基于二维材料修饰的亲和型D型光纤SPR葡萄糖传感器
发布时间：2021-07-19 21:50
糖尿病是一种常见的慢性疾病,在治疗中需要对患者的血糖浓度水平进行持续监测。目前应用比较广泛的血糖仪主要是基于酶电极的电化学传感器。然而这种方法存在两个无法克服的缺陷:酶催化会使葡萄糖分解,待测物的减少则会导致测量准确性降低;人体内存在的生物电会对测量过程产生干扰和漂移。基于光学效应和折射率变化的表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）传感器能避免这些问题,然而,小型化的光纤SPR传感器不如传统的棱镜型传感器灵敏度高,为解决光纤SPR传感器灵敏度不高的问题,本文提出一种新型液相转移方法来在微尺度的传感器表面上修饰化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）石墨烯和CVD二硫化钼,以在SPR传感器的金膜表面上修饰二硫化钼-石墨烯的复合纳米结构,再利用石墨烯的π-π堆叠和芘基的结合作用在表面修饰芘硼酸,充分利用二维材料的优异光电特性和芘硼酸特异性结合葡萄糖分子的能力来提升SPR葡萄糖传感器的性能。本论文的主要工作为以下几点:（1）D型光纤SPR传感器的设计与加工。完成了传感器的关键参数仿真以及侧边抛磨工艺、热蒸发镀膜方法和光...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
-1倏逝波产生原理图
天津大学硕士学位论文10此外，由折射定律可得：(2-1-5)将公式（2-1-5）代入公式（2-1-1）至（2-1-4）中，可以得到：||1，这表明全反射的过程中没有能量损耗。但是由于和的值不为零，可知在光疏介质中会有一些光能，这可以解释为倏逝波的存在。当发生全反射时，少部分的光能渗入光疏介质并沿交界面向前传播一段波长级的距离后，再返回光密介质。2.1.2表面等离子体共振产生的条件图2-1-2表面等离子体共振产生示意图若在光密介质和光疏介质中添加一层非常薄的金属膜，如图2-1-2所示，倏逝波的能量就会引起金属表面电子的振荡，这种振荡则会形成表面等离子体波（SurfacePlasmonWave,SPW）。当光疏介质中的倏逝波波矢分量与SPW的波矢相互匹配时，即满足式2-1-6时，则会产生表面等离子共振效应，表现为P偏振光的部分能量被SPW吸收。式2-1-6为发生共振时的理论公式：sin(2-1-6)式中为某一束光的入射角，为纤芯折射率，代表SPW的波矢。只有P偏振光可以激发SPR效应，以波长调制方法为例，发生共振时根据波长的长短不同也有不同的能量损耗，导致在反射光谱中出现一个向下凹陷的吸收峰，最低点所对应的波长即为共振波长。2.2D型光纤SPR传感器的总体结构设计本文所设计的D型光纤SPR传感器结构示意图如图2-2-1所示。图2-2-1为传感器的整体截面图，图2-2-2为侧边抛磨区域的截面图。
第2章工作原理、结构设计及加工工艺11光纤型号选取为SMF28普通单模光纤，纤芯材料为二氧化硅，直径为8.2μm，包层直径125μm，涂覆层直径242μm，数值孔径NA为0.14。传感器的抛磨区域依次蒸镀铬膜、金膜后，在金膜表面进行二硫化钼与石墨烯的修饰，最后在石墨烯上进行芘硼酸的固定。铬层是作为纤芯与金膜的粘结层，金膜作为激发SPR效应的金属层，二硫化钼是利用其较高的光吸收系数来提高从倏逝波中吸收的能量以增强SPR效应，石墨烯一是由于其较大的表面积增加与葡萄糖分子的接触能力，二是为芘硼酸的固定化做基础，芘硼酸用来增加传感器对葡萄糖分子的选择性。图2-2-1传感器结构示意图图2-2-2侧抛区域截面示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]实时动态血糖监测系统在老年糖尿病治疗中的应用[J]. 卓儒红,姚红艳. 武汉大学学报(医学版). 2017(01)
[2]血糖监测用植入式传感器的研究进展[J]. 余江渊,李崭虹,陈诚,陈云霞,朱志刚. 生物医学工程学杂志. 2016(05)
[3]微创伤血糖连续检测技术及仪器的研究进展[J]. 栗大超,蒲治华,于海霞,徐可欣. 纳米技术与精密工程. 2016(04)
[4]SPR生物传感器的应用现状与发展趋势[J]. 王佳,周健. 传感器与微系统. 2011(04)
[5]无创人体血糖检测光学方法的研究现状与发展[J]. 李刚,周梅,吴红杰,林凌. 光谱学与光谱分析. 2010(10)
[6]光学无创血糖检测中的主要问题及研究进展[J]. 刘蓉,徐可欣,陈文亮,马真. 中国科学（G辑:物理学 力学 天文学）. 2007(S1)
[7]光的全反射中倏逝波的研究[J]. 李林,肖循. 武汉科技学院学报. 2006(12)
