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姓名姓名男19851學位每年工作時間(月電話x傳真?zhèn)€工作 主依名稱聯(lián)系電話單位名 smon亞類說明20141—201612中文 英文 measurement;biochemicalsensor;opticalfibersensor(限400字):目前表面等離子體 中針對該問題,本項目提出基于金納米殼粒子(GoldNonos 傳感技術方案。GNSs具有比金納米粒子(GoldNanoparticles,GNPs)更為獨特和更為豐,文富的SPR特性,其SPR吸收峰具有良好的可控性。通過改變GNSs的組成形態(tài),能制作出具有不 波長的SPR傳感器結(jié)合波分復用技術以及光纖易于集成的特點可實現(xiàn)對目標,、量的準分布式測試。本項目擬在系統(tǒng)研究GNSs組成形態(tài)對其 摘上,以化學還原、自組裝等方法 ,結(jié)合光纖傳感、波分復用、生化檢測分析、要(限3000Characters):Inordertoimprovethemultiplemeasurementperformanceof smonresonance(SPR)sensors,aquasi-distributedsensingschemebasedonthegoldnanos s(GNSs)isproposedinthisproject.Comparedtothegoldnanoparticles(GNPs),theGNSsownmorespecialandmoreexcellentsurface resonanceproperties.TheresonancepeakofGNSscanbeeasilytunedinthevisibleandnearinfra-redregion.SPRsensorswithdifferentresonancewavelengthscanbeimplementedbychangingthestructureoftheGNSs.Basedonthewavelengthdivisionmultiplexingtechnology,theGNSsbasedopticalfiberSPRsensorcancarryoutquasi-distributedmeasurementstotargetparameters.Inthisproject,basedonsystematicstudiesontheeffectmechanismbetweenthestructureandtheresonancepeakofGNSs,wewillpreparedGNSswithhighperformancebyself-assemblyandreductionmethodfirstly.Then,integratedwiththeopticalfibersensor,wavelengthdivisionmultiplexing,biochemicaldetectionand ysis,nanophotonicsandsensor ,abundanttheoryandexperimentresearchonquasi-英SPRbiochemicalsensingsystemwillbecarriedout.Theproposedquasi-distributedsensingsystemhasadvantagesofhighsensitivity,highresolution,large文measurementrange,smallsizeandeasytointegratedandwillbeappliedinmanyfieldssuchasenvironmentalmonitoring,clinicaldiagnosis,drugdiscovery,food摘safetyinspectionandso要項目組主要參與者(姓1男242男9mGNSs83男984女生9SPR傳感探5飛男生9GNSs6789生61122 ,、、、 、、、 1"項目基本信息"中的"資助類別";4、對于正文中出現(xiàn)的各類圖形、圖表、、化學分子式等請先轉(zhuǎn)換成JPG格式,再粘貼到(一)立項依據(jù)與研究內(nèi)容(4000-8000字表面等離子體是一種物理光學現(xiàn)象,其產(chǎn)生基于兩個主要物理概念,即消逝波和表面等離二者將發(fā)生,入射光被吸收,使反射光能量急劇下降,在反射光譜上表現(xiàn)為出現(xiàn)較為明顯的凹陷,即吸收峰,此時對應的入射光波長稱為波長,對應的入射角稱為角。