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研究方向

河北省微纳精密光学传感与检测技术重点实验室属于信息技术领域,目前包括以下四个研究方向:

    1、微纳制造与精密光学检测技术

     随着微电子工艺的快速发展,带动传感器领域的研究逐渐走向集成化和微型化方向发展,结合本团对成员的研究方向拟在以下几个方向上对先进测量理论方法与集成化微纳米传感芯片技术进行深入研究:

    (1)基于超高密度石墨烯嵌入式纳米表面构建新型光电器件的研究:基于超高密度石墨烯嵌入式纳米表面和二维超表面,设计高灵敏光电传感器。石墨烯边缘嵌入式表面在碳膜上垂直生长可得到极高密度的多层石墨烯纳米带,在较小的表面积上获得超高密度的边界态。大量的边界态,则会形成大量的边界量子阱。边界键收缩和电子云重叠的增加会在石墨烯的费米能级附近产生带隙,从而大幅增强对可见光的吸收。同时,边界量子阱形成了光电子的俘获中心,可以大幅度提升光响应率。最终实现具有零偏压、工作范围覆盖全可见光谱、高灵敏度、易制备、体积小等优异性能的广谱光电传感器。

    (2)基于纳米氧化物半导体薄膜的小型化气体传感器件:

    拟通过将纳米氧化物半导体薄膜多孔化、材料单晶化来增加纳米材料的比表面积和表面活性,辅之以贵金属掺杂所产生的化学和电子效应来改善纳米氧化物半导体在低温、高湿度条件下对被检测气体的灵敏性和选择性,从而制备出具有适用于低工作温度、高湿度、高选择性的气体传感器,进一步完善气敏反应机理体系。

    (3)基于电化学平台的重金属离子富集与检测技术研究:

    利用富含多种配位基团的多肽为原料,构建一个具有超灵敏电化学信号响应的重金属离子检测体系,实现海水中铅离子的特异性分析。首先可以通过生物分子上的特定的配位基团实现对金属离子的特异性识别,并结合纳米材料的大比表面特点对金属离子进行预富集。利用金属离子的溶出伏安特性实现对多种金属离子的准确定量分析,拟达到检测限为0.1 *10-6 mol/L超低浓度的金属离子响应。

    (4)光电子镊芯片辅助表面增强拉曼光谱(SERS)技术PAH检测方法:

    掌握光诱导交流电渗流的基本理论,以Maxwell电磁学方程为基础计算和分析光电子镊芯片内非均电场的分布。通过Navier-Stokes理论分析流体的运动方向和大小。对应分析光斑大小、偏置电压强度和激励电信号频率等因素对金属纳米粒子富集的影响,从仿真数据中获得一组较为理想的参数,为后续提高SERS传感精度提供必要的理论指导。光电子镊芯片在传感单元中主要用于富集周围悬浮的金属纳米粒子,以此提高SERS光谱在固定‘热点’区域内对抗生素和PAHs的探测精度。针对SERS光谱数据需要进行光谱特征提取。项目拟采用主成分分析法,基于类间距离与类内距离的距离判别准则,实现主成分优化组合,从而达到光谱数据冗余特征的最小化。寻找和分析抗生素与PAHs物质各自对应的特征峰,建立待测物含量与光谱移动之间的关系曲线。

    (5)特种光子晶体光纤的制备和传感特性研究:

    对实芯光子晶体光纤气体传感理论进行分析,研究气孔中的光功率占总功率的比例与传感灵敏度之间的关系,并分析光子晶体光纤限制损耗与光纤参数之间的关系,为设计高灵敏度的光纤气体传感器提供了理论基础。通过对空芯光子晶体光纤带隙特性的理论研究,研究带隙型光子晶体光纤与实心光子晶体光纤在气体传感应用中的灵敏度性能,并分析空芯光子晶体光纤带隙特性对气体传感的传感机理,对空芯带隙理论的系统分析为将空芯光子晶体光纤应用于气体传感奠定理论基础。最后,在传感检测实验方面,搭建实验装置利用空芯光子晶体光纤针对甲烷气体进行,对制备的特种光子晶体光纤的传感特性进行研究。

    (6)基于磁流体敏感材料的光纤磁场传感技术研究:

    理论仿真磁流体在电磁场下的微观结构模型,研究其磁性粒子的微观排列规律,建立磁流体的微观结构与光学特性之间的联系;设计并搭建电磁场等多场耦合的微观结构研究和光学传感特性研究的实验平台,实验上获得磁流体光学特性与电磁场之间的传感关系;为选择合适的磁流体作为特高压直流输电中的监控的传感器敏感材料提供理论和实验依据,构建新型光纤传感技术。

    2、特殊极端环境复杂难测参数光纤传感理论与技术。

    光纤传感技术由于具有尺寸小、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀耐高温等优点,倍受到学术界和产业界的青睐。本团队拟在下面三个方向上对新型特殊极端环境复杂难测参数光纤传感理论与技术进行研究:

