基于金属纳米结构的探针型光纤生化传感器

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61705046
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 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:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

As one of the three pillars of the information technology, the sensor technology is trending towards the development directions of low concentration, extremely low limit of detection (LOD), real-time, and label-free measurement. Thus, we propose the investigation of the chemical and biological sensing mechanism of probe-type fiber patterned metal nanostructures on facet by exploiting merits of localized surface plasmon resonances (LSPRs) with the near-field enhancement and extreme sensitivity to changes of the refractive index (RI) close to the metal surface and optical fiber with low transmission loss and easy to use, and explore the solution to design and fabrication of the probe-type fiber sensor with low LOD, high sensitivity, and ease of use. In the project, we will (1) design the metal nanostructures supporting LSPRs with high sensitivity and develop process technology for them fabricated on fiber facet; (2) give play to the probe effect of the optical near field bounding around the nano-scale metal nanostructure surface to reduce LOD and enhance sensitivity for exploring the real-time, low concentration, and label-free detection; (3) utilize the nanoparticle trapping capacity of localized hotspots for a single molecule detection. The distinguishing features of this project include: (1) integration of metal nanostructures on fiber facet and collaborative utilization of fiber optical communication and sensing technology; (2) the high sensitivity of LSPRs using for low concentration and even single molecules detection. This work will promote the advancement of nano-manufacture technology on small and flat area, and the development of the new probe-type fiber sensor device design and fabrication.
作为信息技术三大支柱之一的传感技术,正朝向低浓度、极低检测极限、免标记实时测量等高性能化方向发展。鉴于此,本项目拟将局域化表面等离子体共振(LSPRs)的近场能量增强及对周围环境折射率变化敏感特性和光纤的传输损耗低、易使用性等优点结合,研究金属纳米结构修饰的光纤探针的感测机制,探索低检测极限、高灵敏度及使用方便的探针型光纤传感器设计及制作方案。研究内容:(1)设计高敏感度LSPRs的金属纳米结构,并发展其在光纤端面的制作新工艺;(2)发挥金属结构表面纳米尺度内的光学近场探针效应,提高灵敏度、降低检测极限,探索实时、低浓度、免标记探测;(3)利用局部热点的强束缚作用,探索单分子探测。特色在于,(1)光纤端面集成金属纳米结构,光纤通信与传感整合;(2)LSPRs高度敏感特性用于低浓度甚至单分子探测。本项目的开展将推动微小平坦区域纳米结构制备工艺进步;并促进新型光纤探针传感器件设计与制作的发展。

