基于倏逝波光纤生物传感器探针的研制

论文摘要

光纤倏逝波生物传感技术是一种高灵敏度、可进行远距离实时分析的微量分析技术,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。其测量原理是通过光纤探针的纤芯表面的生物物质与探针表面的标识分子之间的特异性生物反应,如荧光的激发与否和激发的强度,确定生物物质的属性及其含量。光纤探针直接影响到测量的灵敏度和准确性,因此,光纤探针的理论模型的建立和作用机制的探索是研究整个光纤倏逝波生物传感技术的首要任务和关键问题。研究了光纤倏逝波生物传感器工作原理和基本结构,从光路理论和波动理论两方面分析了组合锥形光纤探针在荧光探测及传输中的作用及影响。一方面,通过在感应段和传输段对各类模式截止条件的分析,证明经模式匹配修正后,均匀感应段传播的模式就不会在传输段被截止。通过分析探针半径对截止条件的影响,提出减小锥形半径可以使截止频率更高从而使高阶光通过。另一方面,分析倏逝波透射深度与光线入射角之间的关系,以及入射角随锥长位置变化而变化的关系,建立了一种新型的抛物线形探针几何模型,得出了以下结论:为使入射光在均匀的感应部分激发能量最大,入射角在锥形感应部分必须满足单调减小的条件,且在锥形终端的入射角刚好是临界角,通过修正锥形形状,使入射角在满足全反射条件下更加接近于临界角,就可激发更强的倏逝波。这些结论为光纤倏逝波生物传感技术的研究提供了理论指导。完成了光纤探针的设计、优化和制作,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,构建了全光纤结构的光纤生物传感器系统。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.O1nmol/L,能满足实际生物物质检测中较高精度的应用要求。为下一步结合免疫分析方法的物质检测研究打下了坚实的基础。系统具有稳定性好、抗干扰能力强、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 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 光纤生物传感器研究现状
• 1.2.2 光纤生物传感器探针研究现状
• 1.3 论文主要研究内容及思路
• 第二章 光纤光学与倏逝波探测原理
• 2.1 阶跃光纤的光路理论和波动理论
• 2.1.1 阶跃光纤的光路理论
• 2.1.2 阶跃光纤的波动理论
• 2.1.3 阶跃光纤的特征方程
• 2.2 光纤中的倏逝场产生与探测
• 2.2.1 光纤中倏逝场的产生
• 2.2.2 倏逝场的分布及探测原理
• 第三章 光纤倏逝波传感器探针参数理论分析
• 3.1 模式匹配理论
• 3.2 光纤模式截止条件
• 3.3 探针感应段与传输段模式损耗分析
• 3.3.1 均匀感应段与传输段模式损耗分析
• 3.3.2 锥形感应段模式损耗的分析
• 3.4 探针均匀感应段激发最高阶模式求解
• 3.5 纤芯和外介质中远离截止和临近截止的模式振幅的变化
• 3.6 光路分析及锥形参数优化
• 3.7 透射深度的理论计算
• 第四章 传感器的实验平台及结果分析
• 4.1 光纤倏逝波生物传感器实验系统设计
• 4.2 传感器探针的制作
• 4.3 光电信号的探测
• 4.4 虚拟仪器技术
• 4.4.1 LabView简介
• 4.4.2 LabView的优势
• 4.5 灵敏度检测
• 4.6 抗原抗体反应过程检测
• 4.7 实验结论
• 第五章 结论与展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究成果