    (1)基于模间干涉原理的光纤传感器研究:

    利用光纤传感器抗电磁干扰、结构微小、生物相容性好等优势,结合特殊光纤,例如光子晶体光纤、空芯光纤、多芯光纤等,设计新型光纤模间干涉结构,如特种光纤干涉仪结构等,提高传统模间干涉型光纤传感器的性能,实现对被测参量的大动态范围、高精度、高稳定性测量,及在多参量同时测量场合、恶劣环境下以及生物传感领域的应用。

    (2)基于光子晶体的新型敏感器件及传感理论研究:

    主要研究光子晶体波导的慢光效应及其在高灵敏度气体传感领域的应用,例如采用光子晶体槽波导作为传感气室,通过引入慢光效应,增加气体与光的等效作用时间来提高气体测量灵敏度,从根本上解决该类传感器小体积与高灵敏度相矛盾的问题;通过对光子晶体微腔、光子晶体波导、光子晶体光纤结构的设计与优化,以及使用对光子晶体微结构选择性填充的手段,进一步优化光子晶体微结构光纤传感器的性能,提高其灵敏度,扩展其工作窗口,以及实现多组分气体浓度的检测。

    (3)光纤法布里珀罗(FP)干涉型光纤传感器研究:

    利用游标效应制作串联型FP干涉仪,大幅度提高传统FP干涉型光纤传感器的灵敏度,同时结合FP干涉仪尺寸小,反射光谱稳定性好等优点,制作探头型传感器,并应用于气体浓度测量、流体流速测量、生物传感等场合;通过理论设计优化FP腔的结构,例如FP空气腔的尺寸、反射面的形状等,并通过实验工艺探索实行对理论结果的验证。

    3、 生物医学信息感知与智能仪器

    (1)生物医学信息成像技术:

    该研究方向基于光与生物组织的这些相互作用,主要技术为光学相干层析成像(OCT)、光声成像(PAI)和拉曼光谱检测。三种技术各有优势又相互补充:OCT能够对生物组织结构成像的同时进行血流检测;光声成像能够检测血管分布及血氧饱和度;拉曼光谱能够检测组织结构及成分变化。它们的共同优势在于无创、非接触、高分辨率等,三者结合能够提供从微观到宏观,从结构到功能的丰富生物医学信息。这些技术结合,课题组的研究聚焦于脑梗塞、皮肤癌、糖尿病等疾病:OCT提供结构信息与血供信息;光声成像观察病变部位血管的坏死与增生;拉曼光谱从细胞乃至分子尺度分析结构及成分变化。课题组拟在现有研究基础上,通过本次采购建立起较为完善的生物医学信息光学感知平台:一方面采购先进设备以提升现有技术;另一方面补充部分医学检测设备以与新技术进行印证,逐步将现有技术推向临床。

   (2)生物传感器:

    利用光电芯片结合图像分析的方法,快速测量多种细胞的常见体征参数,在测量通量和参数种类方面具有较大优势,有望满足大规模药物筛选的要求。利该项研究在更深层次上揭示了生命活动的本质和规律,为药物研究和疾病诊疗提供了更准确的药效动力学模型和科学依据,促进药物研究新范式形成,同时也对提高我国医药创新水平、促进医药产业健康发展具有非常积极的意义。

    4、海洋参数立体化信息感知与检测系统

    拟通过长周期光纤光栅对外界折射率敏感的特性实现对海水盐度的检测;同时借助光纤布拉格光栅实现对海水温度和深度(压力)的实时监测。最终,在以上研究基础上,通过组网技术构建一种全光纤海水温盐深剖面仪样机,实现对海水温度、盐度、深度的实时监测。具体研究内容包括:

    (1)温度不敏感的长周期光纤光栅海水盐度传感器的设计及实验研究:

    设计长周期光纤光栅折射率传感器模型,结合理论和实验研究其折射率传感特性,并通过合理选择封装材料,消除温度对其折射率传感特性的影响,构建温度不敏感的长周期光纤光栅海水盐度传感器;

    (2)海水温度和深度同时监测的光纤光栅传感器的设计及实验研究:

    选择合适的温敏和压敏材料,对相邻的一对光纤光栅分别进行封装,构建温度、深度双参数同时监测光纤光栅传感器,通过理论计算和实验研究优化光纤光栅周期、光栅间距、封装材料类型和厚度等传感器参数;

    (3)全光纤海水温盐深传感探头的结构设计及封装测试:

    将温度不敏感长周期光纤光栅盐度传感器和温度、深度双参数同时监测光纤光栅相结合,对传感器进行封装,并实际测试其传感性能;

    (4)全光纤海水温盐深剖面仪结构设计、优化及测试:

    将全光纤海水温盐深传感探头组网,并对其铠装结构进行设计和优化,在海洋实验站对全光纤海水温盐深剖面仪的长期稳定性进行海试。

 

 
 
 
 

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