發(fā)布時(shí)間：2018-07-02 20:16

  本文選題：表面等離子激元共振 + 光纖傳感器��； 參考：《大連理工大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：表面等離子激元共振(Surface plasmon resonance, SPR)技術(shù)具有靈敏度高、樣品免標(biāo)記和無需純化、重復(fù)性高、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用于生化檢測和分析、藥物篩選、食品安全和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。光纖傳感器因其具有重量輕、體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、復(fù)用性好等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、醫(yī)學(xué)、航空航天等諸多領(lǐng)域,成為當(dāng)前最有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅骷夹g(shù)之一。光纖SPR傳感器技術(shù)將光纖傳感技術(shù)與SPR檢測機(jī)理進(jìn)行創(chuàng)新融合,可進(jìn)行高靈敏度、高可靠性的測量,并可實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的小型化、低成本和集成化,展示出良好的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用潛力,受到越來越多的關(guān)注。本文針對(duì)光纖SPR生物傳感器及其系統(tǒng)化和小型化進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。以表面等離子激元(Surface plasmon polariton, SPP)及其共振理論為基礎(chǔ),通過對(duì)棱鏡和光纖結(jié)構(gòu)SPR傳感模型的理論分析和仿真模擬,設(shè)計(jì)并制作了光纖及毛細(xì)管SPR傳感元件;采用通用光電元件研制了小型化SPR傳感系統(tǒng),利用VC++6.0和Labview等軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了SPR傳感信息采集分析,通過生化檢測驗(yàn)證了該傳感系統(tǒng)的可行性;進(jìn)一步將兩種SPR傳感元件與智能手機(jī)相結(jié)合,利用其光源攝像頭等光電子器件,開發(fā)了基于Android操作系統(tǒng)的SPR信號(hào)測控程序,實(shí)現(xiàn)了基于智能手機(jī)的微型集成化光纖SPR生物傳感系統(tǒng)。論文的主要工作如下：1.基于表面等離子激元的基本理論和SPR的激發(fā)原理,研究了光纖SPR的傳感機(jī)理。敘述了表面等離子激元機(jī)理、SPR傳感技術(shù)的特點(diǎn)及SPR傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展,介紹了不同種類的光纖SPR傳感器及其在傳感技術(shù)中的應(yīng)用,闡述了SPR傳感器的基礎(chǔ)理論,構(gòu)建了光纖SPR傳感器的理論模型,并利用該理論模型分析了不同參數(shù)對(duì)光纖SPR傳感器性能的影響。2.針對(duì)SPR檢測系統(tǒng)小型化的發(fā)展需求,設(shè)計(jì)和研制了光纖SPR傳感器和毛細(xì)管SPR傳感器�；�于SPR基本性質(zhì)和表面等離子激元波激發(fā)原理,設(shè)計(jì)了光纖和毛細(xì)管SPR傳感器,分析和比較了兩者的吸收光譜特性,檢測了兩種傳感器的溫度和折射率響應(yīng),并通過對(duì)傳感器金膜表面進(jìn)行刀豆球蛋白A抗體的修飾,實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛋白質(zhì)特異性結(jié)合的探測。3.將光纖和毛細(xì)管SPR傳感器與通用光電子元件相結(jié)合,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了小型化光纖SPR傳感系統(tǒng)。利用光纖和毛細(xì)管SPR傳感元件,采用通用發(fā)光二極管作為光源,互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器作為探測器,實(shí)現(xiàn)了小型化的SPR傳感系統(tǒng);利用參考通道對(duì)光源不穩(wěn)定造成的光強(qiáng)波動(dòng)進(jìn)行有效補(bǔ)償,該傳感系統(tǒng)的折射率靈敏度和分辨率分別為400%/RIU(Refractive index unit)和7.5×10-4RIU,結(jié)合表面化學(xué)修飾技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物蛋白質(zhì)的探測；將單個(gè)光纖SPR傳感元件擴(kuò)展為9通道的光纖傳感陣列,實(shí)現(xiàn)了包含參考通道,控制通道和多個(gè)測試通道的集成化SPR傳感系統(tǒng),并對(duì)刀豆球蛋白A和免疫球蛋白混合樣品進(jìn)行了探測；進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了自補(bǔ)償毛細(xì)管SPR圖像生物傳感系統(tǒng),利用毛細(xì)管SPR傳感器的區(qū)域光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物傳感中外界波動(dòng)因素的補(bǔ)償。4.根據(jù)即時(shí)檢測生物分析傳感器應(yīng)用于家庭和個(gè)人的普及性需求,研制了智能手機(jī)SPR生物傳感系統(tǒng)。利用手機(jī)的自帶光源及探測器,開發(fā)了基于Android操作系統(tǒng)的檢測平臺(tái),采用光纖及毛細(xì)管SPR傳感器作為傳感元件,利用專用封裝將傳感模塊與智能手機(jī)進(jìn)行組合,靈敏度和分辨率分別為1136%/RIU和7.04×10-5RIU對(duì)免疫球蛋白樣品的檢測表明其檢測極限達(dá)到47.4nM。與商業(yè)化小型化SPR儀器相比,該智能手機(jī)SPR生物傳感系統(tǒng)具有便攜式,低成本和集成化等優(yōu)勢。最后,總結(jié)了全文工作,并對(duì)未來研究方向進(jìn)行了分析和展望。結(jié)合相位解調(diào)、納米材料或納米周期新結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高SPR生化傳感系統(tǒng)的靈敏度和分辨率,實(shí)現(xiàn)更低濃度、更小生物分子的生化反應(yīng)過程檢測和監(jiān)測。
[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.
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212.3

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本文編號(hào)：2090799