波長與角對附著于金屬表面介質(zhì)的折射率敏感,當入射角(或波長)固定時,波長(或角)隨介1學信息轉(zhuǎn)化成折射率的變化,則可以通過檢測分析SPR波長(或角)的變化實現(xiàn)生化參量的傳對基于波長調(diào)制(入射角固定)的SPR傳感器來說,可通過調(diào)控其波長的位置,使不同SPR傳感器的波長不同,再結(jié)合波分復用技術就可實現(xiàn)對目標參量的準分布式測試。本項目針對目SPR入金納米殼粒子,將其強局域場增強特性和優(yōu)異的波長調(diào)控特性與光纖易于集成的特性相結(jié)合,技術研究,為SPRSPR現(xiàn)象由Wood在1902年首次發(fā)現(xiàn)并[6]。1982年,Nylander[7,8]等首先將SPR技術用于化國外對該項技術的研究較為成熟,并且已從走上了商業(yè)化道路。在這方面具有代表性的儀器有瑞典BiacoreAB公司生產(chǎn)的系列SPR儀器、TexasInstruments公司生產(chǎn)的SpreetaTM儀器、英國WindsorSciemtific公司推出的WindsorSciemtificIBIS系統(tǒng)、Quantech公司的多通道診斷系統(tǒng)等。BIAcore300010-7RIU,可測量的折射率范圍為1.33~1.40,同時,該公司也實現(xiàn)了多樣點檢測技術。SpreetaTM儀器采用近紅外發(fā)光二極管作斷系統(tǒng)利用鍍金的衍射光柵實現(xiàn)了質(zhì)量控制和多通道診斷。此外,在高通量的檢測方面,GWC公司的基于表面等離子成像原理的SPRimagerII系統(tǒng)則實現(xiàn)了對500個點陣的同SPR于醫(yī)療健康、環(huán)境安全等問題的關注的增加,對SPR電子學在深入研究SPR效應的基礎上,在儀器研制方面取得了較大的進步,教授[9]研制的SPR2000是國內(nèi)最早進入實用階段的SPR傳感器,這標志著我國SPR傳感器也實現(xiàn)了初步實用化。此外國內(nèi)開展此項研究的科研院校還有中國科學技術大學、、吉林大學、浙江大學、為提高SPR傳感器的靈敏度及分辨率,基于金屬微納結(jié)構(gòu)(包括顆粒和平面結(jié)構(gòu))的表面等離子體效應研究,特別是基于單個金屬納米粒子或納米粒子陣列的局域表面等離子體效應的(Localizedsurfacesmonresonance—LSPR)傳感技術是目前SPR傳感領域研究和應用的基于光纖結(jié)構(gòu)的光纖SPR傳感器[17-19]因具有結(jié)構(gòu)設計簡單、體積小、可集成、可靠性好以及可遠布式SPR傳感技術及表面等離子體成像技術(Surfacesmonresonanceimaging,SPRI)是目前SPR傳感器研究領域的另一熱點[20-22]。范圍、多測量通道以及小巧靈活等優(yōu)點的(準)分布式SPRSPR端面修飾金屬納米顆?;蚣庸ぜ{米陣列結(jié)構(gòu)的SPR傳感器的研究國內(nèi)外學者已多有[23-25],并在已的多通道SPR傳感器多為基于棱鏡耦合或基于薄膜結(jié)構(gòu)的光纖耦合的SPR傳感器?;诶忡R測量范圍小。如Peng等[26]實現(xiàn)的射率測量范圍在1.328-1.345,而曾捷等[27]實現(xiàn)的折射率范圍在1.333-1.388,相對于理論上所能達到的折射率測量范圍還有很大的差距。原因在于,現(xiàn)有技術和方法對表面等離子體吸收峰的調(diào)控能力不足。要實現(xiàn)PR器的準分布式測量,關鍵前提是要分離測試通道,即要使處于不同傳感區(qū)域的SPR器波長不同(FBG長要不同一樣(鄰個PR器波長的間隔)直接決定了傳感器的測量范圍,而分開后的處于不同波段處的吸收峰的質(zhì)量(譜峰強度,半寬度等)則決定了其測量精度及分辨率。目前主要通過改變金屬膜材料或厚度的方法來調(diào)控SPR得的吸收峰譜型質(zhì)量較差,難以實現(xiàn)大動態(tài)范圍和高分辨率的同時傳感測量。