小型化光纤表面等离子激元共振生物传感器系统的研究
本文选题:表面等离子激元共振 + 光纤传感器 ; 参考:《大连理工大学》2016年博士论文
【摘要】:表面等离子激元共振(Surface plasmon resonance, SPR)技术具有灵敏度高、样品免标记和无需纯化、重复性高、实时动态监测等优点,被广泛地应用于生化检测和分析、药物筛选、食品安全和环境监测领域。光纤传感器因其具有重量轻、体积小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、复用性好等特点,可广泛应用于工业、民用、医学、航空航天等诸多领域,成为当前最有发展潜力的传感器技术之一。光纤SPR传感器技术将光纤传感技术与SPR检测机理进行创新融合,可进行高灵敏度、高可靠性的测量,并可实现传感器系统的小型化、低成本和集成化,展示出良好的发展前景和巨大的应用潜力,受到越来越多的关注。本文针对光纤SPR生物传感器及其系统化和小型化进行了理论和实验研究。以表面等离子激元(Surface plasmon polariton, SPP)及其共振理论为基础,通过对棱镜和光纤结构SPR传感模型的理论分析和仿真模拟,设计并制作了光纤及毛细管SPR传感元件;采用通用光电元件研制了小型化SPR传感系统,利用VC++6.0和Labview等软件平台实现了SPR传感信息采集分析,通过生化检测验证了该传感系统的可行性;进一步将两种SPR传感元件与智能手机相结合,利用其光源摄像头等光电子器件,开发了基于Android操作系统的SPR信号测控程序,实现了基于智能手机的微型集成化光纤SPR生物传感系统。论文的主要工作如下:1.基于表面等离子激元的基本理论和SPR的激发原理,研究了光纤SPR的传感机理。叙述了表面等离子激元机理、SPR传感技术的特点及SPR传感技术的研究现状和进展,介绍了不同种类的光纤SPR传感器及其在传感技术中的应用,阐述了SPR传感器的基础理论,构建了光纤SPR传感器的理论模型,并利用该理论模型分析了不同参数对光纤SPR传感器性能的影响。2.针对SPR检测系统小型化的发展需求,设计和研制了光纤SPR传感器和毛细管SPR传感器。基于SPR基本性质和表面等离子激元波激发原理,设计了光纤和毛细管SPR传感器,分析和比较了两者的吸收光谱特性,检测了两种传感器的温度和折射率响应,并通过对传感器金膜表面进行刀豆球蛋白A抗体的修饰,实现了对蛋白质特异性结合的探测。3.将光纤和毛细管SPR传感器与通用光电子元件相结合,设计和实现了小型化光纤SPR传感系统。利用光纤和毛细管SPR传感元件,采用通用发光二极管作为光源,互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器作为探测器,实现了小型化的SPR传感系统;利用参考通道对光源不稳定造成的光强波动进行有效补偿,该传感系统的折射率灵敏度和分辨率分别为400%/RIU(Refractive index unit)和7.5×10-4RIU,结合表面化学修饰技术实现了对生物蛋白质的探测;将单个光纤SPR传感元件扩展为9通道的光纤传感阵列,实现了包含参考通道,控制通道和多个测试通道的集成化SPR传感系统,并对刀豆球蛋白A和免疫球蛋白混合样品进行了探测;进一步实现了自补偿毛细管SPR图像生物传感系统,利用毛细管SPR传感器的区域光强实现了对生物传感中外界波动因素的补偿。4.根据即时检测生物分析传感器应用于家庭和个人的普及性需求,研制了智能手机SPR生物传感系统。利用手机的自带光源及探测器,开发了基于Android操作系统的检测平台,采用光纤及毛细管SPR传感器作为传感元件,利用专用封装将传感模块与智能手机进行组合,灵敏度和分辨率分别为1136%/RIU和7.04×10-5RIU对免疫球蛋白样品的检测表明其检测极限达到47.4nM。与商业化小型化SPR仪器相比,该智能手机SPR生物传感系统具有便携式,低成本和集成化等优势。最后,总结了全文工作,并对未来研究方向进行了分析和展望。结合相位解调、纳米材料或纳米周期新结构,进一步提高SPR生化传感系统的灵敏度和分辨率,实现更低浓度、更小生物分子的生化反应过程检测和监测。
[Abstract]:Surface plasmon resonance (SPR) technology has the advantages of high sensitivity, no labeling and no purification, high repeatability and real-time dynamic monitoring. It has been widely used in biochemical detection and analysis, drug screening, food safety and environmental monitoring. Optical fiber sensors have light weight, small size, and resistance to electricity. With the characteristics of strong magnetic interference, corrosion resistance and good reusability, it can be widely used in many fields, such as industrial, civil, medical, aeronautics and Astronautics and many other fields. The optical fiber SPR sensor technology combines the optical fiber sensing technology with the SPR detection mechanism, and can be used for high sensitivity and high reliability measurement. And it can realize the miniaturization, low cost and integration of the sensor system. It shows a good development prospect and great potential application, and has been paid more and more attention. In this paper, the optical fiber SPR biosensor and its systematization and miniaturization are studied theoretically and experimentally. The surface plasmon polaritons (Surface plasmon polariton, SPP) and the experimental research are carried out in this paper. Based on the theory of resonance, the optical fiber and capillary SPR sensing elements are designed and fabricated by the theoretical analysis and Simulation of the SPR sensing model of prism and optical fiber structure. A miniaturized SPR sensing system is developed by using universal photoelectric components. The information collection and analysis of SPR sensor is realized by using VC++6.0 and Labview software flat. The test verifies the feasibility of the sensing system, and further develops the SPR signal measurement and control program based on the Android operating system by combining the two SPR sensing elements with the smart phone and using the optoelectronic devices such as the light source camera and so on. The main work of this paper is to realize the micro integrated fiber SPR biosensor system based on the smart