【摘 要】
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生物传感器因结构设计简单、普适性高、精确可靠以及能在低浓度下对生物参量实现快速灵敏的检测等性能优势,已广泛应用于疾病的诊断与控制、对环境变化状况的监测与预测、药物的研制与改进及食品安全等方面。光纤Bragg光栅(FBG)作为无源光学器件的最典型代表,具有灵敏度高、结构简单、绝对测量、不受电磁干扰、体积小以及在临床应用中具有多路复用等优点,因此在生物医学检测领域具有应用潜力和科研实用价值。由于FBG
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生物传感器因结构设计简单、普适性高、精确可靠以及能在低浓度下对生物参量实现快速灵敏的检测等性能优势,已广泛应用于疾病的诊断与控制、对环境变化状况的监测与预测、药物的研制与改进及食品安全等方面。光纤Bragg光栅(FBG)作为无源光学器件的最典型代表,具有灵敏度高、结构简单、绝对测量、不受电磁干扰、体积小以及在临床应用中具有多路复用等优点,因此在生物医学检测领域具有应用潜力和科研实用价值。由于FBG栅区呈规则的的圆并且光栅周期较短,光能量只在纤芯正反向基模之间耦合,倏逝场不能透过包层与外界介质相互作用,因此利用氢氟酸(HF)溶液腐蚀,以去除光栅段的包层得到腐蚀型FBG(Etched-FBG),使其倏逝场能感知外界环境折射率(RI)的变化。为进一步提高FBG对周围环境的折射率灵敏度,通过硅烷偶联剂(APTES)在Etched-FBG表面固定大尺寸纳米金壳(Au NS),当FBG纤芯基模耦合到Au NS表面的光频率与Au NS外层的自由电子震荡频率相等时,将会激发出局域表面等离子效应(LSPR),制备一个在低折射率范围内具有高灵敏度的Etched-FBGLSPR的免疫传感器,并应用于犬瘟热病毒的检测。本课题的研究内容主要如下:(1)本文对国内外光纤光栅传感器和LSPR传感器的发展状况以及应用于生物传感的光纤光栅LSPR传感器进行了详细阐述。根据FBG的耦合理论、传感原理以及LSPR的传感原理,分析了Etched-FBG-LSPR传感器的光谱特性以及Au NS颗粒对LSPR效应的影响因素。(2)根据传感理论模型,利用仿真软件Mode Solutions对FBG、Etched-FBG的折射率灵敏度以及修饰大尺度Au NS改性后Etched-FBG的模场变化进行了仿真。仿真结果表明:Etched-FBG传感器的谐振波长折射率灵敏度为11.17 nm/RIU,谐振强度灵敏度为3.14 d B/RIU;在Etched-FBG传感器表面修饰Au NS后,使传感器的光损耗增加,同时展宽反射光谱。利用实验分析了Etched-FBG传感器和EtchedFBG-LSPR传感器的光谱变化情况,结果表明:用HF将FBG腐蚀至纤芯,其谐振波长发生蓝移(短波方向移动),在1.333到1.357折射率范围内,Etched-FBG传感器的谐振波长灵敏度为15.148 nm/RIU,谐振强度灵敏度为1.19 d B/RIU。在修饰Au NS后的Etched-FBG-LSPR传感器,由于受到了传感器表面的Au NS集体共振,产生了LSPR效应,从而导致了光波损耗,其谐振波长灵敏度为15.824 nm/RIU,谐振强度灵敏度为-21.123 d B/RIU,后者较前者提升~20倍;此时谐振强度衰减,强度灵敏度增强,反射光谱展宽,实验结果与仿真结果相吻合。修饰纳米金壳前后Etched-FBG传感器谐振波长灵敏度基本没变,但基于谐振强度的灵敏度提高了~20倍。(3)制作Etched-FBG-LSPR的犬瘟热病毒(CDV)免疫传感器。针对FBG的倏逝场与外界环境相互作用微弱的问题,用HF腐蚀FBG的栅区,随后在其表面涂覆一层Au NS颗粒,并修饰CDV抗体,得到Etched-FBG-LSPR免疫传感器,并应用于犬瘟热病毒检测。实验结果表明:该传感器对CDV抗原检测灵敏度为~-0.046d B/log(mg/m L),饱和浓度为~10μg/ml,检测极限低于50 pg/m L,检测范围为50pg/ml~10μg/ml。此外,利用禽流感(H9N2)抗原溶液、狂犬病毒(RV)抗原溶液、新城疫(ND)抗原溶液和CDV抗原溶液进行对照检测实验:实现结果表明即使在复杂环境当中,Etched-LSPR-FBG生物传感器仍然具有良好的特异性和临床性。
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