因而尋找一種能大范圍且高質(zhì)量調(diào)控SPR傳感器吸收峰的方法是SPR準分布布測技術展個切需采用基于米殼粒子(Goldnanoss,GNSs)的LSPR傳感技術是解決上述問題的可行方向。米殼粒子,由殼和核兩種組分構(gòu)成,是通過納米包覆技術形成的核殼粒子[28],其可以表現(xiàn)出比米粒子(GoldNanoparticles,GNPs)及金薄膜更為獨特和更為復雜的表面等離子體特性[29,30],其吸收峰的質(zhì)量更優(yōu)(更強、更)且更易調(diào)節(jié)。米殼粒子的表面等離子體厚度以及整個殼層的幾何形狀等)進行有效調(diào)節(jié),其SPR吸收峰的調(diào)控范圍(可在可見光區(qū)及近紅外光區(qū)調(diào)控)遠遠大于相應的米粒子及金薄膜結(jié)構(gòu)的調(diào)控范圍。如Huas等人[31]合成了核為AuS了在球形二氧化硅納米顆粒上形成致密光滑的米殼層,其SPR吸收峰可通過改變核的2200nm成米殼層不僅可以達到有效調(diào)節(jié)SPR吸收峰的目的,還可以大大節(jié)約昂貴的原材料,可說是一種既有效又經(jīng)濟的。米殼粒子所表現(xiàn)出的優(yōu)異特性為制作高靈敏度、高分辨率、大測量范圍和多參數(shù)同時測試的準分布式光纖SPR傳感系統(tǒng)提供了基礎。目前對米殼粒子的組成形態(tài)對其SPR吸收峰的調(diào)控機制的研究還不夠深入和系統(tǒng),對混合殼層材料及殼層幾何形狀等因素的研究少見。因而,綜合考慮各因素,清晰及系統(tǒng)的描述米殼粒子的組成形態(tài)對其SPR吸收峰的調(diào)控機制,以設計及制作性能更優(yōu)的米殼粒子也是一項化傳感技術研究。通過系統(tǒng)深入研究米殼粒子組成形態(tài)對其SPR吸收峰的調(diào)控機制,設計優(yōu)化米殼粒子結(jié)構(gòu),制作出具有不同波長的SPR傳感器,再結(jié)合光纖易于集成的特性,采用波 Y.C.Li,C.C.Chiou,J.D.Luo,etal.Sensitivedetectionofunlabeledoligonucleotidesusingapairedsurfacesmawavesbiosensor.Biosensors&Bioelectronics.2012,35(1):342-348.M.Bao,G.Li,D.M.Jiang,etal.SurfacesmonopticalsensorwithenhancedsensitivityusingtopZnOthinfilm.AppliedPhysicsA:MaterialsScience&Processing.2012,107(2):279-283.H.M.Su,Y.C.Zhong,T.Ming,etal.Extraordinarysurfacesmoncoupledemissionusingcore/sgoldJournalofPhysicalChemistryC.2012,116(16):9259-J.Homola,S.Yee,G.Gauglitz.Surfacesmonresonancesensors:review.SensorsandActuatorsB.1999,54(1-2):3-R.Wood.Onaremarkablecaseofunevendistributionoflightinadiffractiongratingspectrum.PhilosophicalMagazine.1902,4:396-402.C.Nylander,B.Liedberg,T.Lind.Gasdetectionbymeansofsurfacesmonsresonance.SensorsandActuatorsB.1982,B.Liedberg,C.Nylander,I.Lundstrom.Surfacesmonresonanceforgasdetectionandbiosensing.SensorsandActuators.1983,4:299~304.,,等.一種長程表面等離子波折射率檢測.中國,200610011362[P].2006.,.基于局域表面等離子體效應的光學生物傳感器.