大角度倾斜光纤光栅表面等离激元生物传感器研究

论文摘要

表面等离激元（SPPs）所具有的独特光学性质,使得它被广泛地用于生物医学成像、传感、电化学、光电器件等各类领域,其中以其形成的表面等离子体共振的研究最为深入,根据色散关系的不同存在两种类型的表面等离子体共振（SPR）,一类是局域型（LSPR）,另一类是传导型（PSPR）。传统的基于表面等离激元的传感器均存在灵敏度不高、体积庞大等缺陷。在发展至今的光纤光栅传感器中,倾斜光纤光栅（TFG）以高灵敏度、免标记、装置精简的优点在传感领域有较大的优势,其中大角度倾斜光纤光栅（ExTFG）具有小角度光纤光栅（TFBG）所不及的强偏振性、更高灵敏度等独特优点。本文将ExTFG与SPPs结合制作出高灵敏度生物传感器,展开如下三部分研究内容:（1）基于ExTFG-LSPR折射率传感特性研究。分别使用金纳米壳与星型金纳米颗粒修饰ExTFG表面制作出ExTFG-LSPR传感器,通过实验对比这两种ExTFG-LSPR传感器的折射率传感特性,结果表明修饰星型金纳米颗粒的ExTFG传感器TM、TE模的谐振波长折射率灵敏度分别提高15.52nm/RIU、12.8nm/RIU,但共振吸收效应不明显;而修饰大尺寸金纳米壳的ExTFG在LSPR作用下,TM、TE模的波长折射率灵敏度分别提高31.1nm/RIU和26.99nm/RIU,同时,TM与TE模在C-L波段表现出明显的共振吸收,强度折射率灵敏度分别为10.17dB/RIU、13.1dB/RIU。此外,分析靠近金纳米壳吸收峰位置的短波段传感器光谱后,得到其TM与TE模强度折射率灵敏度分别为32.98dB/RIU、23.8dB/RIU,表明越靠近金纳米颗粒吸收峰位置,LSPR共振吸收越显著。（2）基于ExTFG-LSPR传感器的BSA分子检测研究。在所制作的ExTFG-LSPR表面修饰牛血清白蛋白（BSA）单克隆抗体,构成特异性生物传感器完成对不同浓度的BSA溶液的检测。实验结果表明该传感器的最低检测极限（LOD）达到0.075pM,同时与BSA浓度等级对应的谐振波长偏移量与浓度之间满足Langmuir吸附模型,根据此模型计算出该生物传感器的解离系数（Kd）与亲和系数（Ka）分别为1.6×10-14M和6.25×1013M-1。此外,通过特异性实验研究表明,该传感器对BSA分子具有良好的特异性识别能力。（3）ExTFG-PSPR传感器的性能研究与生物分子检测。利用小型离子溅射仪在ExTFG表面镀一层金膜进行折射率传感实验,通过对比镀金膜前后ExTFG的光谱,表明TM模可以与金膜的表面等离子体波产生作用激发PSPR效应;同时,镀金膜后传感器TM、TE模的波长折射率灵敏度分别提高16.2nm/RIU、12.5nm/RIU。在制作的ExTFG-PSPR传感器表面修饰BSA单克隆抗体对不同浓度的BSA溶液进行检测,初步验证了该传感器特异性检测生物分子的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题的研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 光纤表面等离激元生物传感器
•     1.2.2 光纤光栅表面等离激元生物传感器
•   1.3 本文内容结构及创新点
• 2 大角度倾斜光纤光栅基本理论及特性
•   2.1 倾斜光纤光栅的基本理论
•     2.1.1 倾斜光纤光栅的模式耦合
•     2.1.2 倾斜光纤光栅的传输耦合模理论
•   2.2 大角度倾斜光纤光栅制作及传感特性
•     2.2.1 大角度倾斜光纤光栅的制作
•     2.2.2 大角度倾斜光纤光栅传感特性
•   2.3 本章小结
• 3 大角度倾斜光纤光栅局域表面等离子体共振传感器
•   3.1 局域表面等离子体共振基本原理
•   3.2 金纳米颗粒形貌对LSPR的影响及应用
•     3.2.1 球状金纳米颗粒
•     3.2.2 星形金纳米颗粒
•     3.2.3 核壳型金纳米颗粒
•   3.3 大角度倾斜光纤光栅LSPR传感器制作及特性
•     3.3.1 实验装置
•     3.3.2 ExTFG-LSPR传感器的制作及实验样品
•     3.3.3 修饰金纳米壳与星型金纳米的ExTFG-LSPR传感器折射率灵敏度特性研究
•     3.3.4 修饰金纳米壳的ExTFG-LSPR在短波段的折射率灵敏度特性分析
•   3.4 本章小结
• 4 基于大角度倾斜光纤光栅LSPR生物传感器的牛血清白蛋白检测
•   4.1 牛血清白蛋白研究意义及现状
•   4.2 大角度倾斜光纤光栅LSPR生物传感器的制备
•     4.2.1 生物样品
•     4.2.2 ExTFG-LSPR生物传感器制作
•   4.3 ExTFG-LSPR生物传感器检测BSA及数据分析
•   4.4 本章小结
• 5 大角度倾斜光纤光栅传导型表面等离子体共振生物传感器
•   5.1 传导型表面等离子体共振的基本理论
•     5.1.1 衰减全反射与倏逝波理论
•     5.1.2 表面等离子体共振
•   5.2 传导型表面等离子体共振传感器的检测方法
•   5.3 大角度倾斜光纤光栅PSPR传感器的制作及折射率灵敏度研究
•     5.3.1 ExTFG-PSPR传感器的制作
•     5.3.2 ExTFG-PSPR传感器的折射率灵敏度特性
•   5.4 ExTFG-PSPR检测BSA实验结果及分析
•   5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 鲁姣

导师: 赵明富

关键词: 大角度倾斜光纤光栅,表面等离激元,局域性表面等离子体共振,传导型表面等离子体共振,生物传感

来源: 重庆理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 重庆理工大学

分类号: TN253;TP212.3

总页数: 71

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