氧化石墨烯集成特种光纤光栅LSPR探针生物传感器研究
发布时间：2021-10-17 13:26
近年来,基于光纤光栅的局域表面等离子体共振效应（LSPR）的传感器在生物医学、生物化学等领域得到了广泛的研究与应用。极大倾角光纤光栅（ExTFG）相较于传统的布拉格光栅（FBG）和长周期光栅（LPFG）具有极低的温度交叉敏感效应,因此在对稳定性要求极高的生物免疫反应检测/监测领域更具优势。新型二维纳米材料氧化石墨烯（GO）由于具有丰富的含氧官能团、大比表面积等特点,将其引入生物传感器的表面,可提高生物功能化的修饰效果,进而提升生物传感器的检测性能。但目前关于GO集成ExTFG生物传感器的相关报道较少,且传感器多为透射式,不利于实现原位检测。本文以ExTFG为平台制作GO修饰的LSPR探针式生物传感器,用于对肝癌标志物——细胞程序性死亡-配体1（PD-L1）分子的检测,主要研究内容有:（1）详细阐述ExTFG的耦合模理论,并根据ExTFG的相位匹配条件及模式耦合原理,做光谱响应特征分析。对LSPR增强ExTFG传感性能的机理进行理论分析,为后续实验奠定理论基础。（2）制作GO集成的ExTFG-LSPR生物传感器,对PD-L1抗原分子进行检测,并在人血清环境下测定和分析传感器的特异性与临床...
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
倾斜光纤光栅耦合光路图
重庆理工大学硕士学位论文14图2.2不同倾斜角度相位匹配情况,(a)<45°,(b)=45°,(c)>45°;(d)81°TFG倾斜条纹显微图本研究所采用的ExTFG倾角大约在81°，采用幅度掩膜法刻制[69]。其栅区倾斜条纹的显微图如图2.2（d）所示。根据以上的分析可知，ExTFG栅区条纹倾斜大于78.5°，因此，无论是用于对气体浓度的检测，还是在溶液中对生物分子进行检测，其光路耦合方式均保持不变，即前向传输纤芯基模与同向传输包层模之间的耦合，为透射式的光纤光栅。2.2极大倾角光纤光栅数值分析普通单模光纤或者光纤光栅拥有圆对称结构，在使用与分析过程中可以忽略双折射效应的影响，然而在ExTFG中，光栅条纹与光纤轴向存在一定的角度，使光栅截面不再拥有圆对称结构，因此在其纤芯中存在强烈的双折射效应，所以在ExTFG传感器的理论分析或是设计使用过程中都需要考虑它的影响。ExTFG将芯基本模式的横向电场模式（TE）和横向磁场模式（TM）分别耦合到包层模，表现出双峰特性。2.2.1模式有效折射率在分析光纤光栅模式耦合时，必须考虑到光纤有效折射率（包括纤芯基模和包层模有效折射率），其值不仅受工作波长的影响，还依赖于光传播的模式。在解纤芯基模有效折射率时，可将光纤纤芯理想的近似为圆柱形带电导体，并且视包层为无穷大，在这种理想情况下纤芯基模（TEM01）的有效折射率的色散方程为[70，71]：0)()()()(0110wKwwKuJuuJ（2-26）
重庆理工大学硕士学位论文16的色散拐点呈现出“蓝移”趋势。ExTFG的传输光谱中存在两组偏振相关的谐振峰，即TM模与TE模谐振峰，其峰值的波长间隔为[72]：TEeffTMeffTMmclTMcleffcoTEeffTMmclTETMnddnddnn),(,,),(,)(1（2-33）式中，TM为TM包层模的因数；n表示包层TE模与包层TM的有效折射率折射率差值。从式（2-33）中可见当模式的谐振峰中心波长固定时，峰值间距随模式阶数m的变化而改变。本课题所采用的ExTFG光栅的轴向周期~30μm，其包层模式在30阶左右，该阶数位于色散拐点之后，TE模的谐振峰波长大于TM模的谐振峰中心波长。图2.3（a）为ExTFG在C-L波段（1250~1650nm）的透射光谱，2.3（b）为1550~1570nm范围透射光谱，可见，随着模式阶次m的升高，TE与TM模谐振峰中心波长的间隔逐渐增大，与理论分析结果相符。图2.3（a）ExTFG在1250~1650nm内的透射光谱；（b）1550~1570nm范围透射光谱利用起偏器将传输光变为线偏光，通过偏振控制器来改变线偏光的偏振方向，使ExTFG工作在TE模式或是TM模式。并且TE与TM模式不会同时被激发，即TE模式处于完全激励状态时，TM模式的谐振峰便会消失，反之亦然。2.2.3ExTFG折射率传感原理本文设计的生物传感器通过观察谐振波长的漂移来监测外界环境折射率的变化，属于波长调制型传感器，而式（2-32）的ExTFG相位匹配条件正是描述了包层有效折射率与谐振波长的关系，即随外界环境折射率的改变，包层模有效折射率发生变化，改变了相位匹配条件，从而使谐振波长产生偏移。文献分析得出包层模灵敏度可表示为[72]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯光纤及其应用[J]. 毕卫红,马敬云,杨凯丽,田朋飞,王晓愚,李彩丽. 激光与光电子学进展. 2017(04)
