针对微量探测的要求,利用高阶模式的倏逝波增强效应,通过相位匹配实现高阶模选择性激发,结合光力捕获的自定位效应,使光场与待测分子的作用达到最强,实现高灵敏度传感。利用新型复合微腔结构,深入分析强局域电磁场对传感灵敏度的增强机理,实现传感灵敏度、微腔Q值,模式体积的全局优化。充分利用纳米梁微腔可双偏振、多模式工作的特点,消除环境温度的交叉影响,最终实现待测物分子的实时量化测量。

结项摘要

项目围绕基于光力捕获效应的高灵敏度硅基光子传感器的研制开展了系列工作。采用数值方法对光波导高阶模式的特性进行研究,优化其结构从而通过倏逝场增强效应使得倏逝场与被测媒介间作用的最大化,以提高光学传感灵敏度。深入研究纳米梁腔的谐振谱特性,并进行结构优化,验证基于高阶模式光波导纳米梁腔的传感特性。利用新型的一维光子晶体纳米梁腔实现了一种高灵敏度的硅光子生物传感器。该腔能够在刻蚀圆孔的低折射率区域,特别是在纳米触手间隙附近,实现较大的光功率分布增强,从而使得光场与分析物之间的重叠区域极大增加,同时SSPhC腔的灵敏度有了显著提高。提出了一种利用级联微腔实现的双参量传感器,实现了在不增加系统复杂度的情况下,消除环境温度的交叉影响。完成利用光力捕获效应探测聚苯乙烯小球的方案,利用光力实现小球捕获的自定位效应,确定了适合于小球捕获与传感的纳米梁腔结构。实现整个传感器的制作及测试,比较测试结果与理论预期,进行详细分析,得到灵敏度、探测极限等参数。

项目成果

期刊论文数量(21)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Post-fabrication trimming of photonic crystal nanobeam cavities by electron beam irradiation
通过电子束照射对光子晶体纳米束腔进行后制造修整
  • DOI:
    10.1364/oe.26.015908
  • 发表时间:
    2018-06-11
  • 期刊:
    OPTICS EXPRESS
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Han, Shoubao;Shi, Yaocheng
  • 通讯作者:
    Shi, Yaocheng
Ultra-compact and highly efficient polarization rotator utilizing multi-mode waveguides
利用多模波导的超紧凑、高效偏振旋转器
  • DOI:
    10.1364/ol.42.000771
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Optics Letters
  • 影响因子:
    3.6
  • 作者:
    Xu Hongnan;Shi Yaocheng
  • 通讯作者:
    Shi Yaocheng
An Ultracompact Silicon Triplexer Based on Cascaded Bent Directional Couplers
基于级联弯曲定向耦合器的超紧凑硅三工器
  • DOI:
    10.1109/jlt.2017.2771214
  • 发表时间:
    2017-12
  • 期刊:
    Journal of Lightwave Technology
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Chen Jingye;Shi Yaocheng
  • 通讯作者:
    Shi Yaocheng
Low-index-mode photonic crystal nanobeam cavity for refractive index sensing at the 2 mu m wavelength band
用于 2 μm 波长带折射率传感的低折射率模式光子晶体纳米束腔
  • DOI:
    10.1364/ao.58.003059
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Applied Optics
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    Dong Penghui;Dai Daoxin;Shi Yaocheng
  • 通讯作者:
    Shi Yaocheng
Flat-Top CWDM (De)Multiplexer Based on MZI With Bent Directional Couplers
基于带有弯曲定向耦合器的 MZI 的平顶 CWDM(解)复用器
  • DOI:
    10.1109/lpt.2017.2779489
  • 发表时间:
    2018-01-15
  • 期刊:
    IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Xu, Hongnan;Shi, Yaocheng
  • 通讯作者:
    Shi, Yaocheng

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其他文献

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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

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          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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