微結(jié)構(gòu)長周期光纖光柵生物傳感特性的研究開題報告

1、3.前期準備與計劃方案,2.課題國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,1.課題背景及意義,課題研究背景,隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，特別是生命科學、臨床醫(yī)學等新興科學的發(fā)展，分析化學所面臨的挑戰(zhàn)越來越大，生物大分子分析、藥物分析、生物活性物質(zhì)分析等大量新課題不斷涌現(xiàn)，而且對分析結(jié)果的要求也越來越高，不再局限于物質(zhì)中“有什么”和“有多少”，而是要在較短時間內(nèi)提供物質(zhì)更多、更全面的信息，生物傳感器正是在此背景下發(fā)展起來的一種新型集成分析測試裝置。早在20世紀60年

2、代就有關(guān)于生物傳感器研究的報導(dǎo)，國際上從20世紀80年代初就開始對生物傳感器進行了廣泛的研究和探索。雖然實用化的生物傳感器設(shè)備直到20世紀90年代才陸續(xù)推出，并且為數(shù)不多，但是其在實際應(yīng)用中已經(jīng)表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，它不僅可以勝任普通生物分析手段能夠完成各種測試，還能進行一些普通測試手段無法完成的任務(wù)，比如無標記的免疫檢測、在線分析甚至活體分析等，此外，它還可以讓生物分析走出實驗室，進入普通百姓家庭。,課題研究意義,生物傳感器是利用生物活性

3、物質(zhì)分子識別的功能，將感受的被測量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，是一個非?；钴S的研究和工程技術(shù)領(lǐng)域，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進的檢測手段與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。因為生物傳感器專一，靈敏，響應(yīng)快等特點，為基礎(chǔ)醫(yī)學研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，在臨床醫(yī)學中發(fā)揮著越來越大的作用，意義極為重大。長周期光纖光柵是一種纖芯折射率周期性調(diào)制的無源光纖器件，由于具有易于制造、介質(zhì)損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，已廣

4、泛的應(yīng)用于光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域。光纖光柵生物傳感利用了長周期光纖光柵的折射率敏感特性，當外界環(huán)境折射率變化時，其諧振波長將發(fā)生明顯的漂移，從而達到生物分子的檢測。,,,生物傳感器的分類：,標記型生物傳感器免標記型生物傳感器,,按照是否使用標記物可以分為兩類：,檢測時先用標記物如熒光素、放射性同位素、酶等對被測物進行標記，然后通過檢測標記物的信息來獲取被探測物的相應(yīng)信息。目前使用的免疫傳感器基本都屬于這一類 。,標記生物傳感器：,化學

5、反應(yīng)具有一定的隨機性、受環(huán)境因素影響較大放射性標記物對于工作人員也具有一定的危害 熒光檢測時非特異性熒光會影響測量結(jié)果 測試儀器體積大、價格昂貴、耗時，需要專業(yè)人員完成 指示劑價格昂貴，要集合幾十個樣本同時測量，讓患者在等待中承受 巨大的痛苦,缺點：,免標記生物傳感頭是利用固定于傳感器的生物膜吸附目標分子，通過折射率的變化監(jiān)測目標分子的濃度和狀態(tài)。,免標記生物傳感器：,不需要對探測物進行標記，直接通過生化反應(yīng)復(fù)合物形成

6、時的物理、化學變化進行測量，極大地簡化了操作過程，因此免標記生物傳感器的研究成為了生物傳感器的一個重要發(fā)展方向。,,其微流控制能力有限且價格相對昂貴,表面等離子體諧振腔,光學諧振腔,通過多次循環(huán)增加光與物質(zhì)的相互作用，缺點是結(jié)構(gòu)微小穩(wěn)定性差,波導(dǎo)干涉儀,需要很長的傳感通道實現(xiàn)檢測，不僅增加了傳感器的大小而且需要大量的樣品,光子晶體,受制作工藝的限制不易實現(xiàn)超高Q值諧振腔，微流控制能力也較弱,光纖及其相關(guān)器件,重量輕、尺寸小、抗電磁干擾能

