基于倏逝场的光纤生物传感器系统关键技术研究

论文摘要

生化物质的检测是现代社会进行环境防护、食品监测以及反恐和战场生存中的一个核心问题。传统的实验室分析方法虽然可以对生化物质进行精确的检测,但昂贵的检测设备、专门的操作人员以及过长的分析检测时间限制了其应用的广泛性。因此,研制快速、经济、便携、高精度以及操作简便的生物检测设备对国计民生均有重要的意义。本文以光纤生物传感器中激发光在光纤探针中传播时所形成的倏逝场为研究的出发点,依据光纤探针表面倏逝场的激发特性,及其在光纤探针表面的吸附物质和待测样品溶液中的未结合物质之间形成的“自然分隔”特点,结合抗体抗原免疫反应所表现出来的高特异性,在国内首次构建了一套全光纤结构的生物传感器系统,对光纤探针结构、探针与光纤束的耦合等关键技术进行了深入的理论与实验研究,对传感器系统结构进行了优化设计,并采用类似于荧光标记型免疫结合分析方法的荧光染料直接标记方法进行替代实验。实验结果表明,该系统对光纤探针标记溶液的浓度检测可达0.001umol/L,能满足实际生物物质检测中较高精度的应用要求,验证了传感器系统和研究方法的可行性,为结合免疫分析方法的生物物质检测研究打下了坚实的基础。本文的工作和创新主要体现在以下几个方面:对比分析了不同结构光纤探针对光纤生物传感器系统探测能力的影响,从提高光纤探针表面倏逝场能量和满足模式匹配关系的角度出发,选择了组合锥型的光纤探针结构并针对具体参数的设定给出了优化设计方法。同时,研制了专门的光纤探针加工装置用于组合锥型光纤探针的加工制作,利用该装置制作了一系列的光纤探针用于实验系统研究,保证了按光纤探针设计参数制作光纤探针的准确性和可重复性。通过对锥型和组合锥型光纤探针中激发光线的传播轨迹进行分析,发现了光纤倏逝场生物传感器中光纤探针传播光线的能量泄漏问题,指出了系统对光纤探针耦合光束欠约束和过约束两种情况的存在,给出了对光纤探针耦合光束进行约束的解决方法并分析了其特点,研究中突破了传统分析方法中仅局限于模式匹配和倏逝场激发的理论范围,增强了系统设计与研究的整体性,针对光纤探针中的传输光线透射到检测样品溶液中直接激发和耦合荧光信号而使系统得出虚假探测信息的问题,找到了可靠的解决办法。在光纤倏逝波生物传感器的研究中引入了相关检测的信号处理方法。由于倏逝场所激发和耦合的荧光信号属于微弱信号,仅为纳瓦量级,需要采用微弱信号检测方法。本文在生物传感器系统中引入了相关检测的信号处理方法,并应用基于LabVIEW的虚拟仪器技术实现对信号的相关检测,提高了系统的探测能力,同时减少了实验系统中所需的仪器数量,减小了系统体积,降低了研发成本和周期,增强了系统结构的一体性。在国内首次构建了全光纤结构的光纤生物传感器系统。分别采用石英光纤和塑料光纤束作为激发光和荧光信号的传输通道,用带尾纤的二极管激光器取代分立的激光光源及耦合透镜,并采用直接对二极管激光器内调制的方法代替通常的机械斩波器调制。改变了以往光纤生物传感器系统结构中主要利用分立元件的方法,使系统的光路部分连接成一个整体,降低了传感器系统对光路准直的要求,减小了系统的重量和体积,增强了系统的稳定性和便携性。之后,采用直接结合标记荧光染料的方法,用这套光纤生物传感器对多组光纤探针进行了实验检测,实验结果表明,系统对光纤探针标记溶液的浓度检测可达0.001umol/L,能满足实际生物物质检测中较高精度的应用要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 光纤生物传感器简介
• 1.2.1 生物传感器
• 1.2.2 光纤传感器
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 1.4.1 研究思路
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 主要创新
• 第二章 纤维光学与倏逝场探测原理
• 2.1 光波在光纤中的传播
• 2.1.1 阶跃型折射率光纤的光线理论
• 2.1.2 阶跃型折射率光纤的波动理论
• 2.2 光纤中的倏逝场分布
• 2.2.1 倏逝场的产生
• 2.2.2 光纤中的倏逝场
• 2.2.3 倏逝场分布
• 2.3 光纤倏逝波生物传感器的探测原理
• 2.3.1 探测原理
• 2.3.2 免疫分析方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 光纤探针的原理研究与研制
• 3.1 概述
• 3.1.1 光纤探针中的模式匹配问题
• 3.1.2 模式容量与模式匹配的定量分析
• 3.2 光纤探针的结构分析
• 3.2.1 直型光纤探针
• 3.2.2 阶跃型蚀刻光纤探针
• 3.2.3 锥型蚀刻光纤探针
• 3.2.4 组合锥型蚀刻光纤探针
• 3.3 光纤探针的信号获取
• 3.3.1 光线在锥型探针中传播的基础知识
• 3.3.2 组合锥型探针的荧光信号采集
• 3.4 光纤探针设计
• 3.4.1 光线在锥型光纤探针中的传播
• 3.4.2 组合锥型光纤探针
• 3.4.3 光纤探针的设计方法
• 3.5 光纤探针的制作
• 3.5.1 光纤探针的加工系统设计
• 3.5.2 光纤探针在氢氟酸溶液中的腐蚀速度
• 3.5.3 步进电机的单片机控制
• 3.5.4 PC机与单片机的串口通讯
• 3.5.5 光纤探针的制作
• 3.6 本章小结
• 第四章 光纤倏逝波生物传感器的结构研究
• 4.1 光纤倏逝波生物传感器的结构组成
• 4.2 光纤倏逝波生物传感器的系统研究
• 4.2.1 基于分立元件的光纤生物传感器系统
• 4.2.2 全光纤结构的光纤生物传感器系统
• 4.3 光纤倏逝场生物传感器中光纤探针的耦合光束约束
• 4.3.1 光纤倏逝波生物传感器系统中的光纤耦合结构
• 4.3.2 光纤探针中的光线轨迹分析
• 4.3.3 光纤探针耦合光束的约束与过约束
• 4.3.4 光纤探针耦合光束约束与过约束的解决方法
• 4.4 多组分方法
• 4.4.1 在同一根光纤探针上进行多分析物探测标记
• 4.4.2 利用多组光纤探针同时测量
• 4.5 本章小结
• 第五章 光纤倏逝波生物传感器实验研究
• 5.1 实验系统设计
• 5.1.1 系统结构
• 5.1.2 荧光标记
• 5.2 荧光信号的耦合与分离
• 5.2.1 荧光信号的耦合
• 5.2.2 荧光信号的分离
• 5.3 光电信号的探测
• 5.3.1 探测系统
• 5.3.2 转换电路
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 实验方法
• 5.4.2 实验结果及其讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 全光纤结构的光纤生物传感器研究
• 6.1 实验系统设计
• 6.2 二极管激光器的输出调制
• 6.2.1 调制原理
• 6.2.2 调制方法
• 6.2.3 调制结果
• 6.2.4 注意事项
• 6.3 基于虚拟仪器技术的相关检测方法
• 6.3.1 相关检测方法
• 6.3.2 虚拟仪器技术
• 设待测信号为带有多种频率成分的混合正弦信号
• 6.4 实验结果与分析
• 6.4.1 实验方法
• 6.4.2 实验结果及分析
• 6.5 实验系统分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 研究成果价值
• 7.3 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表和已录用的学术论文