结项摘要

表面等离子共振SPR技术是高精度光学检测技术之一,具有灵敏度高、样品免标记且无需纯化、重复性好、实时动态测量、原位监测等优点,在医疗诊断、生物检测和分析、化学加工、药物筛选、食品安全和环境监测等领域有着广泛而深远的应用前景。然而,由于激发效率低和辐射损耗高等内在原因,其传感性能有待进一步提升。近年来,随着纳米材料科学与纳米加工技术的不断发展,SPR传感技术与“Lab on fiber”技术相结合,展现出了新的活力,并成为了生物探测领域的研究热点。本项目以基于金属纳米结构的高性能SPR传感器研究为主要着手点,重点开展了以下几个方面的工作: 1. 提出用二硫化钨纳米片、二氧化钛纳米球等纳米材料薄膜修饰SPR传感器的传感层表面,来提高传感灵敏度。此方法具有简单高效,绿色无污染和生物兼容性好等优点。实验上,对修饰界面进行了表征;通过折射率传感对器件的性能进行了分析,获得较好灵敏度增强效果,并表现出良好的线性检测关系,为开发高灵敏的SPR传感器件提供一种简单有效的新思路。2. 设计了一种基于长程表面等离子共振LRSPR的光纤传感器。利用传输矩阵法,对结构参数进行优化,通过提高表面等离子波导的结构对称性,来有效激发传输损耗小、局域电场强、穿透深度大的LRSPR模式;并通过器件制作与测试,对优化设计结果进行了实验验证,进行了折射率传感和牛血清蛋白分子浓度的测量;对比了该LRSPR传感器和传统的cSPR传感器的性能; 这种LRSPR传感器在非侵入式的细胞内免标记探测方面具有潜在应用。3.设计了一种基于金属椭圆洞与圆盘复合纳米结构阵列的SPR光纤探针传感器,得益于此二元纳米结构共振激发不同的SPR模式间的强耦合与杂化作用,大大降低了共振吸收的辐射损耗,并提高了激发效率与信号对比度,从而大幅改善了LSPR传感器谱线宽,灵敏度和对比度低的问题,进行了折射率传感分析,该传感器具有较高的灵敏度和较大的品质因数,在长距离、免标记、即时生物检测方面,具有实际的应用前景。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Long-Range Surface Plasmon Resonance Sensor Based on Side-Polished Fiber for Biosensing Applications
用于生物传感应用的基于侧面抛光光纤的长距离表面等离子体共振传感器
  • DOI:
    10.1109/jstqe.2018.2868159
  • 发表时间:
    2019-03-01
  • 期刊:
    IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS
  • 影响因子:
    4.9
  • 作者:
    Zhang, Hui;Chen, Yaofei;Chen, Zhe
  • 通讯作者:
    Chen, Zhe
Ultrasensitive Mach-Zehnder Interferometric Temperature Sensor Based on Liquid-Filled D-Shaped Fiber Cavity.
基于充液D型光纤腔的超灵敏马赫曾德干涉温度传感器
  • DOI:
    10.3390/s18041239
  • 发表时间:
    2018-04-17
  • 期刊:
    Sensors (Basel, Switzerland)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhang H;Gao S;Luo Y;Chen Z;Xiong S;Wan L;Huang X;Huang B;Feng Y;He M;Liu W;Chen Z;Li Z
  • 通讯作者:
    Li Z
High-Temperature Sensor Based on Fabry-Perot Interferometer in Microfiber Tip.
基于超细纤维尖端法布里-珀罗干涉仪的高温传感器
  • DOI:
    10.3390/s18010202
  • 发表时间:
    2018-01-12
  • 期刊:
    Sensors (Basel, Switzerland)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Chen Z;Xiong S;Gao S;Zhang H;Wan L;Huang X;Huang B;Feng Y;Liu W;Li Z
  • 通讯作者:
    Li Z
Effects of edge inclination angles on whispering-gallery modes in printable wedge microdisk lasers
边缘倾角对可打印楔形微盘激光器回音壁模式的影响
  • DOI:
    10.1364/oe.26.000233
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Optics Express
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Chen Cong;Wan Lei;Ch;rahalim Hengky;Zhou Jian;Zhang Hui;Cho Sangha;Mei Ting;Yoshioka Hiroaki;Tian Huiping;Nishimura Naoya;Fan Xudong;Guo L Jay;Oki Yuji
  • 通讯作者:
    Oki Yuji
Demonstration of versatile whispering-gallery micro-lasers for remote refractive index sensing
用于远程折射率传感的多功能回音壁微型激光器的演示
  • DOI:
    10.1364/oe.26.005800
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Optics Express
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Wan Lei;Ch;rahalim Hengky;Zhou Jian;Li Zhaohui;Chen Cong;Cho Sangha;Zhang Hui;Mei Ting;Tian Huiping;Oki Yuji;Nishimura Naoya;Fan Xudong;Guo L Jay
  • 通讯作者:
    Guo L Jay

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其他文献

ApoBR在布鲁氏菌侵染过程中对细胞凋亡影响的研究
  • DOI:
    10.13350/j.cjpb.141202
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    中国病原生物学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    车召堂;李亚;王浩;陈创夫;郭飞;王远志;张辉
  • 通讯作者:
    张辉
伯氏疏螺旋体外膜蛋白OspA胶体金免疫层析法快速检测技术的建立
  • DOI:
    10.13350/j.cjpb.141205
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    中国病原生物学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    钱红;石峰;陈创夫;王远志;程婷婷;张辉;陈荣贵
  • 通讯作者:
    陈荣贵
固体酸催化剂SO_4~(2-)/C-TiO_2-CeO_2的制备与表征
  • DOI:
    10.13550/j.jxhg.2017.01.013
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    精细化工
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    汪杨;熊道陵;张建平;刘昆明;张辉;李洋
  • 通讯作者:
    李洋
Dielectric Phase Transition Behavior in an N-salicyliden Based Ion Crystal
N-水杨基离子晶体中的介电相变行为
  • DOI:
    10.1007/s10870-014-0531-5
  • 发表时间:
    2014-07
  • 期刊:
    Journal Chemical Crystallographica
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    于姗姗;张辉;段海宝
  • 通讯作者:
    段海宝
直流微电网中多端口隔离型DC-DC变换器的改进虚拟电容控制策略
  • DOI:
    10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191700
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    电工技术学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张辉;梁誉馨;孙凯;陈欢;杜明桥
  • 通讯作者:
    杜明桥

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

        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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