高通量生物传感器的光波导结构优化
发布时间：2021-08-18 19:18
光学生物传感器是指以光信号为载体的可用于获取生物分子相互作用信息的器件,当光信号通过该器件的生物传感单元时,其特性会发生变化,检测并分析这种变化即可实现生物传感功能。光波导作为一种可用于光信号传输的介质,具有结构简单、体积小、质量轻以及抗电磁干扰等优点,在传感领域的应用极为广泛。目前,应用光波导进行的生物传感的研究,大多是使用单传感点结构作为生物分子相互作用的传感单元,而对于多点甚至高通量的光波导传感结构研究较少。为此,本文提出了一种可用于高通量生物传感功能的光波导结构（含布拉格光栅）,该光波导结构被分为多段,每一段均由生物层与非生物层组成,其中生物层为传感单元（可用于进行生物分子相互作用的场所）。本论文的主要内容是基于该多段结构对不同结构或结构参数变化时的灵敏度特性进行探究。此处对本论文所做工作作简要概述:一,建立传感结构模型,给出了基于该传感结构模型下的灵敏度特性分析方法,该部分主要介绍了高通量生物传感器的光波导结构优化理论基础;二,利用灵敏度特性的分析方法,使用计算机数值分析了生物层参数和波长与结构纤芯模式有效折射率的关系,再对以布拉格光栅结构为基础的多传感段模型进行优化选择,优...
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
椭偏仪的传感原理图
重庆理工大学硕士学位论文4光式椭偏仪如图1.2所示，消光式椭偏仪一般通过旋转起偏器和检偏器，找出入射到探测器上光强最小的方位角，由方位角得出椭偏参量Y和D，它描述了光束的偏振变化，tanY代表p分量和s分量复反射系数比的实数值，D表示p分量和s分量的相对相位变化。相应的以薄膜参量为变量的函数形式为0121210tan(,,,...,,,,,...,,,,...,,,)jDkgkgkiYfnnnnnkkkkddq（1.1）其中0n为入射介质的折射率，gn，gk分别为基底的折射率和消光系数，kn，kk，kd分别为多膜层的折射率、消光系数及厚度，i代表入射光波长，0q为入射角。图1.2消光式椭偏仪而随着椭偏仪的发展，消光式椭偏仪的信息获取速度已经不能满足需要，因此，信息获取速度更快的光度式椭偏仪迅速发展起来，光度椭偏仪在椭偏参量的获取方法上，与消光式椭偏仪不同，其主要是对获取的光强信息进行傅里叶变化后所获得的傅里叶系数来推导出椭偏参量Y和D。该方法具有测量速度快，可实时在线检测的优点。但由于当前所使用的检测器件大多具有非线性效应，且光源具有不稳定的特性，光度式椭偏仪仍存在一定的系统误差。1.2.1.2基于干涉原理的光学生物传感器基于干涉原理的光学生物传感器[41-42]，其理论基础是光学的薄膜干涉原理。基于薄膜干涉原理的生物传感技术，这种方法能够很好地观察光程长度的变化，而基于该原理的光学生物传感器，通常是由一束光以一定夹角照射在生物膜表面，一部分光直接被反射，另一部分光穿透生物膜表面在生物膜的底面被反射之后，再从生物膜的表面透射而出，第一次的反射光与第二次的反射光由于光程差形成干涉，分析获取的干涉谱可得到薄膜厚度，其传感原理如图1.3所示。
1绪论5图1.3基于薄膜干涉的生物传感原理李建林[43]在含有人体抗原与抗体的模型基础上，基于干涉原理建立了生物传感器结构模型，利用磁控溅射技术在基底表面加工了一层厚度可控的TiO2干涉增强层，该结构的传感单元组成如图1.4所示，利用该方法大幅度提高了系统的灵敏度。图1.4传感单元组成示意图Kim等人[44]结合长周期光纤光栅（LongPeriodFiberGrating，LPFG），提出了一种可用于生物传感的干涉检测传感器，该方法在LPFG的包层上固化一层免疫球蛋白膜，在LPFG的一个端面镀上一层金属反射膜，光从一端的纤芯入射，其中一部分光直接到达金属膜的端面被反射回来，另一束光被耦合到包层，经免疫球蛋白膜反射到达金属膜再被反射，这两数反射光由于光程差形成干涉，通过分析干涉谱实现了生物分子相互作用的检测。基于干涉原理的光学生物传感器，具有其结构简单，便于小型化的优点，但对于实现较高灵敏度的生物传感，还需要进一步研究，并且在动态实时监测上，目前研究的较少。1.2.1.3表面等离子体共振生物传感器表面等离子体共振生物传感器[45-51]是基于表面等离子体共振（SurfacePlasmon
