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1、微构造长周期光纤光栅生物传感特性的研讨微构造长周期光纤光栅生物传感特性的研讨指点教师：毕卫红 教授 研讨生：王凌霄专业：物理电子学3.前期预备与方案方案2.课题国内外开展现状1.课题背景及意义课题研讨背景课题研讨背景l随着现代科学技术的开展，特别是生命科学、临床医学等新兴科学的开展，分析化学所面临的挑战越来越大，生物大分子分析、药物分析、生物活性物质分析等大量新课题不断涌现，而且对分析结果的要求也越来越高，不再局限于物质中“有什么和“有多少，而是要在较短时间内提供物质更多、更全面的信息，生物传感器正是在此背景下开展起来的一种新型集成分析测试安装。l早在20世纪60年代就有关于生物传感器研讨的报
2、导，国际上从20世纪80年代初就开场对生物传感器进展了广泛的研讨和探求。虽然适用化的生物传感器设备直到20世纪90年代才陆续推出，并且为数不多，但是其在实践运用中曾经表现出极大的优势，它不仅可以胜任普通生物分析手段可以完成各种测试，还能进展一些普通测试手段无法完成的义务，比如无标志的免疫检测、在线分析甚至活体分析等，此外，它还可以让生物分析走出实验室，进入普通百姓家庭。课题研讨意义课题研讨意义l生物传感器是利用生物活性物质分子识别的功能，将感受的被丈量转换成可用输出信号的传感器，是一个非常活泼的研讨和工程技术领域，是开展生物技术必不可少的一种先进的检测手段与监控方法，也是物质分子程度的快速、微
3、量分析方法。由于生物传感器专注，灵敏，呼应快等特点，为根底医学研讨及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，在临床医学中发扬着越来越大的作用，意义极为艰苦。l长周期光纤光栅是一种纤芯折射率周期性调制的无源光纤器件，由于具有易于制造、介质损耗低、构造紧凑等优点，已广泛的运用于光纤通讯和光纤传感领域。光纤光栅生物传感利用了长周期光纤光栅的折射率敏感特性，当外界环境折射率变化时，其谐振波长将发生明显的漂移，从而到达生物分子的检测。生物传感器的分类：生物传感器的分类：标志型生物传感器标志型生物传感器免标志型生物传感器免标志型生物传感器 按照能否运用标志物可以分为两类：按照能否运用标志物可以分为两类：检测
4、时先用标志物如荧光素、放射性同位素、酶等对被测检测时先用标志物如荧光素、放射性同位素、酶等对被测物进展标志，然后经过检测标志物的信息来获取被探测物物进展标志，然后经过检测标志物的信息来获取被探测物的相应信息。目前运用的免疫传感器根本都属于这一类的相应信息。目前运用的免疫传感器根本都属于这一类 。标志生物传感器：标志生物传感器：化学反响具有一定的随机性、受环境要素影响较大化学反响具有一定的随机性、受环境要素影响较大放射性标志物对于任务人员也具有一定的危害放射性标志物对于任务人员也具有一定的危害 荧光检测时非特异性荧光会影响丈量结果荧光检测时非特异性荧光会影响丈量结果 测试仪器体积大、价钱昂贵、耗
5、时，需求专业人员完成测试仪器体积大、价钱昂贵、耗时，需求专业人员完成 指示剂价钱昂贵，要集合几十个样本同时丈量，让患者在等待中接受指示剂价钱昂贵，要集合几十个样本同时丈量，让患者在等待中接受 宏大的苦楚宏大的苦楚 缺陷：缺陷：免标志生物传感头是利用固免标志生物传感头是利用固定于传感器的生物膜吸附目定于传感器的生物膜吸附目的分子，经过折射率的变化的分子，经过折射率的变化监测目的分子的浓度和形状。监测目的分子的浓度和形状。 免标志生物传感器：免标志生物传感器：不需求对探测物进展标志，直接经过生化反响复合物构成时的不需求对探测物进展标志，直接经过生化反响复合物构成时的物理、化学变化进展丈量，极大地简
6、化了操作过程，因此免标物理、化学变化进展丈量，极大地简化了操作过程，因此免标志生物传感器的研讨成为了生物传感器的一个重要开展方向。志生物传感器的研讨成为了生物传感器的一个重要开展方向。 其微流控制才干有限且价钱相对昂贵其微流控制才干有限且价钱相对昂贵 外表等离子体谐振腔光学谐振腔经过多次循环添加光与物质的相互经过多次循环添加光与物质的相互作用，缺陷是构造微小稳定性差作用，缺陷是构造微小稳定性差 波导干涉仪需求很长的传感通道实现检测，不仅添需求很长的传感通道实现检测，不仅添加了传感器的大小而且需求大量的样品加了传感器的大小而且需求大量的样品 光子晶体受制造工艺的限制不易实现超高受制造工艺的限制不
