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基于多通道光纤模式滤光检测的新型化学与生物传感理论与应用研究

周雷激  
【摘要】: 发展多参数、多功能的传感器是目前传感器研究的一个极富挑战性的方向。在现阶段,将单参数化学与生物传感器发展为多参数、多功能化学与生物传感器是一条现实可行的重要思路,目的在于不增加阵列规模,甚至在单个传感探头的情况下,能够显著提高体系化学信息的获取量。光化学传感器以其光学信号表达的丰富多样性而在这方面具有独特的优势,而且,各种光学信号表达均可在同一光学波导中实现,这使得在单个光极上同时获得多个光学信号成为可能。 本论文从基于光纤模式滤光检测的机理入手,致力于研究一类新型的基于模式滤光检测的光纤化学与生物传感器。所谓模式滤光,是指分析对象进入光纤包层引起光纤芯包界面的折射率增加,导致光纤内的部分传导模不满足传导条件而从光纤的包层中侧漏出来的光学信号,它与包层折射率的增量在一定条件下线性相关。因此,模式滤光检测为光学式化学与生物传感器获取光学信息发展了一条新的途径。模式滤光检测和传统的检测方式相比,检测器的位置由光纤末端改放在光纤侧面,获取光纤侧面产生的模式滤光信号,由于光纤侧面的背景光远较光纤末端的出射光背景小,因而较之检测光纤末端的出射光有高得多的信噪比和灵敏度。同时,结合电荷耦合器件(CCD)的多通道检测技术和色谱分离技术,可以巧妙地实现对多组分的同时分离和多通道信号响应,实现单个传感器的多参数化。 本论文的研究工作分为两部分。第一部分开展了仪器的开发和研制工作,以及基于光纤模式滤光检测的信号传感理论研究: 一、开发和研制基于裸光纤体系和基于修饰光纤体系的模式滤光传感装置。这部分工作涉及如下几个关键问题: 1.光源与光纤之间的光耦合技术; 2.进样装置的构造以及参数的选择; 3.处理和修饰光纤/毛细管环状柱传感元件的技术平台; 4.传感装置各部件尺寸或参数的选择,设计、加工和组装; 一 5.多通道检测系统的构造,数字信号的采集及软件的开发; 等等。 根据我们的设想,我们研制出了基于通用和快速检测的裸光纤模式滤光传 感装置和基于多组分同时选择性响应的修饰光纤模式滤光色谱传感装置。由于 这项研究工作的新颖性,香港浸会大学从本实验室购置了两台我们自行研制的 模式滤光传感装置,并开展了相关的合作研究。在此基础上,我们进一步发展 了全新的基于光纤模式滤光检测的毛细管电泳装置,并申请了专利。_ 二、从光学波导的基本原理出发,从理论上探讨了光纤模式滤光检测在获 取高信噪比和高灵敏度的信号上所具有的突出优势。为了解决实验中裸光纤体 系与修饰光纤体系在获取模式滤光信号上出现的不一致现象,即裸光纤体系中 随着分析对象的折射率增大,获取的模式滤光信号呈下降趋势,而在修饰光纤 体系中分析对象的折射率增大,获取的模式滤光信号却是增大的,我们从光的 能量辐射学入手,详细地讨论了光辐射能在传输路径上的反射与透射,获得了 模式滤光信号产生的细节,以此建立了模式滤光检测的新模式。通过详细的理 论推导和分析,合理地解决了这一看似矛盾的问题,二者看似不一致,实际上 是对立统一的。 在修饰光纤体系中,定量分析待测物质与光纤涂层相互作用所产生的模式 滤光信号,是我们开展光纤模式滤光化学与生物传感的理论基础。在修饰光纤 体系定量获取模式滤光信号的理论研究中,我们以我们所用的石英光纤为例, 推导了光纤模式滤光信号的理论表达式。我们获得了模式滤光信号的函数关系, 它与分析对象的容量因子,分析对象的折射率、进样体积和进样浓度以及流动- 相的线性流速有关。对这个表达式的研究表明,对一给定值的装置,检测器的_ 灵敏度主要由两项决定。一项是随着分析对象和包层间的RJ差值的增大,灵敏- 度将提高,这一项类似于普通m检测器中描述分析对象选择性的项,只不过… 差值在模式滤光检测中是相对于固定相而言,而在普通l检测中是相对于流动- 相而亩。另一项是分配常数K。,它表明聚合物包层的亲和性越强,对分析对象 的灵敏度越高,这一项同时还显示模式滤光检测方法受化学的选择性和m的灵, 敏度共同决定。增加流动相中水的含量能使疏水分析对象的分配常数变得很大,。 然而,分配常数的增大也引起容量因子和保留值的增长,从而导致分析时间的- 延长并导致流动相中分析对象区带的展宽和稀释。对这个表达式的研究还表明,。 n; 3。 —— 减小固定相涂层的厚度,有利于在增大分配常数民的同时保持适当的容量因 子,这对获得理想的模式滤光信号具有十分积极的意义。 论文的第二部分工作开展了基于多通道光纤模式滤光检测的化学与生物传 感的应?


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