连续血糖监测是糖尿病预防、诊断及管理过程中的有效手段。然而，现有的电化学连续血糖监测系统仍存在开放式创口植入、易引起炎症、监测时间短等缺点。光学传感为连续血糖监测提供了新方法，本团队设计开发了可见光激发的发光纳米粒子葡萄糖传感器，其高亮度的发光传感特性有助于经皮血糖信号检测。基于比率荧光策略设计的发光纳米粒子可以校准激发光强变化和采样环境变化等带来的信号误差，可见光激发发光特性可以避免紫外光激发采样对机体的伤害，在高频率长时段的信号采集应用中具有明显优势。

过氧化氢(H2O2)是活性氧类的主要标志物, 它与多种疾病如神经退行性疾病密切相关。本文设计了一种检测细胞内过氧化氢的荧光过氧化氢酶纳米传感器。这种纳米传感器由含多聚赖氨酸、辣根过氧化物酶的生物相容性外壳和含有氧探针的多孔聚合物基质的氧传感核组成。辣根过氧化物酶(HRP)催化H2O2生成氧, 进而通过荧光氧气探针进行探测。该酶纳米传感器的流体动力学尺寸约为270 nm, zeta电位为-18 mV, 具有良好的生物相容性。它的荧光比率和时间分辨荧光均对H2O2高度敏感。此外, 该纳米传感器可以被活细胞有效地摄取, 从而可以用TRF 方式灵敏地检测细胞内的H2O2浓度。结果表明, 本实验制备的酶纳米传感器有望进一步用于监测H2O2相关的细胞生化反应, 如氧化应激。

设计了一种基于Fano共振的等离子体折射率纳米传感器,传感器由带存根谐振腔的直波导耦合开口方环谐振器组成。使用有限元分析法研究了该传感器结构的传输特性,并分析了结构参数对系统传感特性的影响。计算结果表明该结构可以激发Fano共振,且共振峰的位置和线型可以通过改变关键参数进行调节。通过调整结构参数,该结构的灵敏度值可以达到1125.7 nm/RIU,品质因数为30.01。该结构在光学集成回路方面具有潜在的应用前景,尤其是在纳米生物传感器方面。

设计了一种由内嵌金属方芯的金属-绝缘体-金属方形气腔以及两个侧耦合波导组成的耦合结构, 并采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明: 通过对气腔内金属方芯偏离角和偏离距离的调节可以获得并调制Fano共振; 该Fano共振由对称破缺或几何效应影响左右波导和谐振腔之间耦合区域中的场分布强度所致, 场分布模式的变化是由波导模和腔模之间的干涉引起的.此外, Fano共振的光谱位置和调制深度对偏差参数十分敏感, 通过计算不同偏差角及偏差距离下的折射率传感特性发现, 其折射率敏感度最高达1 508 nm/RIU, 品质因数最高达1 308.研究结果为设计更加灵活、简单、高效的片上等离子体纳米传感器提供了理论依据.

以均苯四甲酸二酰亚胺(PMD)为原料, 采用真空气相沉积法制得PMD纳米自组装材料,由此建立了测定三硝基甲烷的荧光化学传感新方法。采用真空气相沉积法自组装PMD纳米材料, 并用扫描电镜、透射电镜、红外光谱、紫外光谱、差热分析及荧光光谱对材料进行了表征。扫描电镜图像显示, PMD纳米材料呈带状网络结构, 长度为30～100 μm; TEM图像表明, PMD纳米带宽度为100～300 nm,其中纳米线直径为120～220 nm。在 PMD分子自组装过程中, 分子间氢键、π-π等弱相互作用是构筑纳米结构的主要驱动力。一些较低沸点有机分子蒸汽对PMD纳米材料的荧光(λex/λem=377 nm/495 nm)有猝灭作用, 尤其是PMD纳米材料对三硝基甲烷有灵敏的响应。测定三硝基甲烷的线性范围为2.19×10-5～1.37×10-4 mol/L, R2=0.995, 检出限为1.02×10-6 mol/L。

