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《国防科学技术大学》 2006年
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基于倏逝场的光纤生物传感器系统关键技术研究

邓立新  
【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。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TP212.3

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