研究目的
开发并优化涂覆氧化钽的超灵敏长周期光栅，通过精确的覆盖沉积和功能化增强折射率灵敏度，从而实现对包括蛋白质和细菌在内的各种生物目标的无标记检测。
研究成果
该研究成功证明，氧化钽纳米涂层长周期光栅（LPGs）可实现高达11,556 nm/RIU的超高空芯折射率灵敏度，从而无需标记即可检测蛋白质和细菌等生物目标。通过原子层沉积（ALD）精确控制覆盖层厚度至关重要，且传感器性能受识别元件尺寸及功能化层影响。优化后的传感器对小尺寸目标更有效，其中蛋白质检测灵敏度达到10.21 nm/log(ng/ml)。未来工作应考虑针对特定目标进行优化，以在实际应用中保持高灵敏度。
研究不足
LPGs的灵敏度高度依赖于精确的覆盖层厚度和特性，亚纳米级的变化会导致显著改变。生物功能化过程可能改变已优化的灵敏度，尤其是对于较大的生物分子。该传感器的性能仅限于特定的折射率范围，在未重新优化的情况下可能不适用于所有生物靶标。实验设置的限制（如设备的光谱范围）会影响测量能力。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用Optiwave Optigrating软件进行数值分析，通过调节色散转折点和模式转换效应并配合TaOx覆盖层来优化长周期光栅（LPG）灵敏度。基于原子级控制精度，选用原子层沉积（ALD）技术进行精准覆盖层沉积。针对不同生物靶标设计了具有特异性功能化流程的生物传感实验方案。
2：样本选择与数据来源：
使用掺锗康宁SMF-28单模光纤制备LPG，生物样本包含大肠杆菌和抗生物素蛋白，识别元件包括生物素和噬菌体粘附素。数据来源于光谱测量与椭圆偏振测量。
3：实验设备与材料清单：
设备包括用于LPG制备的KrF准分子激光器、Beneq TFS-200-190 ALD系统、横河AQ6370B光谱分析仪、Leukos SM30超连续谱激光器、鲁道夫J57折射仪、堀场Jobin-Yvon UVSEL椭圆偏振仪。材料包含五氯化钽、去离子水、氩气、甘油/水溶液、硅烷（TESPSA、APTES）、镍-NTA、粘附素蛋白、生物素、EDC、BSA、PBS缓冲液、氯仿、氮气、氩气。
4：实验流程与操作步骤：
通过紫外曝光和氢载处理制备LPG并进行退火。在100°C下采用ALD沉积TaOx覆盖层。在甘油/水溶液中测量折射率灵敏度。表面功能化包含硅烷化和识别元件固定化。检测步骤包括与目标溶液孵育、清洗，以及在控温控张力的PBS缓冲液中测量光谱。
5：数据分析方法：
分析光谱响应中的共振波长偏移量，采用线性拟合计算折射率灵敏度，通过Tauc-Lorentz模型拟合椭圆偏振数据，利用数值模拟指导覆盖层厚度优化。
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Used as the base material for fabricating the long-period gratings; it is a germanium-doped single-mode optical fiber.
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