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SOI平台的双狭缝波导生物传感器[J]. 董红妹,张琪慧,蒋卫锋,胡芳仁. 光学技术. 2019(03)
[2]基于星形金纳米颗粒修饰的81°倾斜光纤光栅生物传感器[J]. 罗彬彬,赵明富,石胜辉,刘永. 半导体光电. 2018(05)
[3]波导布拉格光栅时延响应谱的通解[J]. 曾祥楷,孙燕斌. 光学学报. 2018(12)
[4]免标记光学生物传感器研究进展[J]. 张爱芹,王嫚,张辉,金军,申刚义. 化学通报. 2018(01)
[5]激光共聚焦显微镜技术进展[J]. 马亢,周庆峰,施传信,裴冬丽,闫永峰. 农学学报. 2016(06)
[6]生物传感器芯片抗体固定的方法研究现状[J]. 谭瑞芬,马雪梅. 北京生物医学工程. 2014(04)
[7]表面等离子体共振传感技术和生物分析仪[J]. 王晓萍,洪夏云,詹舒越,黄子昊,庞凯. 化学进展. 2014(07)
[8]微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究[J]. 刘颖刚,车伏龙,贾振安,傅海威,王宏亮,邵敏. 物理学报. 2013(10)
[9]基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展[J]. 高原,李艳,苏星光. 分析化学. 2013(02)
[10]基于二维矩形SiO2光子晶体光栅的研究[J]. 卢辉东,张瑞,沈宏君. 应用光学. 2012(04)
博士论文
[1]硅基集成光波导生物传感器研究[D]. 江先鑫.浙江大学 2015
[2]点阵SPR成像传感器设计及应用研究[D]. 黄子昊.浙江大学 2014
[3]新型光纤光栅技术及其在光通信与光纤传感方面应用的研究[D]. 周金龙.厦门大学 2008
硕士论文
[1]激光共聚焦生物芯片检测系统研究[D]. 赵立新.电子科技大学 2006
本文编号：3350474
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
椭偏仪的传感原理图
重庆理工大学硕士学位论文4光式椭偏仪如图1.2所示，消光式椭偏仪一般通过旋转起偏器和检偏器，找出入射到探测器上光强最小的方位角，由方位角得出椭偏参量Y和D，它描述了光束的偏振变化，tanY代表p分量和s分量复反射系数比的实数值，D表示p分量和s分量的相对相位变化。相应的以薄膜参量为变量的函数形式为0121210tan(,,,...,,,,,...,,,,...,,,)jDkgkgkiYfnnnnnkkkkddq（1.1）其中0n为入射介质的折射率，gn，gk分别为基底的折射率和消光系数，kn，kk，kd分别为多膜层的折射率、消光系数及厚度，i代表入射光波长，0q为入射角。图1.2消光式椭偏仪而随着椭偏仪的发展，消光式椭偏仪的信息获取速度已经不能满足需要，因此，信息获取速度更快的光度式椭偏仪迅速发展起来，光度椭偏仪在椭偏参量的获取方法上，与消光式椭偏仪不同，其主要是对获取的光强信息进行傅里叶变化后所获得的傅里叶系数来推导出椭偏参量Y和D。该方法具有测量速度快，可实时在线检测的优点。但由于当前所使用的检测器件大多具有非线性效应，且光源具有不稳定的特性，光度式椭偏仪仍存在一定的系统误差。1.2.1.2基于干涉原理的光学生物传感器基于干涉原理的光学生物传感器[41-42]，其理论基础是光学的薄膜干涉原理。基于薄膜干涉原理的生物传感技术，这种方法能够很好地观察光程长度的变化，而基于该原理的光学生物传感器，通常是由一束光以一定夹角照射在生物膜表面，一部分光直接被反射，另一部分光穿透生物膜表面在生物膜的底面被反射之后，再从生物膜的表面透射而出，第一次的反射光与第二次的反射光由于光程差形成干涉，分析获取的干涉谱可得到薄膜厚度，其传感原理如图1.3所示。