化學進展.2010,22(1):194-[12]J.Zhou,S.P.Xu,W.Q.Xu,etal.Insitunucleationandgrowthofsilvernanoparticlesinmembranematerials:acontrollableroughenedSERSsubstratewithhighreproducibility.JournalofRamanSpectroscopy.2009,40:31-37.[13]Y.Song,M.Yan,LMTong,etal.Reducingcrosstalkbetweennanowire-basedhybridsmonicwaveguides,OpticsCommunications.2011,284:480-484.[14]J.J.Mock,R.T.Hill,Y.J.Tsai,etal.Probingdynamicallytunablelocalizedsurfacesmonresonancesoffilm-couplednanoparticlesbyevanescentwaveexcitation.NanoLetters.2012,12(4):1757-1764.[15]P.C.Angelome,H.H.Mezerji,B.Goris,etal.SeedlesssynthesisofsinglecrystallineAunanoparticleswithunusualshapesandtunableLSPRinthencar-IR.ChemistryofMaterials.2012,24(1):1393-1399.[16]K.Lodewijks,W.Roy,G.Borghs,etal.Boostingthefigure-of-meritofLSPR-basedrefractiveindexsensingbyphase-sensitivemeasurements.NanoLetters.2012,12(3):1655-1659.[17]Y.Shevchenko,N.U.Ahamad,A.Ianoul,etal.InsitumonitoringoftheformationofnanoscalepolyelectrolytecoatingsonopticalfibersusingSurfacesmonResonances.OpticsExpress.2010,18(19):20409-20421.[18]Y.C.Lin.Characteristicsofopticalfiberrefractiveindexsensorbasedonsurfacesmonresonance.MicrowaveandOpticalTechnologyLetters.2013,55(3):574-576.[19]H.Nguyen,F.Sidiroglou,S.F.Collins,etal.Periodicarrayofnanoholesongold-coatedopticalfiberend-facesforsurfacesmonresonanceliquidrefractiveindexsensing.Proc.ofSPIE.2012,8351: 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scoatedwithself-以表面等離子激元的原始產(chǎn)生機理為基礎,結(jié)合實體米粒子對表面等離子體的增強效應,分析米殼粒子表面等離子體效應的物理機理;建立米殼粒子用于折射率測量的理覆蓋密度及厚度、不同核大小、不同殼對核的相對厚度以及不同殼層幾何形狀等)的米殼粒子分析現(xiàn)有米殼粒子的制作合成方法(如非電鍍沉積法、表面反應法、表面誘導沉積法及自組裝法等)的不同及優(yōu)缺點,確定易于研究目標實現(xiàn)且適用于光纖材料的米殼粒子的制作基于前述研究內(nèi)容,設計和研制具有不同波長的緊湊、靈巧型的基于米殼粒子的光纖拓撲結(jié)構(gòu)等,設計實現(xiàn)多參量、多通道及大測量范圍的基于米殼粒子的準分布式光纖SPR生化分布式全光調(diào)控結(jié)構(gòu)的光纖SPR傳感系統(tǒng),具體研究目標如下:核的大小、殼對核的相對厚度以及整個殼層的形狀等)有密切關系,清晰完善及系統(tǒng)的描述米殼粒子的組成形態(tài)對其表面等離子體吸收峰的調(diào)控機理對設計和制作最優(yōu)的適于生化參量高分出優(yōu)異的用于光纖材料的米殼粒子是本項目后續(xù)研究內(nèi)容及研究目標得以實現(xiàn)和完成不光滑的殼層表面等。