1、微结构长周期光纤光栅生物传感特性的研究指导教师：毕卫红 教授 研究生：王凌霄专业：物理电子学第1页，共16页。3.前期准备与计划方案2.课题国内外发展现状1.课题背景及意义第2页，共16页。课题研究背景课题研究背景l随着现代科学技术的发展，特别是生命科学、临床医学等新兴科学的发展，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发展起来的一种新型集成分析测试装置。l早在20世纪60年代就有关于生物传感器研究的
2、报导，国际上从20世纪80年代初就开始对生物传感器进行了广泛的研究和探索。虽然实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，但是其在实际应用中已经表现出极大的优势，它不仅可以胜任普通生物分析手段能够完成各种测试，还能进行一些普通测试手段无法完成的任务，比如无标记的免疫检测、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。第3页，共16页。课题研究意义课题研究意义l生物传感器是利用生物活性物质分子识别的功能，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器，是一个非常活跃的研究和工程技术领域，是发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
3、质分子水平的快速、微量分析方法。因为生物传感器专一，灵敏，响应快等特点，为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，在临床医学中发挥着越来越大的作用，意义极为重大。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、结构紧凑等优点，已广泛的应用于光纤通信和光纤传感领域。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，从而达到生物分子的检测。第4页，共16页。生物传感器的分类：生物传感器的分类：标记型生物传感器标记型生物传感器免标记型生物传感器免标记型生物传感器 按照是否使用标记物可以分为两类
4、：按照是否使用标记物可以分为两类：检测时先用标记物如荧光素、放射性同位素、酶等对被测物进行检测时先用标记物如荧光素、放射性同位素、酶等对被测物进行标记，然后通过检测标记物的信息来获取被探测物的相应信息。标记，然后通过检测标记物的信息来获取被探测物的相应信息。目前使用的免疫传感器基本都属于这一类目前使用的免疫传感器基本都属于这一类。标记生物传感器：标记生物传感器：化学反应具有一定的随机性、受环境因素影响较大化学反应具有一定的随机性、受环境因素影响较大放射性标记物对于工作人员也具有一定的危害放射性标记物对于工作人员也具有一定的危害 荧光检测时非特异性荧光会影响测量结果荧光检测时非特异性荧光会影响测
5、量结果 测试仪器体积大、价格昂贵、耗时，需要专业人员完成测试仪器体积大、价格昂贵、耗时，需要专业人员完成 指示剂价格昂贵，要集合几十个样本同时测量，让患者在等待中承受指示剂价格昂贵，要集合几十个样本同时测量，让患者在等待中承受 巨大的痛苦巨大的痛苦 缺点：缺点：第5页，共16页。免标记生物传感头是利用固定免标记生物传感头是利用固定于传感器的生物膜吸附目标分于传感器的生物膜吸附目标分子，通过折射率的变化监测目子，通过折射率的变化监测目标分子的浓度和状态。标分子的浓度和状态。免标记生物传感器：免标记生物传感器：不需要对探测物进行标记，直接通过生化反应复合物形成时的物理、化学变不需要对探测物进行标记
6、，直接通过生化反应复合物形成时的物理、化学变化进行测量，极大地简化了操作过程，因此免标记生物传感器的研究成为了化进行测量，极大地简化了操作过程，因此免标记生物传感器的研究成为了生物传感器的一个重要发展方向。生物传感器的一个重要发展方向。第6页，共16页。其微流控制能力有限且价格相对昂贵其微流控制能力有限且价格相对昂贵 表面等离子体谐振腔光学谐振腔通过多次循环增加光与物质的相互作用，通过多次循环增加光与物质的相互作用，缺点是结构微小稳定性差缺点是结构微小稳定性差 波导干涉仪需要很长的传感通道实现检测，不仅增加了需要很长的传感通道实现检测，不仅增加了传感器的大小而且需要大量的样品传感器的大小而且需
7、要大量的样品 光子晶体受制作工艺的限制不易实现超高受制作工艺的限制不易实现超高Q Q值谐振腔，值谐振腔，微流控制能力也较弱微流控制能力也较弱 光纤及其相关器件光纤及其相关器件重量轻、尺寸小、抗电磁干扰能力强、灵敏度高，受到日益广泛的关注重量轻、尺寸小、抗电磁干扰能力强、灵敏度高，受到日益广泛的关注 目前的免标记光学生物传感头主要有：表面等离子体谐振腔、光学谐振腔、波导干涉仪、光子目前的免标记光学生物传感头主要有：表面等离子体谐振腔、光学谐振腔、波导干涉仪、光子晶体和光纤及其相关器件。晶体和光纤及其相关器件。国内外研究现状国内外研究现状第7页，共16页。国外研究现状国外研究现状 早在1983年，
8、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，对于免标记光纤传感器的研究主要有：一、光纤等离子共振传感器一、光纤等离子共振传感器 2009年，比利时Jeroen Pollet等人通过在纤芯外镀金膜实现等离子共振对DNA分子的杂交进行探测，达到了2nm的检测精度。第8页，共16页。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 2010年，印度V.V.R.Sai等人利用这一方式在波长为280nm处对生物分子进行检测，实现了0.05mg/ml的检测精度；2 2、对光纤进行弯曲检测、对光纤进行弯曲检测 2011年，V.
9、V.R.Sai等人通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 2010年，伊朗Mohammad Ismail Zibaii等人通过拉锥的方法测量大肠杆菌，达到了60 E.coli/mm2 的灵敏度。第9页，共16页。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年首次用光子晶体长周期光纤光栅制作了DNA探针，用来实时监控双链DNA的杂合过程。2011年，美国Zonghu,He等人，利用光子晶体光纤制作了长周期光栅检测羊抗兔IgG和羊抗鼠IgG，达到0.75nm的精度 第10页，共16页。国内研究现状：国内研究现状：国内先
10、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对光纤生物传感器进行了研究，并取得了阶段性成果，对免标记光纤生物传感器的主要研究有：2006年，华侨大学庄其仁等利用LPG制作了可用于血液抗原检测的生物传感器。2009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行检测 2009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 2010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。国内在微结构光纤光栅免标记记生物传感器方面的研究还比较少。第11页，共16页。纵观国内外现
11、状，虽然光纤免标记生物传感器在国内外纵观国内外现状，虽然光纤免标记生物传感器在国内外受到日益广泛的关注，也进行了一些相关的理论和实验研究，受到日益广泛的关注，也进行了一些相关的理论和实验研究，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。而本项目所设计的微结构光纤光栅免标记生物传感器需求。而本项目所设计的微结构光纤光栅免标记生物传感器在这些方面都有一定的提高，对免标记光纤生物传感器的研在这些方面都有一定的提高，对免标记光纤生物传感器的研究具有重要的意义。究具有重要的意义。第12页，共16页。关于本课题的前期准备关于本课题的前期准备
12、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行模拟计算，并且能够利用MATLAB对COMSOL计算得到的结果进行进一步计算，从而得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。第13页，共16页。研究内容研究内容l理论上研究结构改变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实验研究这两种柚子型长周期光纤光栅的生物传感特性；l研究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，改变光纤和光栅参数，计算相应的灵敏度第14页，共16页。课题计划方案：课题计划方案：本课题拟采用有限元法对微结构光纤的传输特性进行分析，利用耦合模理论和传输矩阵法仿真计算光纤光栅输出光谱。根据稳定性和灵敏度的不同需求设计相应的光纤光栅，研究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，并建立相应的数学模型。改变光纤和光栅参数，计算相应的灵敏度，调整和优化设计。第15页，共16页。谢谢大家！谢谢大家！第16页，共16页。
