小型化光纖表面等離子激元共振生物傳感器系統(tǒng)的研究.pdf

1、表面等離子激元共振(Surface plasmon resonance，SPR)技術(shù)具有靈敏度高、樣品免標(biāo)記和無需純化、重復(fù)性高、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于生化檢測和分析、藥物篩選、食品安全和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。光纖傳感器因其具有重量輕、體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、復(fù)用性好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、醫(yī)學(xué)、航空航天等諸多領(lǐng)域，成為當(dāng)前最有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅骷夹g(shù)之一。光纖SPR傳感器技術(shù)將光纖傳感技術(shù)與SPR檢測機(jī)理進(jìn)行創(chuàng)新融合

2、，可進(jìn)行高靈敏度、高可靠性的測量，并可實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的小型化、低成本和集成化，展示出良好的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用潛力，受到越來越多的關(guān)注。
　　本文針對光纖SPR生物傳感器及其系統(tǒng)化和小型化進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。以表面等離子激元（Surface plasmon polariton，SPP）及其共振理論為基礎(chǔ)，通過對棱鏡和光纖結(jié)構(gòu)SPR傳感模型的理論分析和仿真模擬，設(shè)計(jì)并制作了光纖及毛細(xì)管SPR傳感元件;采用通用光電元件研制了小型化S

3、PR傳感系統(tǒng)，利用VC++6.0和Labview等軟件平臺實(shí)現(xiàn)了SPR傳感信息采集分析，通過生化檢測驗(yàn)證了該傳感系統(tǒng)的可行性;進(jìn)一步將兩種SPR傳感元件與智能手機(jī)相結(jié)合，利用其光源攝像頭等光電子器件，開發(fā)了基于Android操作系統(tǒng)的SPR信號測控程序，實(shí)現(xiàn)了基于智能手機(jī)的微型集成化光纖SPR生物傳感系統(tǒng)。論文的主要工作如下:
　　1.基于表面等離子激元的基本理論和SPR的激發(fā)原理，研究了光纖SPR的傳感機(jī)理。敘述了表面等離子激元

4、機(jī)理、SPR傳感技術(shù)的特點(diǎn)及SPR傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，介紹了不同種類的光纖SPR傳感器及其在傳感技術(shù)中的應(yīng)用，闡述了SPR傳感器的基礎(chǔ)理論，構(gòu)建了光纖SPR傳感器的理論模型，并利用該理論模型分析了不同參數(shù)對光纖SPR傳感器性能的影響。
　　2.針對SPR檢測系統(tǒng)小型化的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)和研制了光纖SPR傳感器和毛細(xì)管SPR傳感器?；赟PR基本性質(zhì)和表面等離子激元波激發(fā)原理，設(shè)計(jì)了光纖和毛細(xì)管SPR傳感器，分析和比較了兩者的吸

5、收光譜特性，檢測了兩種傳感器的溫度和折射率響應(yīng)，并通過對傳感器金膜表面進(jìn)行刀豆球蛋白A抗體的修飾，實(shí)現(xiàn)了對蛋白質(zhì)特異性結(jié)合的探測。
　　3.將光纖和毛細(xì)管SPR傳感器與通用光電子元件相結(jié)合，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了小型化光纖SPR傳感系統(tǒng)。利用光纖和毛細(xì)管SPR傳感元件，采用通用發(fā)光二極管作為光源，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器作為探測器，實(shí)現(xiàn)了小型化的SPR傳感系統(tǒng);利用參考通道對光源不穩(wěn)定造成的光強(qiáng)波動(dòng)進(jìn)行有效補(bǔ)償，該傳感系統(tǒng)

6、的折射率靈敏度和分辨率分別為400％/RIU(Refractive index unit)和7.5×10-4RIU，結(jié)合表面化學(xué)修飾技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對生物蛋白質(zhì)的探測;將單個(gè)光纖SPR傳感元件擴(kuò)展為9通道的光纖傳感陣列，實(shí)現(xiàn)了包含參考通道，控制通道和多個(gè)測試通道的集成化SPR傳感系統(tǒng)，并對刀豆球蛋白A和免疫球蛋白混合樣品進(jìn)行了探測;進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了自補(bǔ)償毛細(xì)管SPR圖像生物傳感系統(tǒng)，利用毛細(xì)管SPR傳感器的區(qū)域光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)了對生物傳感中外界波動(dòng)因素的

7、補(bǔ)償。
　　4.根據(jù)即時(shí)檢測生物分析傳感器應(yīng)用于家庭和個(gè)人的普及性需求，研制了智能手機(jī)SPR生物傳感系統(tǒng)。利用手機(jī)的自帶光源及探測器，開發(fā)了基于Android操作系統(tǒng)的檢測平臺，采用光纖及毛細(xì)管SPR傳感器作為傳感元件，利用專用封裝將傳感模塊與智能手機(jī)進(jìn)行組合，靈敏度和分辨率分別為1136％/RIU和7.04×10-5RIU;對免疫球蛋白樣品的檢測表明其檢測極限達(dá)到47.4nM。與商業(yè)化小型化SPR儀器相比，該智能手機(jī)SPR生物傳