[8]光纤表面等离子体波传感器的理论研究[J]. 曹振新,吴乐南,王兴,戴戈. 东南大学学报(自然科学版). 2004(05)
[9]光纤表面等离子体波传感器中共振波长的理论计算[J]. 朱彩莲,曹振新,吴乐南,杨洋. 传感技术学报. 2004(01)
博士论文
[1]基于光纤表面等离子共振传感技术的葡萄糖浓度测量方法研究[D]. 伍鹏.天津大学 2012
[2]人体组织液中葡萄糖浓度的精密检测技术研究[D]. 黄福祥.天津大学 2009
硕士论文
[1]单层二硫化钼的制备及光学性质研究[D]. 周朝迅.中国科学技术大学 2015
本文编号：3291492
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
-1倏逝波产生原理图
天津大学硕士学位论文10此外，由折射定律可得：(2-1-5)将公式（2-1-5）代入公式（2-1-1）至（2-1-4）中，可以得到：||1，这表明全反射的过程中没有能量损耗。但是由于和的值不为零，可知在光疏介质中会有一些光能，这可以解释为倏逝波的存在。当发生全反射时，少部分的光能渗入光疏介质并沿交界面向前传播一段波长级的距离后，再返回光密介质。2.1.2表面等离子体共振产生的条件图2-1-2表面等离子体共振产生示意图若在光密介质和光疏介质中添加一层非常薄的金属膜，如图2-1-2所示，倏逝波的能量就会引起金属表面电子的振荡，这种振荡则会形成表面等离子体波（SurfacePlasmonWave,SPW）。当光疏介质中的倏逝波波矢分量与SPW的波矢相互匹配时，即满足式2-1-6时，则会产生表面等离子共振效应，表现为P偏振光的部分能量被SPW吸收。式2-1-6为发生共振时的理论公式：sin(2-1-6)式中为某一束光的入射角，为纤芯折射率，代表SPW的波矢。只有P偏振光可以激发SPR效应，以波长调制方法为例，发生共振时根据波长的长短不同也有不同的能量损耗，导致在反射光谱中出现一个向下凹陷的吸收峰，最低点所对应的波长即为共振波长。2.2D型光纤SPR传感器的总体结构设计本文所设计的D型光纤SPR传感器结构示意图如图2-2-1所示。图2-2-1为传感器的整体截面图，图2-2-2为侧边抛磨区域的截面图。
第2章工作原理、结构设计及加工工艺11光纤型号选取为SMF28普通单模光纤，纤芯材料为二氧化硅，直径为8.2μm，包层直径125μm，涂覆层直径242μm，数值孔径NA为0.14。传感器的抛磨区域依次蒸镀铬膜、金膜后，在金膜表面进行二硫化钼与石墨烯的修饰，最后在石墨烯上进行芘硼酸的固定。铬层是作为纤芯与金膜的粘结层，金膜作为激发SPR效应的金属层，二硫化钼是利用其较高的光吸收系数来提高从倏逝波中吸收的能量以增强SPR效应，石墨烯一是由于其较大的表面积增加与葡萄糖分子的接触能力，二是为芘硼酸的固定化做基础，芘硼酸用来增加传感器对葡萄糖分子的选择性。图2-2-1传感器结构示意图图2-2-2侧抛区域截面示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]实时动态血糖监测系统在老年糖尿病治疗中的应用[J]. 卓儒红,姚红艳. 武汉大学学报(医学版). 2017(01)
[2]血糖监测用植入式传感器的研究进展[J]. 余江渊,李崭虹,陈诚,陈云霞,朱志刚. 生物医学工程学杂志. 2016(05)
[3]微创伤血糖连续检测技术及仪器的研究进展[J]. 栗大超,蒲治华,于海霞,徐可欣. 纳米技术与精密工程. 2016(04)
[4]SPR生物传感器的应用现状与发展趋势[J]. 王佳,周健. 传感器与微系统. 2011(04)
[5]无创人体血糖检测光学方法的研究现状与发展[J]. 李刚,周梅,吴红杰,林凌. 光谱学与光谱分析. 2010(10)
[6]光学无创血糖检测中的主要问题及研究进展[J]. 刘蓉,徐可欣,陈文亮,马真. 中国科学（G辑:物理学 力学 天文学）. 2007(S1)
[7]光的全反射中倏逝波的研究[J]. 李林,肖循. 武汉科技学院学报. 2006(12)
[8]光纤表面等离子体波传感器的理论研究[J]. 曹振新,吴乐南,王兴,戴戈. 东南大学学报(自然科学版). 2004(05)
[9]光纤表面等离子体波传感器中共振波长的理论计算[J]. 朱彩莲,曹振新,吴乐南,杨洋. 传感技术学报. 2004(01)
博士论文
[1]基于光纤表面等离子共振传感技术的葡萄糖浓度测量方法研究[D]. 伍鹏.天津大学 2012
[2]人体组织液中葡萄糖浓度的精密检测技术研究[D]. 黄福祥.天津大学 2009
硕士论文
[1]单层二硫化钼的制备及光学性质研究[D]. 周朝迅.中国科学技术大学 2015
本文编号：3291492
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