来源:山东师范大学
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。
▲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。
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。
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。
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。
在研究过程中这支团队已经在研究新型传感器过程中已经申请包括“一种二氧化硅银纳米块交替构成的多周期拉曼增强基地”、“一种负载双曲超材料的光纤及传感器”等在内的多项专利，该项目得到多家检测公司的检测认可。
2014年至2021年间，我国的传感技术和产业实现了快速发展，传感器市场规模在2021年已经接近3000亿元，我国传感器产品上市后带来的经济效益约为400亿元。基于种种性能，该项目也与多家企业达成合作，成为了市场的一部分。将此传感器用于检测粮食中的黄曲霉菌、杂色曲霉菌素、玉米赤酶烯酮的差异性低至0.24%；在用于检测尿微量蛋白方面有较好效果；在检测大肠杆菌时，匹配性、灵敏度、检测极限等性能指标均达到同行业领先水平。
指导老师范秀伟用“优秀”二字评价这支队伍，“优秀”二字昭示的是一天天的刻苦钻研与勤勉坚持。从最初的创意想法到参赛项目，再到真切的市场应用，每一位同学的雄心壮志都一步一个脚印地刻在了脚下，或许挑战杯的意义就在于直面挑战、迎接挑战、克服挑战、创造挑战，努力通往更高的山，挑战不一样的自己。
从省赛到国赛，最终团队合力呈现出了一个满意的方案，成功拿到“挑战杯”全国一等奖。“高灵敏度的等离子体共振传感技术与细如发丝的光纤载体相结合，为现代生物传感研究提供了一种可实现在体原位检测的全新方法。此次项目基于上述技术研发了一种基于超材料复合结构的SPR光纤传感器，实现了技术突破，提高了检测灵敏度，极大降低了检测成本，未来仍可开发出各种家用无创快速检测仪器。”范秀伟老师如是说。在未来，这个方案仍然有可进步的空间，这支队伍仍会大有可为。