phone. The following are as follows: 1. based on the basic theory of surface plasmon polaritons and the excitation principle of SPR, the sensing mechanism of optical fiber SPR is studied. The mechanism of surface plasmon polaritons, the characteristics of SPR sensing technology and the research status and progress of SPR sensing technology are described. Different kinds of optical fiber SPR sensor and its application in sensing technology are introduced, and S is introduced. The basic theory of PR sensor, the theoretical model of optical fiber SPR sensor is constructed, and the theoretical model is used to analyze the influence of different parameters on the performance of optical fiber SPR sensor..2. for the development of the miniaturization of SPR detection system, the optical fiber SPR sensor and capillary SPR sensor are designed and developed. Based on the basic nature of SPR and the surface separation, The principle of the exciton wave excitation is designed, the optical fiber and the capillary SPR sensor are designed. The absorption spectrum characteristics of the two are analyzed and compared. The temperature and refractive index response of the two sensors are detected. By modifying the A antibody on the surface of the gold membrane of the sensor, the detection of the specific binding of the protein to the fiber and hair is realized by.3.. A miniaturized optical fiber SPR sensing system is designed and realized by the combination of SPR sensor and general optoelectronic component. Using optical fiber and capillary SPR sensing element, using universal light-emitting diode as light source and complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor as a detector, a miniaturized SPR sensing system is realized. The channel can effectively compensate the fluctuation of light intensity caused by the instability of the light source. The sensitivity and resolution of the sensing system are 400%/RIU (Refractive index unit) and 7.5 x 10-4RIU respectively. The detection of biological proteins is realized by the surface chemical modification technology, and the optical fiber sensing of a single fiber SPR sensor element is extended to 9 channel. The integrated SPR sensing system including the reference channel, the control channel and the multiple test channels was implemented, and the mixed samples of the bean globulin A and the immunoglobulin were detected, and the self compensated capillary SPR image biosensor system was further realized, and the biosensor was realized by the regional light intensity of the capillary SPR sensor. The compensation.4. of external fluctuation factor has developed a SPR biosensor system based on the application of biological analysis sensor to family and individual, and developed a detection platform based on Android operating system using the light source and detector of the mobile phone. The optical fiber and capillary SPR sensor are used as sensing elements. The sensing module and the smart phone are combined with the special package. The sensitivity and resolution are 1136%/RIU and 7.04 x 10-5RIU, respectively. The detection limit of the immune globulin samples shows that the detection limit reaches 47.4nM. and the commercial miniaturized SPR instrument, the SPR biosensor system of the smart phone is portable, low cost and integrated. Finally, the full text work is summarized, and the future research direction is analyzed and prospected. With phase demodulation, nanomaterial or nanoscale new structure, the sensitivity and resolution of the SPR biosensor system can be further improved, and the biochemical reaction process of biological molecules is detected and monitored at a lower concentration.
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP212.3
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,本文编号:2090799
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