要完美的米殼粒子,使之表面致密、光滑、均勻且厚度可調(diào),關鍵些性能指標與實驗所用光源、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、米殼粒子的組成形態(tài)以及樣品流通池的設計等因素有密切關系,而且各因間相互制約,比如測量范圍與測試通道數(shù)之間,在光源譜寬一定的前本項目的總體研究方案框架圖如圖2所示。首先通過理論分析建立基于米殼粒子的表面等離子體傳感模型,并對其進行計算機仿真模擬,根據(jù)建立的理論模型及計算機仿真模擬結(jié)果探納米殼粒子的組成形態(tài)對其表面等離子體吸收峰的影響及調(diào)控機制,設計出最優(yōu)的用于光纖材料的米殼粒子;同時通過探索完善的米殼粒子的制作及合成工藝,以前述的理論結(jié)果為指導,出基于米殼粒子的光纖SPR生化傳感探頭并進行實驗測試,并以來對理標、高穩(wěn)定性的準分布式光纖SPR生化檢測系統(tǒng)。2研究方案框架圖的前提下,建立基于米殼粒子同光波相互作用的微模型、數(shù)值計算模型,對米殼粒子的表面等離子體傳感模型的數(shù)值模擬仿真方面開展了一定的研究,如圖3所示,這為本部分研究內(nèi)容的執(zhí)行提供了良好的基礎。在基于米殼粒子的SPR傳感模型建立及計算機仿真實現(xiàn)后,即可通過對該理論模型相應參數(shù)的變化來研究米殼粒子的組成形態(tài)(核材料、殼層的覆蓋密度、殼的厚度、核的大小、殼對核的相對厚度以及整個殼層的形狀等)對其表面等離子體吸收峰的影硅球等??紤]制作的米殼粒子將要用于光纖材料,本項目中主要研究在二氧化硅基體顆粒上制備米殼層的方法和工藝。對于米殼粒子,要通過核基體顆粒的表面修飾技術使金顆粒穩(wěn)定(PEI)分子,化學結(jié)構(gòu)式為:(-CHCHNH-)n。分子中的N原子可結(jié)合H形成質(zhì)子化產(chǎn)物 2)在核顆粒表面的駐扎。金單質(zhì)顆粒()采用檸檬酸鈉還原法(也稱作Frens法獲得。采用Frens法獲得的由于其表面吸附檸檬酸根而顯負電性,從而可以很好的吸附于PEI分圖4有機表面修飾法米殼層的流程光纖的一端沉積一層反射膜,作為反射鏡,將緊靠此端一段距離(約5mm)的光纖包層剝?nèi)?,并在透射式(也稱作傳輸式)光纖SPR探頭是將光纖中間一段部分包層剝?nèi)ィ僭诶w芯上沉積一層分布式傳感系統(tǒng)設計做基礎,本項目將制作基于此兩種不同結(jié)構(gòu)的傳感探頭,如圖5所示。 清潔基底表面。將去除包層的光纖基底置于一定體積比的濃度為96%H2SO430%米殼粒子膜的形成。用乙醇步驟2)中處理好的光纖表面4-5次,以去除表面多成米殼粒子膜,隨后取出并用去離子水表面。圖6光纖表面組 在米殼粒子組裝在光纖表面后,針對不同的生化參量測試,還需在其表面修飾相應的敏感膜。敏感膜修飾部分工作將與大連理工大學精細化工國家聯(lián)合開展研究。大連理工大學精細化工國家在敏感膜修飾方面有著良好的研究基礎且與本課題組有著長期良好的合作述研究內(nèi)容實現(xiàn)的基礎上,通過改變米殼粒子的組成形態(tài),設計具有不同波長的傳感探頭相串聯(lián),則可形成準分布式測量系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。指標,這些性能指標與系統(tǒng)所用光源、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、米殼粒子的組成形態(tài)、波長的調(diào)控指標之間還存在著相互制約的關系(見“2.3擬解決的關鍵科學問題”第(3)部分敘述源、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設計制作最優(yōu)組成形態(tài)的米殼粒子以及系統(tǒng)的理論分析與實驗測試等研制出靈巧緊湊、易于集成的具有高靈敏度、大測量范圍及高穩(wěn)定性的準分布式光纖SPR生化傳感(1)米殼粒子優(yōu)異的光學特性,使其SPR吸收峰能在可見光及紅外光區(qū)進行調(diào)控,這為實現(xiàn)基于波分復用技術的準分布式傳感測試提供了前提。