7、力強、靈敏度高，受到日益廣泛的關(guān)注,目前的免標記光學生物傳感頭主要有：表面等離子體諧振腔、光學諧振腔、波導(dǎo)干涉儀、光子晶體和光纖及其相關(guān)器件。,,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國外研究現(xiàn)狀,早在1983年，Bo Liedberg等人就提出利用等離子共振技術(shù)用于免疫傳感器的研制中。近幾年，對于免標記光纖傳感器的研究主要有：,一、光纖等離子共振傳感器,2009年，比利時Jeroen Pollet等人通過在纖芯外鍍金膜實現(xiàn)等離子共振對DNA分子的雜交進行探

8、測，達到了2nm的檢測精度。,二、光纖倏逝波生物傳感器,1、利用纖芯直接檢測,2010年，印度V.V.R. Sai等人利用這一方式在波長為280nm處對生物分子進行檢測，實現(xiàn)了0.05mg/ml的檢測精度；,2、對光纖進行彎曲檢測,2011年，V.V.R. Sai等人通過彎曲的方式將靈敏度提高到1000cfu/ml；,3、光纖拉錐,2010年，伊朗Mohammad Ismail Zibaii等人通過拉錐的方法測量大腸桿菌，達到了60 E

9、.coli/mm2 的靈敏度。,三、光纖光柵傳感器,丹麥技術(shù)大學的Lar Rindorf等人2006年首次用光子晶體長周期光纖光柵制作了DNA探針，用來實時監(jiān)控雙鏈DNA的雜合過程。,2011年，美國Zonghu,He等人，利用光子晶體光纖制作了長周期光柵檢測羊抗兔IgG和羊抗鼠IgG，達到0.75nm的精度,國內(nèi)研究現(xiàn)狀：,國內(nèi)先后有清華大學、天津大學、四川大學、重慶大學、哈爾濱工程大學、燕山大學等多所高校對光纖生物傳感器進行了研究，

10、并取得了階段性成果，對免標記光纖生物傳感器的主要研究有：,2006年，華僑大學莊其仁等利用LPG制作了可用于血液抗原檢測的生物傳感器。,2009年，天津大學李恩邦教授等提出基于多模干涉原理的光纖生物傳感器對血液凝固過程進行檢測,2009年，哈爾濱工程大學李金教授等利用FP腔光纖傳感器檢測光纖端面RNA固化情況,2010年，哈爾濱工程大學苑立波教授等，提出了一種基于環(huán)形芯波導(dǎo)的等離子體諧振式光纖生物傳感器。,國內(nèi)在微結(jié)構(gòu)光纖光柵免標記記生

11、物傳感器方面的研究還比較少。,縱觀國內(nèi)外現(xiàn)狀，雖然光纖免標記生物傳感器在國內(nèi)外受到日益廣泛的關(guān)注，也進行了一些相關(guān)的理論和實驗研究，但是還不能滿足生物傳感器對靈敏度、穩(wěn)定性和實時檢測的需求。而本項目所設(shè)計的微結(jié)構(gòu)光纖光柵免標記生物傳感器在這些方面都有一定的提高，對免標記光纖生物傳感器的研究具有重要的意義。,,關(guān)于本課題的前期準備,閱讀了有關(guān)生物傳感的一些文章學習了利用COMSOL軟件對光子晶體光纖進行模擬計算，并且能夠利用MATLAB

12、對COMSOL計算得到的結(jié)果進行進一步計算，從而得到光纖光柵的諧振譜。學習了利用Rsoft軟件計算帶隙型光子晶體光纖的帶隙。,研究內(nèi)容,理論上研究結(jié)構(gòu)改變柚子型長周期光纖光柵與紫外曝光柚子型長周期光纖光柵的生物傳感特性；實驗研究這兩種柚子型長周期光纖光柵的生物傳感特性；研究光纖空氣孔中充入被測物的折射率變化時，輸出光譜的變化規(guī)律，改變光纖和光柵參數(shù)，計算相應(yīng)的靈敏度,課題計劃方案：,本課題擬采用有限元法對微結(jié)構(gòu)光纖的傳輸特性進行分