新型光学微腔和微腔激光器生物传感效应研究

论文摘要

无标记光学生物传感器是利用光学的手段探测在自然状态下生物分析物的传感器,具有高灵敏度、低探测极限、分析物前处理简单、多通道信号传输、不受电磁干扰、可远程控制、可实时监控等特点,可用于生物医学研究、医疗保健、环境监测和国防等方面。在各种结构中,光学微腔是一种非常合适的传感元件。光学微腔在束缚光场至微米量级的同时,保持很高的Q值（104～109）,传感性能优异,理论上甚至可达到单蛋白质分子探测。另外,其传感功能区域小,利于集成和多分析物同步探测,极具实用价值。本论文在光微流谐振环生物传感器优化、基于耦合腔单频激光器的微腔生物传感器的设计与实现方面开展了系列研究,主要创新点是：1.分析并测量了光微流谐振环无标记生物传感器在接近探测极限情况下的体折射率探测和生物小分子表面物质密度无标记探测能力。体折射率和表面物质密度的等噪声探测极限分别为3.8×10-8和0.18 pg/mm2,均突破了多数生物传感器遇到的10-7RIU和1 pg/mm2探测极限瓶颈。这些结果代表了当时微腔生物传感器的最好表现,设定了微腔生物传感器传感的极限基准,也为微腔传感器之间以及与其它技术性能的衡量比较提供了实验依据。2.理论分析了一种三维光场限制的光微流谐振环无标记生物传感器对水中和空气中单纳米颗粒探测的能力。通过各个参数的优化,我们得到了其灵敏度与微球生物传感器相比至少提高10倍。结合目前报道的最低噪声水平,其最小可探测单纳米颗粒半径小于10纳米,已接近单个蛋白质分子水平。3.设计并实现了一种新型的基于耦合腔单频激光器的无标记生物传感器。证明了分析物表面附着会影响耦合条件并引起单频激光的跳模。通过检测跳模过程来进行生物传感,我们利用更加简单的装置得到了80 pg/mL的BSA蛋白质最低探测浓度,这与超高Q值的传统生物传感器的探测极限相当。这些结果首次证明了微腔激光器作为超高灵敏度生物传感器的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 参考文献
• 第二章 绪论
• 2.1 生物传感器概述
• 2.1.1 定义
• 2.1.2 特异性识别
• 2.1.3 灵敏度
• 2.1.4 探测极限
• 2.1.5 生物传感器的分类
• 2.2 光学生物传感器
• 2.2.1 表面等离子谐振（SPR）生物传感器
• 2.2.2 光学干涉仪生物传感器
• 2.2.3 平面光波导生物传感器
• 2.2.4 光纤生物传感器
• 2.2.5 光子晶体生物传感器
• 2.3 光学微腔简介
• 2.3.1 光学微腔的定义
• 2.3.2 光学模式
• 2.3.3 品质因子
• 2.3.4 光学微腔的分类
• 2.4 光学微腔及微腔激光器生物传感器
• 2.4.1 无源微腔生物传感器
• 2.4.2 有源微腔生物传感器
• 参考文献
• 第三章 光微流谐振环的生物传感性质研究
• 3.1 背景介绍
• 3.1.1 研究动机
• 3.1.2 光微流谐振环简介
• 3.2 原理
• 3.2.1 光微流谐振环光学模式及简化的米散射理论
• 3.2.2 波导与微腔耦合
• 3.2.3 折射率传感与表面物质密度传感
• 3.2.4 数值计算结果
• 3.3 样品制备
• 3.3.1 光微流谐振环制备
• 3.3.2 融锥光纤制备
• 3.4 实验装置
• 3.5 实验结果
• 3.5.1 体折射率探测
• 3.5.2 表面物质密度探测
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 三维光学束缚光微流谐振环的单纳米颗粒探测性质
• 4.1 背景介绍
• 4.2 理论模型
• 4.2.1 微瓶的光学模式
• 4.2.2 微泡与微球的光学模式
• 4.2.3 单个纳米颗粒导致的谐振波长移动
• 4.3 计算结果
• 4.3.1 径向模场分布优化
• 4.3.2 极向（z方向）模场优化
• 4.3.3 水中单纳米颗粒的探测
• 4.3.4 空气中单纳米颗粒探测
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 一种耦合微腔单频激光器的生物传感性质
• 5.1 背景介绍
• 5.1.1 研究动机
• 5.1.2 基于回音壁模式耦合微腔的单频激光器
• 5.2 样品制备
• 5.2.1 有机/无机复合增益材料制备
• 5.2.2 耦合微腔单频激光器制备
• 5.3 实验装置
• 5.4 实验结果与分析
• 5.4.1 体折射率探测
• 5.4.2 蛋白质浓度探测
• 5.5 机理探究
• 5.6 耦合微腔单频激光器理论与计算
• 5.6.1 理论与公式推导
• 5.6.2 计算结果
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本论文主要工作
• 6.2 展望
• 附录
• 附录Ⅰ 基于简化的米散射理论OFRR谐振波长计算的Matlab程序
• 附录Ⅱ Lorentz线型拟合OFRR透射谱的Matlab程序
• 附录Ⅲ 微瓶光学模式谐振波长计算及单纳米颗粒探测计算的Matlab程序
• 附录Ⅳ 微泡、微球光学模式谐振波长计算及单纳米颗粒探测计算的Matlab程序
• 附录Ⅴ 耦合微腔单频激光器模式调制计算Matlab程序
• 博士期间完成的论文
• 第一作者文章
• 非第一作者文章
• 致谢