基于纳米结构波导层的光学生物传感器

【摘要】：在环境监测、食品控制以及医药领域,简单、快速及高灵敏地对目标物进行检测已经变得越来越重要了。而基于光波导(optical waveguide,OWG)和表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)的光学生物传感器在这些领域中得到了飞速的发展。本论文中,我们首先制作了基于多孔阳极氧化铝/铝(nanoporous anodic alumina/aluminum,PAA/Al)双层膜结构的纳米孔光波导(nanoporous waveguide,NPWG)生物传感器,并应用于荧光增强地研究中。通过模拟我们得出PAA层中的电场增强因子随着PAA折射率的降低而升高。而PAA的折射率可以通过使用磷酸溶液腐蚀部分的PAA来改变。同SPR和全内反射(total internal reflection,TIR)结构相比,NPWG对荧光信号有着更大地增强。实验结果表明,使用NPWG结构支持的TE0模式所测得的荧光信号强度比TIR有着140倍地提高。接下来,我们将优化后的NPWG生物传感器应用于检测DNA的杂交实验中。通过与荧光基团修饰的完全不互补DNA单链(dT15)的结果进行对照,可以说明靶DNA(dT22)与互补DNA单链(dA15)间确实发生了结合,而且系统对互补DNA单链的检测下限也达到了20 pM。为了提高检测灵敏度和器件的稳定性,我们采用了SiO2表面溶胶凝胶法(surface sol-gel)将高度有序的、独立的PAA模板粘于金膜表面并作为具有SiO2层包覆层的NPWG传感器。一方面,SiO2包覆层起到了“纳米胶”的作用,另一方面它增加了PAA层在酸溶液中的稳定性。传感器的可用性在检测牛血清蛋白和链霉亲和素的实验中得到了体现。另外,论文工作也实现了使用这种方法来粘结更厚的PAA层,从而进一步地提高了传感器的检测灵敏度。在上面的基础上,我们通过溶解掉PAA模板,得到另一种全新的基于Si O2纳米管阵列(silica nanotube array,SNT)的OWG生物传感器。在溶液交换实验中,SNTWG生物传感器的品质因数(Figure of merit,FOM)达到了552 RIU-1,要明显高于其他基于角度谱的生物传感器。SNTWG生物传感器(TM1模式)的实用性也通过检测链霉亲和素分子来验证,并且获得了93 p M的检测下限。菲涅尔计算模拟表明SNTWG对链霉亲和素的响应是传统SPR的7倍。