光纤倏逝波生物传感器系统研究

论文摘要

光纤倏逝波生物传感器作为生物传感器的一个重要分支,有着30多年的发展历史。由于其具有独特的优势在水质监测、食品卫生检测、生物战剂检测等方面有着巨大的应用潜力。本文在研究了光纤倏逝波生物传感器工作原理和基本结构的基础上,构建了光纤倏逝波生物传感器系统。由于探针产生的荧光信号属于微弱信号,并且伴随则强激光信号和系统噪声,因此怎样从强噪声中提取出微弱的荧光信号是整个系统的关键。针对这个问题,本文从两个方面着手解决:一方面通过结合倏逝波理论和模式匹配理论,采用几何光学的方法对组合型探针结构进行了设计,提高了探针的效率。另一方面由于传统光纤倏逝波生物传感器检测平台分立元件多,系统噪声大的缺点,构建了FPGA+LabVIEW系统平台。通过在FPFA上构造片上子系统,采用NiosⅡ软核处理器作为控制器,实现了对A/D采样、DDS信号产生、UART通讯口的控制。该系统集数据采集、数据传输、调制信号产生于一体,极大的减少了系统分立元件的个数,提高了系统集成度和信噪比。上位机则使用LabVIEW软件,实现了锁相检测、上位机与FPGA的串口数据通讯,界面显示等功能。最后对所构建的光纤倏逝波生物传感器系统进行了实验研究,实验结果表明,系统对Cy5溶液的浓度检测可达0.1umol/L,能满足实际生物物质检测中较高精度的应用要求。系统具有稳定性好、体积小和结构简单的特点,适合现场检测的系统结构要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 光纤倏逝波生物传感器原理
• 1.4 锁相放大器检测原理
• 1.4.1 相关函数
• 1.4.2 相关检测
• 1.4.3 锁相放大器
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 光纤倏逝波生物传感器整体设计
• 2.1 传感器结构原理框图
• 2.2 探针设计
• 2.3 信号检测与处理部分
• 2.4 光信号传输设计
• 2.5 激光调制设计
• 2.5.1 半导体激光器简介
• 2.5.2 半导体激光器调制方式
• 2.5.3 调制电路设计
• 2.6 光电转换设计
• 2.6.1 光电倍增管
• 2.6.2 光电倍增管噪声分析
• 2.6.3 PMT在本系统的使用
• 2.7 SOPC平台
• 2.7.1 Cyclone II系列FPGA芯片
• 2.7.2 A/D转换电路
• 2.7.3 D/A转换电路
• 第三章 光纤倏逝波生物传感器中SOPC系统设计
• 3.1 SOPC技术简介
• 3.1.1 可编程片上系统
• 3.1.2 Avalon总线
• 3.1.3 Nios II软核处理器
• 3.2 光纤倏逝波生物传感器SOPC结构
• 3.3 SOPC中主要功能模块的设计
• 3.3.1 Nios II软核处理器设计
• 3.3.2 DDS模块的设计
• 3.3.2 A/D模块的设计
• 3.3.3 UART模块设计
• 3.3.4 其他模块
• 3.4 SOPC系统的生成
• 3.5 基于NiosII软核处理器的程序设计
• 3.5.1 Nios II IDE简介
• 3.5.2 HAL系统库
• 3.5.3 驱动程序的开发
• 3.5.4 串口通信
• 3.5.5 主程序
• 第四章 基于LabVIEW的软件锁相检测
• 4.1 虚拟仪器
• 4.1.1 虚拟技术
• 4.1.2 LabVIEW简介
• 4.1.3 LabVIEW的优势
• 4.2 基于LabVIEW的检测系统实现
• 4.2.1 串口数据采集
• 4.2.2 滤波器设计
• 4.2.3 数字锁相检测
• 第五章 实验研究与讨论
• 5.1 实验研究
• 5.1.1 探针制作
• 5.1.2 灵敏度检测
• 5.2 讨论
• 第六章 总结和展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究成果