通過改變米殼粒子的組成形態(tài),制作對米殼粒子SPR傳感特性的理論模擬及仿真方面,本項目采用的有限時域差分(FDTD)是目前電磁場計算領域的一種常用方法,完全能勝任米殼粒子的電磁場特性的數(shù)值計納米殼粒子的電磁場特性,這使得研究米殼粒子的組成形態(tài)對其SPR吸收峰的調(diào)控機理變的簡在米殼粒子的制作合成及光纖SPR傳感探頭的制作方面。本項目采用的表面有機修飾法、自組裝法、化學還原法等技術均已比較成熟,方法本身具有的可行性是顯然的。存在的問題是能否出符合要求的表面致密、光滑、均勻且厚度可調(diào)的米殼層,該問題則可以通過本項目首次提出將米殼粒子的強局域場增強特性、SPR吸收峰大范圍可調(diào)特性與光纖易開展米殼粒子的表面等離子體理論的基礎研究,以表面等離子激元的原始產(chǎn)生機理為基礎,結(jié)合實體米粒子對表面等離子體的增強效應,分析米殼粒子表面研究米殼粒子的組成形態(tài)(核材料、殼層的覆蓋密度、殼的厚度、核的大小、殼對核的相對厚度以及整個殼層的幾何形狀等)對其表面等離子體吸收峰的影響機理,掌握20151201512制作及合成米殼粒子,并對其進行性能測試,同時反過來以果為依據(jù)進一步改進SPR總結(jié)研究成果,,撰寫研究,結(jié)題SCI、EI檢索 傳感器的研究并取得了眾多的成果。在光纖SPRLSPR研了多項國家基礎研究及科研企業(yè)委托項目,期間SCI、EI檢索多篇,申請國家發(fā)明專利 國家自然科學基金項目:全光纖外差型SPR傳感器技術(No. 2010.01-2012.12,經(jīng)費:22萬元,已結(jié)題,:荊振國。研究(No.20100041110028),2011.01-2013.12,正在進行,:于。 徑,包括利用國家、國家和部門開放等研究基地的計劃與情況工程共向本學科投入建設經(jīng)費4000余萬元,用于建設和改善科研條件。課題組所在“先進面等離子體技術和光纖傳感技術研究的。本中用于支持開展本研究項目的主要儀12ANDO21EMITECH32425562MOIsi720,72Anritsu,82OceanOptics91Tuilaser,11Fi,81Tek4STANFORDRESEARCHSYSTEM1ModelWS-400B(Laurell1HANS1HANSLaserCO2-1HANSLaserYLF-2DruckDPI610,GE1HartScientific精細化工國家和三束材料表面改性教育部的條件完成。項目申請人所在的課起止時間:20131月-2016年12月 起止時間:20111月-201312月 (限500字)和相 無XinleiZhou,QingxuYu*.Wide-rangediscementsensorbasedonfiber-opticFabry–Perotinterferometerforsubnanometermeasurement.IEEESensorsJournal.11(7),pp:1602-1606,2011.XinleiZhou,LizhuLi,andQingxuYu*.FiberBragggrating-basedquasi-distributedtemperaturesensorfordown-holemonitoring.SensorLetters.10(7),pp:1486-1490,2012.XinleiZhou,QingxuYu*andWeiPeng.Simultaneousmeasurementofdown-holepressureandQingxuYu*,XinleiZhou.Pressuresensorbasedonthefiber-opticextrinsicFabry-Perotinterferometer.PhotonicSensors.1(1),pp:72-83,2011.WenhuaWang,QingxuYu*,FangLi,XinleiZhou,XinshengJiang.Temperatureinsensitivepressuresensorbasedonall-fused-silicaextrinsicFabry-Pérotopticalfiberinterferometer.IEEESensorsJournal.12(7),pp:2425-2429,2012.XinleiZhou,WeiPengandQingx

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