光学表面等离子共振生物传感器的微通道系统研究及仪器设计

论文摘要

表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）生物传感技术是一个涉及光学工程、机械工程、电子工程和生物化学等多学科交叉的技术。由于它具有实时、快速、无需标记及灵敏度高等特点,获得了人们极大关注,被广泛应用于农业生物、食品安全、环境监测、生物医学和药物筛选等领域。然而,目前国际上研制的光学SPR生物分析仪主要是基于实验室使用的大型专业化仪器,使用的环境条件十分苛刻,且价格昂贵,无法得到普遍应用,而国内至今还没有专门针对现场使用的高性价比的光学SPR生物分析仪推出,因此,研究开发一种便携、性价比高的光学SPR生物分析仪器就具有较大理论意义和现实价值。光学SPR生物分析仪中生物样品微通道系统是关键核心技术之一,其微通道的尺寸设计、制造工艺、加工精度和样品的流动方式直接决定仪器的整体性能。微通道系统由光学SPR生物传感器、流通池和温度等控制系统组成,光学SPR生物传感器与微流通池紧密配合构成微通道,控制系统对流过微通道的样品进行控制,满足了不同样品的分析需要,实现了串联式、并联式和串并联相结合的微通道连接方式,然而目前国外研制的光学SPR生物分析仪微通道系统都是基于大型实验室仪器而研制的,采用了薄膜微流压力阀,结构复杂,加工成本高,无法在便携的光学SPR生物分析仪上应用,所以,要实现仪器的便携化,降低成本,就要对当前微通道系统进行研究,设计适合于便携式光学SPR生物分析仪的微通道系统及仪器,从而使便携式光学SPR生物分析仪得以推广应用。本论文围绕高性价比的光学SPR生物分析仪微通道系统设计,系统地研究了流速、体积、温度对生物样品分析结果的影响;提出了一种适合便携式光学SPR生物分析仪的光学SPR响应信号处理算法,并采用MATLAB工程软件对其进行了数值模拟计算,同时对比了一阶距法和改进的光学SPR共振位点寻找方法的分析精度;设计了并联式和串并联结合的两种微通道系统;设计了集光学SPR生物传感器、流通池、微通道控制系统和夹具为一体的具有温控的生物传感装置;设计了仪器的光学避光装置和硬件系统,完成了一种基于该微通道系统的便携式光学SPR生物分析仪开发,仪器采用多微处理器系统,使用时无需与PC计算机连接,直接采用触摸液晶显示屏显示实测曲线;论文还分别对乙醇、盐酸克伦特罗和乙肝进行了光学SPR生物分析实验,实验结果表明,仪器的短期背景噪声小于5RU（Response Unit）,温控系统的控制精度为±0.01°C,生物样品浓度分析范围为10-10-10-3M。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• 1 文献综述
• 1.1 表面等离子共振技术（SPR）
• 1.2 光学 SPR 生物传感技术应用
• 1.2.1 食品安全
• 1.2.2 生物医学
• 1.2.3 化学检测
• 1.3 微通道系统研究及其在光学 SPR 生物分析仪中的应用
• 1.3.1 微通道系统研究
• 1.3.2 流通池制造技术
• 1.3.3 微通道系统在光学SPR 生物分析仪上的应用
• 1.4 光学SPR 生物分析仪研究现状及发展趋势
• 1.4.1 光学 SPR 生物分析仪研究现状
• 1.4.2 光学 SPR 生物分析仪的发展趋势
• 2 引言
• 2.1 研究背景
• 2.2 研究意义
• 2.3 研究内容
• 3 基于便携式光学 SPR 生物分析仪的微通道系统研究及设计
• 3.1 微通道系统理论分析
• 3.2 微通道系统设计及制造
• 3.2.1 并联式微通道系统
• 3.2.1.1 Spreeta 生物传感器
• 3.2.1.2 流通池结构及制造
• 3.2.1.3 微通道流速控制系统设计
• 3.2.2 串并联结合式微通道系统
• 3.2.3 温度控制系统设计
• 4 便携式光学 SPR 生物分析仪器的结构及设计
• 4.1 便携式光学SPR 生物分析仪夹具的设计
• 4.1.1 夹具底座
• 4.1.2 夹具上盖
• 4.1.3 密封垫片
• 4.1.4 锁环
• 4.2 便携式光学 SPR 生物分析仪壳体的设计
• 4.3 光学避光系统的设计及制造
• 4.4 便携式光学SPR 生物分析仪硬件系统及其配套驱动电路的设计
• 4.4.1 硬件系统的选择
• 4.3.2 SPR 生物分析仪器驱动电路的设计
• 4.5 便携式光学 SPR 生物分析仪响应信号分析方法的设计
• 4.5.1 光学 SPR 生物分析仪器数据处理方法背景
• 4.5.2 光学 SPR 生物分析仪数据常用处理方法
• 4.5.3 改进的光学SPR 曲线共振位点寻找方法
• 4.5.3.1 非对称光学 SPR 曲线理论分析
• 4.5.3.2 改进的一阶距法
• 4.5.3.3 数值计算
• 4.5.3.4 一阶距法和改进的光学 SPR 曲线共振位点寻找方法比较
• 5 实验及结果分析
• 5.1 乙醇试验
• 5.1.1 试验过程
• 5.1.2 测试结果及分析
• 5.2 盐酸克伦特罗试验
• 5.2.1 实验过程
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 乙肝试验
• 5.3.1 实验过程
• 5.3.2 测试结果及分析
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 问题及展望
• 参考文献
• ABSTRACT
• 附件1：便携式光学 SPR 生物分析仪技术性能
• 研究生期间发表的论文及专利
• 详细摘要