将提高新冠病毒检测准确率！第十七届“挑战杯”全国大学

第十七届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛于3月26日至28日完成终审决赛，山东师范大学物理与电子科学学院的张然、邢坤瑜、李双陆、王子睿、韩传燊、申沂明、左子谭、宋婧怡参与研究的“基于双曲超材料光纤SPR传感器的设计及在蛋白质病毒检测方面的应用”突出重围，荣获全国一等奖。除一等奖队伍外，我校还有四支队伍荣获全国二等奖，成果丰硕。

文章图片
▲参与比赛队伍部分成员合影
当紧张劳累的比赛落下帷幕，来自物电学院的一等奖队伍回顾研究项目的旅程，此项目的制胜密码是团队成员的协作配合、精益求精，是指导老师的悉心指导、慷慨相助，但最大优势则是所选项目自身具有新颖的切入点，超强的可行性，以及广阔的行业发展前景。
【将提高新冠病毒检测准确率！】在生物医疗领域，检测机构能够通过对血浆、尿液、唾液等临床样品里的各种蛋白定量检测，诊断包括新型冠状肺炎在内的各种疾病，但不可避免的就是会出现假阴性问题。若对病毒浓度定量分析，就能有效降低核酸检测假阴性的问题。目前新冠疫情防控工作仍然严峻紧张，假阴性问题等不利于疾病控制治疗。由于出现市场与社会需求，这支队伍期望填补空白，提高病毒检测速率与准确性，双曲超材料光纤传感器的研究成为了他们的研究目标。

文章图片
目前现有的SPR技术采用的是二维平面芯片，此芯片需要复杂精密的光路系统来捕捉微弱信号，并且在长期应用中展现出检测成本高、效率低、精度低等问题。原二维平面芯片的单次检测成本高，且为单通道系统并不能实现多组分检。
针对这个市场漏洞，这支队伍把眼光投向了设计一种新型双曲超材料结构，此种新材料是一种具有负折射率，高透光率，高电场耦合的新型人工复合结构，该新型人工复式结构能通过金属层和电介质层的相互堆叠实现体等离子体共振。团队负责人张然以及邢坤瑜带领这支队伍首创性地将超材料应用到光纤传感器上。不同于原有二维平面芯片，超材料等离子体具有可调谐能力，王子睿、韩传燊等同学将双曲超材料光纤SPR传感器将谐振的光谱位置调整到可见光至近红外范围内，就得到多个高灵敏度谐振模式。而申沂明、左子谭和宋婧怡等同学就负责通过传感区的上层二维材料Π堆叠相互作用来实现新的功能化策略，使传感区表面具有特异性，再利用HMM纳米结构的宽带自发发射增强机制激发增强拉曼光谱，提高检测灵敏度，实现双通道检测。每一个创新点，他们都一起努力，反复实验检测，观察可行性，比如在新型双曲超材料结构设计过程中，他们采用多物理场仿真模拟，先理论计算了复合结构的最佳填充比、周期数等参数，再通过大量实验验证，大幅提升了传感器的灵敏度。

文章图片

文章图片
虽然困难重重，经验不足，但他们仍然通过一次次试错与调整，逐渐完善方案，越挫越勇,收获了指导老师们的高度赞赏。对于这个方案与团队，物电学院的指导老师姜守振教授评价道：“传感器行业一直是国内外的热点领域。该团队成员设计新型光纤传感器，加入多层超材料结构，为国内首创，有着很高的创新性，可应用于病毒蛋白质检测，并有望应用于新冠肺炎检测，前景广阔。 ”“该项目紧跟时代背景。如今传感器行业成为国内外研究热点，如何提高传感器性能也成为领域内的难点。该团队成员提出将超材料应用于光纤ISPRF ，突破了传统传感器的检测极限。且如今新冠肺炎流行，该技术有望为全球抗疫工作出一份力量。 ”指导教师杜学舰给予了高度评价。