基于表面等离子激元理论提出一个由金属-介质-金属波导和半环切口组成的波导结构,应用时域有限差分法研究了该结构的透射特性.仿真结果表明：透射光谱中产生一个类似法诺共振线形的共振谷, 该法诺共振由半环切口中连续态与离散态的相互干涉所致, 其共振波长可以通过改变半环切口的结构参量进行调节, 该结构灵敏度约为575 nm/RIU, 品质因数可达5 671.添加一个矩形谐振腔于该结构上可产生多重法诺共振, 品质因数为6 555, 此特征能为波导结构的设计提供极大的灵活性,有望在光学集成回路、纳米传感器方面得到比较广泛的应用.

通过化学氧化块状石墨型氮化碳(g-C3N4), 获得在水中分散性好的片状g-C3N4。 XRD, FTIR和XPS表明, 所得片状g-C3N4含有氧官能团。 这不仅可以作为锚定点负载纳米银粒子(Ag NPs), 而且可以获得Ag NPs均匀分散的Ag NPS/g-C3N4纳米复合物。 制备的复合材料中银纳米颗粒的重量百分比也会随着硝酸银与片状g-C3N4的质量变化而发生变化。 基于g-C3N4对Co2+的明显的拉曼强度响应, Ag NPS/g-C3N4纳米复合物作为表面增强拉曼散射(SERS)传感器检测Co2+。 通过拉曼强度的对照, 发现随着Co2+浓度的增加, 拉曼信号增加; 而含有73%银纳米颗粒的Ag NPS/g-C3N4纳米复合物有高的灵敏性, 检测极限浓度达到10-9 mol·L-1; 复合材料同时显示出高的选择性, 对其他如Cd2+, Cu2+和Zn2+的金属离子没有明显的拉曼增强信号。 分析了复合材料对Co2+的增强机制。 由于Co2+与g-C3N4中的N/NH基团的耦合, 引发复合材料中Ag NPs聚集, 从而产生局部电磁场, 进而产生表面增强效应。 可以预知, Ag NPS/g-C3N4纳米复合物将作为一种用于制造SERS传感器的新的理想材料。

在生物医学领域, 溶氧的检测具有十分重要的意义。近年来氧气传感器的研究取得了重要的进展, 尤其是纳米尺寸的光学氧气传感器倍受重视。光学氧气纳米传感器具有检测灵敏度高、稳定性好、易于生物功能化等优点, 特别适用于在(亚)细胞层次或者生物组织内溶氧的实时检测。本文主要从氧气荧光探针的种类、传感器的基质构成、纳米传感器的构建方法、检测模式和生物医学应用等几个方面出发, 结合本研究组在光学氧气纳米传感器的研究进展进行综述, 并对其在生物医学领域中的主要应用进行了阐述。

设计了一种基于金属-介质-金属波导的半圆形谐振腔与矩形谐振腔的耦合结构, 采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明：透射光谱中产生一个类似Fano共振线型的共振谷, 该Fano共振由半圆形谐振腔的宽谱共振和矩形谐振腔的窄谱共振相互耦合所导致.变化谐振腔的结构参量, 发现该Fano共振谷位置依赖于矩形谐振腔的几何参量, 而对两谐振腔相对位置的微小移动不敏感；同时, 改变两谐振腔的并联方式, 研究了两种衍生结构的传播特性, 发现这些结构均可产生明显的Fano共振.此外, 通过在谐振腔中填充不同折射率的介质材料, 研究了三种结构基于Fano共振效应的折射率传感特性, 其折射率敏感度最高达到750 nm/RIU.研究结果可为未来芯片上基于表面等离极化激元波导的高灵敏折射率传感器的设计提供理论依据.

提出了一种新颖的纳米传感器结构,其工作原理是利用双狭缝波导中纳米量级结构变化对狭缝波导内光场能量分布的影响。数值仿真结果表明:该结构的传感器对位移变化的最低响应度可达到1 nm量级,测量量程可达到100 nm左右。有望应用于位移、压力、温度等物理量的高灵敏度测量。