微結(jié)構(gòu)長(zhǎng)周期光纖光柵生物傳感特性的研究開題報(bào)告

1、3.前期準(zhǔn)備與計(jì)劃方案,2.課題國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,1.課題背景及意義,課題研究背景,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是生命科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等新興科學(xué)的發(fā)展，分析化學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)越來越大，生物大分子分析、藥物分析、生物活性物質(zhì)分析等大量新課題不斷涌現(xiàn)，而且對(duì)分析結(jié)果的要求也越來越高，不再局限于物質(zhì)中“有什么”和“有多少”，而是要在較短時(shí)間內(nèi)提供物質(zhì)更多、更全面的信息，生物傳感器正是在此背景下發(fā)展起來的一種新型集成分析測(cè)試裝置。早在20世紀(jì)60年

2、代就有關(guān)于生物傳感器研究的報(bào)導(dǎo)，國(guó)際上從20世紀(jì)80年代初就開始對(duì)生物傳感器進(jìn)行了廣泛的研究和探索。雖然實(shí)用化的生物傳感器設(shè)備直到20世紀(jì)90年代才陸續(xù)推出，并且為數(shù)不多，但是其在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，它不僅可以勝任普通生物分析手段能夠完成各種測(cè)試，還能進(jìn)行一些普通測(cè)試手段無法完成的任務(wù)，比如無標(biāo)記的免疫檢測(cè)、在線分析甚至活體分析等，此外，它還可以讓生物分析走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入普通百姓家庭。,課題研究意義,生物傳感器是利用生物活性

3、物質(zhì)分子識(shí)別的功能，將感受的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，是一個(gè)非?；钴S的研究和工程技術(shù)領(lǐng)域，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)手段與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。因?yàn)樯飩鞲衅鲗Ｒ?，靈敏，響應(yīng)快等特點(diǎn)，為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究及臨床診斷提供了一種快速簡(jiǎn)便的新型方法，在臨床醫(yī)學(xué)中發(fā)揮著越來越大的作用，意義極為重大。長(zhǎng)周期光纖光柵是一種纖芯折射率周期性調(diào)制的無源光纖器件，由于具有易于制造、介質(zhì)損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，已廣

4、泛的應(yīng)用于光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域。光纖光柵生物傳感利用了長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率敏感特性，當(dāng)外界環(huán)境折射率變化時(shí)，其諧振波長(zhǎng)將發(fā)生明顯的漂移，從而達(dá)到生物分子的檢測(cè)。,,,生物傳感器的分類：,標(biāo)記型生物傳感器免標(biāo)記型生物傳感器,,按照是否使用標(biāo)記物可以分為兩類：,檢測(cè)時(shí)先用標(biāo)記物如熒光素、放射性同位素、酶等對(duì)被測(cè)物進(jìn)行標(biāo)記，然后通過檢測(cè)標(biāo)記物的信息來獲取被探測(cè)物的相應(yīng)信息。目前使用的免疫傳感器基本都屬于這一類 。,標(biāo)記生物傳感器：,化學(xué)

5、反應(yīng)具有一定的隨機(jī)性、受環(huán)境因素影響較大放射性標(biāo)記物對(duì)于工作人員也具有一定的危害 熒光檢測(cè)時(shí)非特異性熒光會(huì)影響測(cè)量結(jié)果 測(cè)試儀器體積大、價(jià)格昂貴、耗時(shí)，需要專業(yè)人員完成 指示劑價(jià)格昂貴，要集合幾十個(gè)樣本同時(shí)測(cè)量，讓患者在等待中承受 巨大的痛苦,缺點(diǎn)：,免標(biāo)記生物傳感頭是利用固定于傳感器的生物膜吸附目標(biāo)分子，通過折射率的變化監(jiān)測(cè)目標(biāo)分子的濃度和狀態(tài)。,免標(biāo)記生物傳感器：,不需要對(duì)探測(cè)物進(jìn)行標(biāo)記，直接通過生化反應(yīng)復(fù)合物形成

6、時(shí)的物理、化學(xué)變化進(jìn)行測(cè)量，極大地簡(jiǎn)化了操作過程，因此免標(biāo)記生物傳感器的研究成為了生物傳感器的一個(gè)重要發(fā)展方向。,,其微流控制能力有限且價(jià)格相對(duì)昂貴,表面等離子體諧振腔,光學(xué)諧振腔,通過多次循環(huán)增加光與物質(zhì)的相互作用，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)微小穩(wěn)定性差,波導(dǎo)干涉儀,需要很長(zhǎng)的傳感通道實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，不僅增加了傳感器的大小而且需要大量的樣品,光子晶體,受制作工藝的限制不易實(shí)現(xiàn)超高Q值諧振腔，微流控制能力也較弱,光纖及其相關(guān)器件,重量輕、尺寸小、抗電磁干擾能