7、易实现超高Q Q值谐值谐振腔，微流控制才干也较弱振腔，微流控制才干也较弱 光纤及其相关器件光纤及其相关器件分量轻、尺寸小、抗电磁干扰才干强、灵敏度高，遭到日益广泛分量轻、尺寸小、抗电磁干扰才干强、灵敏度高，遭到日益广泛的关注的关注 目前的免标志光学生物传感头主要有：外表等离子体谐振腔、光学谐振腔、波导干涉仪、目前的免标志光学生物传感头主要有：外表等离子体谐振腔、光学谐振腔、波导干涉仪、光子晶体和光纤及其相关器件。光子晶体和光纤及其相关器件。国内外研讨现状国内外研讨现状国外研讨现状国外研讨现状 早在1983年，Bo Liedberg等人就提出利用等离子共振技术用于免疫传感器的研制中。近几年，对于
8、免标志光纤传感器的研讨主要有： 一、光纤等离子共振传感器一、光纤等离子共振传感器 2021年，比利时Jeroen Pollet等人经过在纤芯外镀金膜实现等离子共振对DNA分子的杂交进展探测，到达了2nm的检测精度。二、光纤倏逝波生物传感器二、光纤倏逝波生物传感器 1 1、利用纤芯直接检测、利用纤芯直接检测 2021年，印度V.V.R. Sai等人利用这一方式在波长为280nm处对生物分子进展检测，实现了0.05mg/ml的检测精度； 2 2、对光纤进展弯曲检测、对光纤进展弯曲检测 2021年，V.V.R. Sai等人经过弯曲的方式将灵敏度提高到1000cfu/ml；3 3、光纤拉锥、光纤拉锥
9、2021年，伊朗Mohammad Ismail Zibaii等人经过拉锥的方法丈量大肠杆菌，到达了60 E.coli/mm2 的灵敏度。三、光纤光栅传感器三、光纤光栅传感器 丹麦技术大学的Lar Rindorf等人2006年初次用光子晶体长周期光纤光栅制造了DNA探针，用来实时监控双链DNA的杂合过程。 2021年，美国Zonghu,He等人，利用光子晶体光纤制造了长周期光栅检测羊抗兔IgG和羊抗鼠IgG，到达0.75nm的精度 国内研讨现状：国内研讨现状： 国内先后有清华大学、天津大学、四川大学、重庆大学、哈尔滨工程大学、燕山大学等多所高校正光纤生物传感器进展了研讨，并获得了阶段性成果，对免
10、标志光纤生物传感器的主要研讨有： 2006年，华侨大学庄其仁等利用LPG制造了可用于血液抗原检测的生物传感器。 2021年，天津大学李恩邦教授等提出基于多模干涉原理的光纤生物传感器对血液凝固过程进展检测 2021年，哈尔滨工程大学李金教授等利用FP腔光纤传感器检测光纤端面RNA固化情况 2021年，哈尔滨工程大学苑立波教授等，提出了一种基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器。 国内在微构造光纤光栅免标志记生物传感器方面的研讨还比较少。 纵观国内外现状，虽然光纤免标志生物传感器在纵观国内外现状，虽然光纤免标志生物传感器在国内外遭到日益广泛的关注，也进展了一些相关的实国内外遭到日益广泛的关注
11、，也进展了一些相关的实际和实验研讨，但是还不能满足生物传感器对灵敏度、际和实验研讨，但是还不能满足生物传感器对灵敏度、稳定性和实时检测的需求。而本工程所设计的微构造稳定性和实时检测的需求。而本工程所设计的微构造光纤光栅免标志生物传感器在这些方面都有一定的提光纤光栅免标志生物传感器在这些方面都有一定的提高，对免标志光纤生物传感器的研讨具有重要的意义。高，对免标志光纤生物传感器的研讨具有重要的意义。 关于本课题的前期预备关于本课题的前期预备l阅读了有关生物传感的一些文章l学习了利用COMSOL软件对光子晶体光纤进展模拟计算，并且可以利用MATLAB对COMSOL计算得到的结果进展进一步计算，从而得
12、到光纤光栅的谐振谱。l学习了利用Rsoft软件计算带隙型光子晶体光纤的带隙。研讨内容研讨内容l实际上研讨构造改动柚子型长周期光纤光栅与紫外曝光柚子型长周期光纤光栅的生物传感特性；l实验研讨这两种柚子型长周期光纤光栅的生物传感特性；l研讨光纤空气孔中充入被测物的折射率变化时，输出光谱的变化规律，改动光纤和光栅参数，计算相应的灵敏度课题方案方案：课题方案方案： 本本课课题题拟拟采采用用有有限限元元法法对对微微构构造造光光纤纤的的传传输输特特性性进进展展分分析析，利利用用耦耦合合模模实实际际和和传传输输矩矩阵阵法法仿仿真真计计算算光光纤纤光光栅栅输输出出光光谱谱。根根据据稳稳定定性性和和灵灵敏敏度度的的不不同同需需求求设设计计相相应应的的光光纤纤光光栅栅，研研讨讨光光纤纤空空气气孔孔中中充充入入被被测测物物的的折折射射率率变变化化时时，输输出出光光谱谱的的变变化化规规律律，并并建建立立相相应应的的数数学学模模型型。改改动动光纤和光栅参数，计算相应的灵敏度，调整和优化设计。光纤和光栅参数，计算相应的灵敏度，调整和优化设计。谢谢大家！谢谢大家！
