免標(biāo)記光纖琺-珀生物傳感機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)、臨床診斷、藥物分析、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測及軍事生化檢測等領(lǐng)域具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。隨著二十一世紀(jì)人們對(duì)于醫(yī)療保健、食品安全及環(huán)境污染等問題的重視，開發(fā)高靈敏度、低成本、小型便攜、快速易操作的新型生物傳感器成為當(dāng)今社會(huì)的迫切需求。光纖傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾、生物相容性好等特點(diǎn)，近二十年來在生物傳感領(lǐng)域獲得了廣泛的研究和迅速的發(fā)展。將光纖傳感器與免標(biāo)記生物檢測技術(shù)相結(jié)合，直接利用生物反應(yīng)引起的光纖

2、中傳輸光參數(shù)的變化對(duì)待測物進(jìn)行檢測，可以免去標(biāo)記過程，節(jié)省時(shí)間和成本，并且能夠?qū)ι锓磻?yīng)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行原位、實(shí)時(shí)、在線的檢測。因此，免標(biāo)記光纖生物傳感器具有極大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景，近年來已成為生物傳感器領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。
　　然而總體來說，目前免標(biāo)記光纖生物傳感器仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。面對(duì)實(shí)際應(yīng)用中外界環(huán)境干擾、待測物濃度低和組份復(fù)雜等問題，如何進(jìn)一步提高免標(biāo)記光纖生物傳感器的靈敏度、抗干擾能力、穩(wěn)定性、重復(fù)性和特異性等是急需解

3、決的難題。光纖器件本身具有較高的靈敏度，但同時(shí)也容易受到外界環(huán)境溫度擾動(dòng)和振動(dòng)等因素的交叉影響，其抗干擾能力有待提高。生物分子識(shí)別元件在傳感器表面的固定是制備生物傳感器的關(guān)鍵，生物分子在傳感器表面的修飾密度和活性的保持等因素，直接影響到生物傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性、檢測范圍、特異性和重復(fù)性等性能。近年來，各類新型納米材料的發(fā)展為構(gòu)建生物傳感界面、提高檢測性能開創(chuàng)了新的局面。
　　本文主要對(duì)基于空芯光子晶體光纖(hollow-core

4、 photonic crystal fiber,HCPCF)的光纖琺-珀(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)免標(biāo)記生物傳感器進(jìn)行了理論分析和初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以基于HCPCF的光纖F-P傳感器作為生物傳感換能器，將固定在其端面的生物分子識(shí)別元件與待測物結(jié)合時(shí)引起的生物分子膜折射率或厚度的變化，轉(zhuǎn)換成輸出干涉譜的變化。該傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)，探針式結(jié)構(gòu)以及反射式信號(hào)探測方式使得檢測更為簡便靈活，為免標(biāo)記生物檢測提供了一種新的手段。

5、本文進(jìn)一步提出利用新型碳納米材料一一氧化石墨烯來構(gòu)建生物傳感檢測界面，利用氧化石墨烯良好的生物相容性和大的比表面積等特性，來提高生物分子的修飾效果，進(jìn)而提高生物傳感器的檢測性能。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)針對(duì)基于HCPCF的光纖F-P傳感器，首先采用菲涅爾反射原理和三光束干涉模型對(duì)傳感器的輸出干涉譜進(jìn)行仿真，分析了傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)干涉譜對(duì)比度的影響。折射率檢測是免標(biāo)記光纖生物傳感的基礎(chǔ)，對(duì)基于HCPCF的光纖F-P傳感器

6、的折射率響應(yīng)特性進(jìn)行了理論分析，結(jié)果顯示，傳感器干涉譜的干涉條紋對(duì)比度隨外喬折射率的增大而減小，在較大的折射率范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性響應(yīng)，進(jìn)一步分析了傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)折射率響應(yīng)靈敏度的影響。同時(shí)，對(duì)傳感器的溫度敏感特性進(jìn)行了理論分析，結(jié)果表明，外界環(huán)境溫度的變化會(huì)引起干涉條紋波長的漂移，而對(duì)干涉條紋對(duì)比度幾乎沒有影響。因此，通過解調(diào)干涉譜條紋對(duì)比度和波長，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界折射率和溫度的同時(shí)測量。
　　(2)采用電弧放電熔接法制作了基于

7、HCPCF的光纖F-P傳感器，并利用不同濃度的蔗糖溶液對(duì)傳感器的折射率響應(yīng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在1.33-1.44RIU(refractive index unit，RIU)的折射率范圍內(nèi)，傳感器檢測呈現(xiàn)良好的線性度和重復(fù)性，靈敏度約為-136dB/RIU。利用制作的光纖F-P傳感器，根據(jù)酵母菌生長過程中培養(yǎng)液折射率的變化，對(duì)酵母菌的生長過程進(jìn)行了檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該傳感器對(duì)于微小折射率變化具有較強(qiáng)的分辨能力。此外，提出一

8、種新的基于光譜差分積分（spectrum differential integration，SDI）計(jì)算的數(shù)據(jù)分析方法，有利于提高折射率解調(diào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　(3)提出了基于HCPCF的光纖F-P免標(biāo)記免疫傳感器，利用固定在光纖端面的抗體與抗原結(jié)合后引起的蛋白質(zhì)分子膜折射率和厚度的變化，對(duì)免疫反應(yīng)過程進(jìn)行檢測。首先在理論上，建立覆膜光纖F-P傳感器四光束干涉模型，對(duì)傳感器免疫檢測原理進(jìn)行了仿真分析。在實(shí)驗(yàn)中，將光纖傳感器端面進(jìn)行

9、硅烷化處理和戊二醛修飾后，采用共價(jià)結(jié)合的方式固定羊抗兔免疫球蛋白G(immunoglobulin G，IgG)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兔IgG的檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了該傳感器在免疫檢測中的可行性。
　　(4)提出氧化石墨烯覆膜的光纖F-P兔標(biāo)記免疫傳感器，利用氧化石墨烯良好的生物相容性和大的比表面積等特性，來提高傳感器端面抗體的固定效果和對(duì)抗原檢測的靈敏性。首先，采用不同方法在光纖端面制備氧化石墨烯薄膜，并利用掃描電子顯微鏡對(duì)薄膜進(jìn)行表征和對(duì)

10、比分析。在光纖F-P傳感器端面涂覆氧化石墨烯薄膜，對(duì)氧化石墨烯覆膜光纖F-P傳感器的干涉譜進(jìn)行了仿真，理論分析了覆膜厚度對(duì)干涉譜的影響。免疫實(shí)驗(yàn)中，在氧化石墨烯覆膜的光纖F-P傳感器端面固定羊抗兔IgG，對(duì)兔IgG進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，覆膜之后的傳感器對(duì)于抗體固定以及抗原抗體結(jié)合引起的輸出干涉譜信號(hào)變化更為明顯，初步驗(yàn)證了氧化石墨烯覆膜對(duì)于傳感器檢測性能的提升。
　　(5)作為基于HCPCF的光纖F-P傳感器在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域濕度