生物光盘系统理论建模与参数分析

发布时间：2020-10-12 05:21

　　 生化物质的检测是现代社会进行环境防护、食品监测以及战场生存中的一个核心问题。传统的检测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、高灵敏度以及操作简便的生物检测设备对国计民生具有重要意义。 生物光盘传感器是依据光学干涉检测原理,以生物配体和受体间的特异性结合为基础的生物分子检测系统。它借鉴了数字光盘的基本原理和免标记生物传感器的传感原理,具备多种检测物质的高密度阵列传感和数据快速读取的能力。本文围绕生物光盘实验系统的设计,建立了生物光盘系统理论分析模型,对系统输出信号及循轨信号进行理论研究。本文的工作主要体现在以下几个方面: 首先,论文以Hopkins的光盘标量衍射理论为基础,建立了生物光盘系统的理论分析模型,推导出了系统输出信号的解析表达式及其边界条件,在此基础上利用MATLAB软件进行了程序编写。 然后,根据所建立的理论模型,通过数值模拟分析了理想条件下生物光盘的光学系统参数(数值孔径NA、高斯参数σ)和传感单元参数(形状及尺寸)对传感系统性能的影响。分析结果表明,为获得较高的传感灵敏度,理想条件下聚焦光斑直径与矩形传感单元最佳长、宽需满足1:0.5665的匹配关系。选取数值孔径NA=0.07,高斯参数σ最佳取值为0.7,此时矩形传感单元最佳尺寸为4.3μm×4.3μm,轨道长、宽为16μm。由于生物光盘是通过检测输出光功率最小值P0的变化来检测传感单元高度的变化,因此本文给出了理想条件下输出光功率最小值P0与传感单元高度的线性关系。 最后,数值分析了高斯参数、盘片反射率、光学系统的波像差、轨道偏离量对系统传感灵敏度的影响。研究结果表明:选取高斯参数的最佳值,合理地增大入射光功率,提高盘片反射率及其均匀度,选取合适的物镜参数,提高光路的装调精度,限制盘片的安装范围都可以有效地改善系统的传感灵敏度。根据轨道偏离量对输出信号的影响,给出了伺服系统的循轨信号的提取方法,同时分析了高斯参数、盘片反射率、球差等因素对伺服系统的循轨灵敏度的影响。从现有的实验条件出发估算了系统所能达到的传感灵敏度。
【学位单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2009
【中图分类】：TP333.4
【部分图文】：

例如：SARS和禽流感的快速临床诊断、药物分析、蛋白质和基因组检测、食品安全等。1.2 国内外研究现状盘传感器的概念是由美国 Purdue 大学 David D.Nolte 教授议(CLEO)上正式提出来的[8][12]。基于光学干涉检测原理的于如何建立系统的正交条件[12]，使得探测信号强度的变化化最为敏感。按照系统建立正交条件的不同方法，生物光iffraction）生物光盘、AO 型（Adaptive-optical quadraturese-contrast）生物光盘和 IL 型（In-line-quadrature）生物光David D.Nolte等人采用自参考正交干涉测量技术研制出示[9]。其工作原理是在硅盘上制作厚度为λ/8的金属辐条斑50%的光强照到传感单元表面、50%光强照到基底表光与基底表面反射光产生π/2的正交相位[9]。系统的探MD型生物光盘的缺点是盘片制作及信号检测都较为复杂

国防科学技术大学研究生院学位论文 Leilei Peng 等人报道了采用自适应非线性光学混频技术的 1.2 所示。其工作原理是采用光折射量子肼（PRQW）对参适应非线性光学混频，即可以自动跟踪探测信号与参考信号相位补偿[10]。系统最大的特点是采用自适应方法增强了检得系统灵敏度达到 0.3nm[10]。AO 型生物光盘的缺点是难以输出信号的影响。这两种早期的生物光盘的关键技术是如何实现稳定的自参考干涉，即将参考信号与探测信号的相位生物光盘的光学系统结构都比较复杂。

图1.3 PC型生物光盘实验系统2007年Ming Zhao报道了IL型生物光盘如图1.4所示。系统在硅基盘片表面SiO2薄膜作为吸附生物分子的基底，薄膜厚度的选取使得SiO2薄膜上表面硅基表面反射光的相位差为π/2或3π/2，从而建立系统的正交条件[15]。盘质阵列采用喷墨印刷技术制备，系统可检测的生物物质种类达到32种，极限可达1ng/mL[15]。IL型生物光盘简化了光学系统结构，进一步提高了的检测灵敏度[15]。
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 王涌天;物象空间正则归一化坐标理论及其在光学软件中的应用[J];北京理工大学学报;1991年04期

2 罗勇，陈小洪，高正平;光盘扫描高斯光束的研究[J];电子科技大学学报;1995年02期

3 吕晓迎,黄蕙芬,唐祖明,沈晓峰,张浩康,陈德敏,钟银屏,俞枋,王德育,黄炎,钱卫平,袁春伟;光反射干涉生物传感器对生物医用材料蛋白质吸附研究[J];东南大学学报(自然科学版);2001年02期

4 李建林;;非标记光反射干涉生物传感器及其检测模型的构建[J];分析化学;2008年06期

5 成先富,贾惠波,徐端颐;光盘光学系统的矢量衍射理论分析[J];光学技术;2000年04期

6 王玉英,熊剑平,马骋,贾惠波;用于光盘分析的标量衍射理论综述[J];光学技术;2003年05期

7 王宇兴,巩马理,闫平,贾维溥,崔瑞祯,张海涛,黄磊,韦宁;高密度光盘循轨伺服中盘片径向倾斜的影响分析[J];光学技术;2003年06期

8 张启程;徐端颐;宋洁;;多阶游程长度受限编码的光盘读出信号[J];光学技术;2006年06期

9 张建勇;马建设;徐端颐;潘龙法;严明铭;;光电探测器安装误差对差动相位探测信号的影响[J];光学技术;2006年06期

10 王志坚,王鹏;瑞利判断与斯托列尔准则(兼论光学系统景深与清晰度法定焦精度)[J];光子学报;2000年07期

相关硕士学位论文 前3条

1 赵立杰;光盘信号处理及伺服处理的研究[D];大连理工大学;2002年

2 周晓波;激光头信号检测与处理系统的研究[D];大连理工大学;2002年

3 赵晓云;三维信息存储衍射理论分析及计算机仿真[D];电子科技大学;2004年

本文编号：2837701