1绪论5图1.3基于薄膜干涉的生物传感原理李建林[43]在含有人体抗原与抗体的模型基础上，基于干涉原理建立了生物传感器结构模型，利用磁控溅射技术在基底表面加工了一层厚度可控的TiO2干涉增强层，该结构的传感单元组成如图1.4所示，利用该方法大幅度提高了系统的灵敏度。图1.4传感单元组成示意图Kim等人[44]结合长周期光纤光栅（LongPeriodFiberGrating，LPFG），提出了一种可用于生物传感的干涉检测传感器，该方法在LPFG的包层上固化一层免疫球蛋白膜，在LPFG的一个端面镀上一层金属反射膜，光从一端的纤芯入射，其中一部分光直接到达金属膜的端面被反射回来，另一束光被耦合到包层，经免疫球蛋白膜反射到达金属膜再被反射，这两数反射光由于光程差形成干涉，通过分析干涉谱实现了生物分子相互作用的检测。基于干涉原理的光学生物传感器，具有其结构简单，便于小型化的优点，但对于实现较高灵敏度的生物传感，还需要进一步研究，并且在动态实时监测上，目前研究的较少。1.2.1.3表面等离子体共振生物传感器表面等离子体共振生物传感器[45-51]是基于表面等离子体共振（SurfacePlasmon
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SOI平台的双狭缝波导生物传感器[J]. 董红妹,张琪慧,蒋卫锋,胡芳仁. 光学技术. 2019(03)
[2]基于星形金纳米颗粒修饰的81°倾斜光纤光栅生物传感器[J]. 罗彬彬,赵明富,石胜辉,刘永. 半导体光电. 2018(05)
[3]波导布拉格光栅时延响应谱的通解[J]. 曾祥楷,孙燕斌. 光学学报. 2018(12)
[4]免标记光学生物传感器研究进展[J]. 张爱芹,王嫚,张辉,金军,申刚义. 化学通报. 2018(01)
[5]激光共聚焦显微镜技术进展[J]. 马亢,周庆峰,施传信,裴冬丽,闫永峰. 农学学报. 2016(06)
[6]生物传感器芯片抗体固定的方法研究现状[J]. 谭瑞芬,马雪梅. 北京生物医学工程. 2014(04)
[7]表面等离子体共振传感技术和生物分析仪[J]. 王晓萍,洪夏云,詹舒越,黄子昊,庞凯. 化学进展. 2014(07)
[8]微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究[J]. 刘颖刚,车伏龙,贾振安,傅海威,王宏亮,邵敏. 物理学报. 2013(10)
[9]基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展[J]. 高原,李艳,苏星光. 分析化学. 2013(02)
[10]基于二维矩形SiO2光子晶体光栅的研究[J]. 卢辉东,张瑞,沈宏君. 应用光学. 2012(04)
博士论文
[1]硅基集成光波导生物传感器研究[D]. 江先鑫.浙江大学 2015
[2]点阵SPR成像传感器设计及应用研究[D]. 黄子昊.浙江大学 2014
[3]新型光纤光栅技术及其在光通信与光纤传感方面应用的研究[D]. 周金龙.厦门大学 2008
硕士论文
[1]激光共聚焦生物芯片检测系统研究[D]. 赵立新.电子科技大学 2006
本文编号：3350474
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