大角度倾斜光纤光栅表面等离激元生物传感器研究

发布时间：2020-03-20 12:34

【摘要】：表面等离激元(SPPs)所具有的独特光学性质,使得它被广泛地用于生物医学成像、传感、电化学、光电器件等各类领域,其中以其形成的表面等离子体共振的研究最为深入,根据色散关系的不同存在两种类型的表面等离子体共振(SPR),一类是局域型(LSPR),另一类是传导型(PSPR)。传统的基于表面等离激元的传感器均存在灵敏度不高、体积庞大等缺陷。在发展至今的光纤光栅传感器中,倾斜光纤光栅(TFG)以高灵敏度、免标记、装置精简的优点在传感领域有较大的优势,其中大角度倾斜光纤光栅(ExTFG)具有小角度光纤光栅(TFBG)所不及的强偏振性、更高灵敏度等独特优点。本文将ExTFG与SPPs结合制作出高灵敏度生物传感器,展开如下三部分研究内容:(1)基于ExTFG-LSPR折射率传感特性研究。分别使用金纳米壳与星型金纳米颗粒修饰ExTFG表面制作出ExTFG-LSPR传感器,通过实验对比这两种ExTFG-LSPR传感器的折射率传感特性,结果表明修饰星型金纳米颗粒的ExTFG传感器TM、TE模的谐振波长折射率灵敏度分别提高~15.52nm/RIU、~12.8nm/RIU,但共振吸收效应不明显;而修饰大尺寸金纳米壳的ExTFG在LSPR作用下,TM、TE模的波长折射率灵敏度分别提高~31.1nm/RIU和~26.99nm/RIU,同时,TM与TE模在C-L波段表现出明显的共振吸收,强度折射率灵敏度分别为~10.17dB/RIU、~13.1dB/RIU。此外,分析靠近金纳米壳吸收峰位置的短波段传感器光谱后,得到其TM与TE模强度折射率灵敏度分别为~32.98dB/RIU、~23.8dB/RIU,表明越靠近金纳米颗粒吸收峰位置,LSPR共振吸收越显著。(2)基于ExTFG-LSPR传感器的BSA分子检测研究。在所制作的ExTFG-LSPR表面修饰牛血清白蛋白(BSA)单克隆抗体,构成特异性生物传感器完成对不同浓度的BSA溶液的检测。实验结果表明该传感器的最低检测极限(LOD)达到~0.075pM,同时与BSA浓度等级对应的谐振波长偏移量与浓度之间满足Langmuir吸附模型,根据此模型计算出该生物传感器的解离系数(K_d)与亲和系数(K_a)分别为~1.6×10~(-14)M和~6.25×10~(13)M~(-1)。此外,通过特异性实验研究表明,该传感器对BSA分子具有良好的特异性识别能力。(3)ExTFG-PSPR传感器的性能研究与生物分子检测。利用小型离子溅射仪在ExTFG表面镀一层金膜进行折射率传感实验,通过对比镀金膜前后ExTFG的光谱,表明TM模可以与金膜的表面等离子体波产生作用激发PSPR效应;同时,镀金膜后传感器TM、TE模的波长折射率灵敏度分别提高~16.2nm/RIU、~12.5nm/RIU。在制作的ExTFG-PSPR传感器表面修饰BSA单克隆抗体对不同浓度的BSA溶液进行检测,初步验证了该传感器特异性检测生物分子的可行性。
【图文】：

SPR传感器,光纤

.2.1 光纤表面等离激元生物传感器自 1902 年 Wood 首次发现 SPR 开始，Fano、Ritchie 等学者将 SPR 理论不断发完善。Stern 和 Farrell 研究学者首次提出表面等离子体波（SPW）概念；随后 O Kretschmann 基于全反射模型分别研究了利用棱镜激发 SPR；在 1992.C.Jorgenson 提出基于光纤结构的 SPR 模型[23-24]，开创了光纤 SPR 传感技术应用河，并在延续至今的研究中得到了极大的发展。光纤 SPR 相较于传统的棱镜模有诸多优点，，包括尺寸小、成本低廉、灵敏度高、防干扰性强、实时监测等。至止，光纤 SPR 传感器的研究与应用仍在不断发展。在光纤 SPR（包括 PSRP 和 LSPR）传感器的众多应用中有一类是将生物物质（蛋白质、抗原抗体、DNA 等）修饰在光纤表面特异性地识别待测物，这类便是 SPR 生物传感器。其利用待测物与生物敏感层的生物化学反应会改变传输光谱性从而实现对生物化学物质的监测。光纤 SPR 生物传感器根据传输方式不同主为在线传输式和终端反射式。（1）在线传输式光纤 SPR 传感器结构

SPR传感器,光纤

种类型的结构改变型光纤 SPR 生物传感器被广泛研究，、微纳光纤 SPR 传感器、D 型光纤 SPR 传感器、U 型光示。Singh 等研究学者[25]发现激发 SPR 效应需将纤芯能纤包层去掉使得倏逝波倏逝到金属银薄膜层从而激发 S利用共价键的结合方式连接到银膜上，从而检测不同浓微纳光纤结合金属纳米粒子制作出高灵敏度的光纤 SPR胆紫溶液中的拉曼光谱，其灵敏度达到 1195nm/RIU；侧面抛磨成D型光纤并在光纤表面依次沉积金膜与分子处检测SPR共振峰的透射强度变化来检测不同浓度的三用特殊形状的金纳米粒子具有多个 LSPR 峰的特点，与 D，得到折射率变化与波长漂移的良好线性关系；Bharad弯曲使其形成 U 型光纤，并在其上修饰金属纳米颗粒，SPR 传感器，通过一系列的生物修饰检测病原体，其检反射式光纤 SPR 传感器结构
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212.3

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