[2]超声辅助Hummers法制备氧化石墨烯[J]. 邹正光,俞惠江,龙飞,范艳煌. 无机化学学报. 2011(09)
[3]半壳结构金纳米膜的局域表面等离子体共振效应[J]. 洪昕,杜丹丹,裘祖荣,张国雄. 物理学报. 2007(12)
博士论文
[1]金属纳米颗粒的光纤传感器研究[D]. 谢志国.中国科学技术大学 2009
硕士论文
[1]氧化石墨烯集成极大倾角光纤光栅的生物传感器研究[D]. 卢化锋.重庆理工大学 2019
[2]大角度倾斜光纤光栅表面等离激元生物传感器研究[D]. 鲁姣.重庆理工大学 2019
本文编号：3441838
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
倾斜光纤光栅耦合光路图
重庆理工大学硕士学位论文14图2.2不同倾斜角度相位匹配情况,(a)<45°,(b)=45°,(c)>45°;(d)81°TFG倾斜条纹显微图本研究所采用的ExTFG倾角大约在81°，采用幅度掩膜法刻制[69]。其栅区倾斜条纹的显微图如图2.2（d）所示。根据以上的分析可知，ExTFG栅区条纹倾斜大于78.5°，因此，无论是用于对气体浓度的检测，还是在溶液中对生物分子进行检测，其光路耦合方式均保持不变，即前向传输纤芯基模与同向传输包层模之间的耦合，为透射式的光纤光栅。2.2极大倾角光纤光栅数值分析普通单模光纤或者光纤光栅拥有圆对称结构，在使用与分析过程中可以忽略双折射效应的影响，然而在ExTFG中，光栅条纹与光纤轴向存在一定的角度，使光栅截面不再拥有圆对称结构，因此在其纤芯中存在强烈的双折射效应，所以在ExTFG传感器的理论分析或是设计使用过程中都需要考虑它的影响。ExTFG将芯基本模式的横向电场模式（TE）和横向磁场模式（TM）分别耦合到包层模，表现出双峰特性。2.2.1模式有效折射率在分析光纤光栅模式耦合时，必须考虑到光纤有效折射率（包括纤芯基模和包层模有效折射率），其值不仅受工作波长的影响，还依赖于光传播的模式。在解纤芯基模有效折射率时，可将光纤纤芯理想的近似为圆柱形带电导体，并且视包层为无穷大，在这种理想情况下纤芯基模（TEM01）的有效折射率的色散方程为[70，71]：0)()()()(0110wKwwKuJuuJ（2-26）
重庆理工大学硕士学位论文16的色散拐点呈现出“蓝移”趋势。ExTFG的传输光谱中存在两组偏振相关的谐振峰，即TM模与TE模谐振峰，其峰值的波长间隔为[72]：TEeffTMeffTMmclTMcleffcoTEeffTMmclTETMnddnddnn),(,,),(,)(1（2-33）式中，TM为TM包层模的因数；n表示包层TE模与包层TM的有效折射率折射率差值。从式（2-33）中可见当模式的谐振峰中心波长固定时，峰值间距随模式阶数m的变化而改变。本课题所采用的ExTFG光栅的轴向周期~30μm，其包层模式在30阶左右，该阶数位于色散拐点之后，TE模的谐振峰波长大于TM模的谐振峰中心波长。图2.3（a）为ExTFG在C-L波段（1250~1650nm）的透射光谱，2.3（b）为1550~1570nm范围透射光谱，可见，随着模式阶次m的升高，TE与TM模谐振峰中心波长的间隔逐渐增大，与理论分析结果相符。图2.3（a）ExTFG在1250~1650nm内的透射光谱；（b）1550~1570nm范围透射光谱利用起偏器将传输光变为线偏光，通过偏振控制器来改变线偏光的偏振方向，使ExTFG工作在TE模式或是TM模式。并且TE与TM模式不会同时被激发，即TE模式处于完全激励状态时，TM模式的谐振峰便会消失，反之亦然。2.2.3ExTFG折射率传感原理本文设计的生物传感器通过观察谐振波长的漂移来监测外界环境折射率的变化，属于波长调制型传感器，而式（2-32）的ExTFG相位匹配条件正是描述了包层有效折射率与谐振波长的关系，即随外界环境折射率的改变，包层模有效折射率发生变化，改变了相位匹配条件，从而使谐振波长产生偏移。文献分析得出包层模灵敏度可表示为[72]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯光纤及其应用[J]. 毕卫红,马敬云,杨凯丽,田朋飞,王晓愚,李彩丽. 激光与光电子学进展. 2017(04)
[2]超声辅助Hummers法制备氧化石墨烯[J]. 邹正光,俞惠江,龙飞,范艳煌. 无机化学学报. 2011(09)
[3]半壳结构金纳米膜的局域表面等离子体共振效应[J]. 洪昕,杜丹丹,裘祖荣,张国雄. 物理学报. 2007(12)
博士论文
[1]金属纳米颗粒的光纤传感器研究[D]. 谢志国.中国科学技术大学 2009
硕士论文
[1]氧化石墨烯集成极大倾角光纤光栅的生物传感器研究[D]. 卢化锋.重庆理工大学 2019
[2]大角度倾斜光纤光栅表面等离激元生物传感器研究[D]. 鲁姣.重庆理工大学 2019
本文编号：3441838
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