液芯金屬包覆波導(dǎo)傳感器研究.pdf

1、液芯金屬包覆波導(dǎo)是針對(duì)流體設(shè)計(jì)的一種特殊光波導(dǎo)，自上而下主要由三部分構(gòu)成：上層耦合層為幾十納米的薄金屬膜，便于通過自由空間耦合技術(shù)激發(fā)超高階導(dǎo)模；中間導(dǎo)波層是由兩C字形的玻璃構(gòu)成的亞毫米尺度樣品腔，待測(cè)樣品可通過進(jìn)樣口與出樣口進(jìn)出；下層襯底層為幾百納米的厚金屬膜，阻止導(dǎo)波層中光場(chǎng)泄漏。通過此結(jié)構(gòu)激發(fā)的超高階導(dǎo)模具有偏振無關(guān)、有效折射率低、半峰全寬小、靈敏度高、古斯-漢欣位移增強(qiáng)、光場(chǎng)增強(qiáng)等特性。本文基于上述特性，開展了如下四方面的研究：

2、
　　一、以增強(qiáng)的古斯-漢欣位移為探針，進(jìn)行了大腸桿菌的低濃度檢測(cè)。大腸桿菌O157:H7屬于革蘭氏陰性短桿菌，飲用低濃度的大腸桿菌污染水溶液可致人及牲畜染病，因此對(duì)大腸桿菌進(jìn)行低濃度檢測(cè)對(duì)預(yù)防相關(guān)疾病至關(guān)重要。而本實(shí)驗(yàn)室之前的理論與實(shí)驗(yàn)研究均表明：當(dāng)波導(dǎo)中的本征損耗與輻射損耗匹配時(shí)，反射光的古斯-漢欣位移可增強(qiáng)至毫米量級(jí)，且對(duì)波層中的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如折射率、厚度）變化極其敏感。從光學(xué)角度看，大腸桿菌的濃度變化可引起其溶液折射率的微小

3、改變，因此，可以通過測(cè)量反射光的古斯-漢欣位移改變實(shí)現(xiàn)大腸桿菌的低濃度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中，激光為860nm的 TE偏振光，不同濃度的大腸桿菌溶液注入液芯金屬包覆波導(dǎo)作為導(dǎo)波層，通過PSD測(cè)量古斯-漢欣位移，結(jié)果表明可得到低至100cfu/ml的濃度分辨率。除無需標(biāo)記及靈敏度高外，此方法還可以有效避免光源輸出功率改變和環(huán)境擾動(dòng)引起光強(qiáng)波動(dòng)所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。
　　二、以反射光強(qiáng)為探針，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了牛血清蛋白與抗生素青霉素鈉結(jié)合的動(dòng)力學(xué)過程。生

4、物大分子之間的結(jié)合常數(shù)及解離常數(shù)測(cè)量對(duì)探知生物奧秘、研發(fā)更加有效的疫苗都具有理論指導(dǎo)作用，其中光學(xué)探測(cè)方法實(shí)驗(yàn)過程簡單，且不會(huì)影響生物分子性能。實(shí)驗(yàn)中，將牛血清蛋白、青霉素納混合溶液注入液芯金屬包覆波導(dǎo)，因兩者分子的相互結(jié)合會(huì)實(shí)時(shí)引起溶液折射率的微小改變，從而引起超高階導(dǎo)模的移動(dòng)及反射光強(qiáng)的變化，通過光電二極管測(cè)量反射光強(qiáng)，實(shí)時(shí)記錄了該兩種分子結(jié)合的動(dòng)力學(xué)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可探測(cè)μmol/l的青霉素鈉和5％BSA相互作用。
　　三

5、、以反射光強(qiáng)為探針，研究了超稀濃度磁流體樣品在微小磁場(chǎng)下的磁光效應(yīng)。納米磁流體在外磁場(chǎng)下會(huì)形成鏈狀或柱狀等微小結(jié)構(gòu)，具有可調(diào)諧的磁光特性，被用于制備各種新型光子器件。雖然磁流體的相關(guān)論文很多，但超稀稀濃度磁流體樣品在微小磁場(chǎng)下的磁光效應(yīng)并沒有得到關(guān)注。實(shí)驗(yàn)中，將超稀稀濃度納米磁流體注入液芯金屬包覆波導(dǎo)，在外磁場(chǎng)作用下，溶液折射率會(huì)發(fā)生微小變化，從而引起反射光強(qiáng)的顯著改變。實(shí)驗(yàn)表明：外加磁場(chǎng)小至幾個(gè)Oe，溶液濃度為6.46×10-3%時(shí)，

6、其O光和e光的折射率變化情況相反。且通過合理調(diào)節(jié)偏振片的透射軸，磁流體折射率變化能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)無關(guān)，偏振無關(guān)。
　　四、提出了納米磁流體在液芯金屬包覆波導(dǎo)中的團(tuán)簇形成模型及其全光調(diào)制方法。因?yàn)槌唠A導(dǎo)模具有光場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，納米磁流體在強(qiáng)場(chǎng)作用下因光捕獲效應(yīng)聚集及成鏈，從而形成有序的一維周期性光子晶體微結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中，將納米磁流體注入液芯金屬包覆波導(dǎo)，在無外磁場(chǎng)作用時(shí)，860nm的強(qiáng)激光作為泵浦光，650nm的弱激光作為探測(cè)光。結(jié)果表明：改