7、力強(qiáng)、靈敏度高，受到日益廣泛的關(guān)注,目前的免標(biāo)記光學(xué)生物傳感頭主要有：表面等離子體諧振腔、光學(xué)諧振腔、波導(dǎo)干涉儀、光子晶體和光纖及其相關(guān)器件。,,國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國(guó)外研究現(xiàn)狀,早在1983年，Bo Liedberg等人就提出利用等離子共振技術(shù)用于免疫傳感器的研制中。近幾年，對(duì)于免標(biāo)記光纖傳感器的研究主要有：,一、光纖等離子共振傳感器,2009年，比利時(shí)Jeroen Pollet等人通過在纖芯外鍍金膜實(shí)現(xiàn)等離子共振對(duì)DNA分子的雜交進(jìn)行探

8、測(cè)，達(dá)到了2nm的檢測(cè)精度。,二、光纖倏逝波生物傳感器,1、利用纖芯直接檢測(cè),2010年，印度V.V.R. Sai等人利用這一方式在波長(zhǎng)為280nm處對(duì)生物分子進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了0.05mg/ml的檢測(cè)精度；,2、對(duì)光纖進(jìn)行彎曲檢測(cè),2011年，V.V.R. Sai等人通過彎曲的方式將靈敏度提高到1000cfu/ml；,3、光纖拉錐,2010年，伊朗Mohammad Ismail Zibaii等人通過拉錐的方法測(cè)量大腸桿菌，達(dá)到了60 E

9、.coli/mm2 的靈敏度。,三、光纖光柵傳感器,丹麥技術(shù)大學(xué)的Lar Rindorf等人2006年首次用光子晶體長(zhǎng)周期光纖光柵制作了DNA探針，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控雙鏈DNA的雜合過程。,2011年，美國(guó)Zonghu,He等人，利用光子晶體光纖制作了長(zhǎng)周期光柵檢測(cè)羊抗兔IgG和羊抗鼠IgG，達(dá)到0.75nm的精度,國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀：,國(guó)內(nèi)先后有清華大學(xué)、天津大學(xué)、四川大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、燕山大學(xué)等多所高校對(duì)光纖生物傳感器進(jìn)行了研究，

10、并取得了階段性成果，對(duì)免標(biāo)記光纖生物傳感器的主要研究有：,2006年，華僑大學(xué)莊其仁等利用LPG制作了可用于血液抗原檢測(cè)的生物傳感器。,2009年，天津大學(xué)李恩邦教授等提出基于多模干涉原理的光纖生物傳感器對(duì)血液凝固過程進(jìn)行檢測(cè),2009年，哈爾濱工程大學(xué)李金教授等利用FP腔光纖傳感器檢測(cè)光纖端面RNA固化情況,2010年，哈爾濱工程大學(xué)苑立波教授等，提出了一種基于環(huán)形芯波導(dǎo)的等離子體諧振式光纖生物傳感器。,國(guó)內(nèi)在微結(jié)構(gòu)光纖光柵免標(biāo)記記生

11、物傳感器方面的研究還比較少。,縱觀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，雖然光纖免標(biāo)記生物傳感器在國(guó)內(nèi)外受到日益廣泛的關(guān)注，也進(jìn)行了一些相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，但是還不能滿足生物傳感器對(duì)靈敏度、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求。而本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)光纖光柵免標(biāo)記生物傳感器在這些方面都有一定的提高，對(duì)免標(biāo)記光纖生物傳感器的研究具有重要的意義。,,關(guān)于本課題的前期準(zhǔn)備,閱讀了有關(guān)生物傳感的一些文章學(xué)習(xí)了利用COMSOL軟件對(duì)光子晶體光纖進(jìn)行模擬計(jì)算，并且能夠利用MATLAB

12、對(duì)COMSOL計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，從而得到光纖光柵的諧振譜。學(xué)習(xí)了利用Rsoft軟件計(jì)算帶隙型光子晶體光纖的帶隙。,研究?jī)?nèi)容,理論上研究結(jié)構(gòu)改變柚子型長(zhǎng)周期光纖光柵與紫外曝光柚子型長(zhǎng)周期光纖光柵的生物傳感特性；實(shí)驗(yàn)研究這兩種柚子型長(zhǎng)周期光纖光柵的生物傳感特性；研究光纖空氣孔中充入被測(cè)物的折射率變化時(shí)，輸出光譜的變化規(guī)律，改變光纖和光柵參數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的靈敏度,課題計(jì)劃方案：,本課題擬采用有限元法對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖的傳輸特性進(jìn)行分