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《复旦大学》 2014年
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高灵敏光微流回音壁模式微腔生化传感器

张兴旺  
【摘要】:生化传感器是生物化学检测所必需的器件。近年来,光微流回音壁模式微腔生化传感器因具有传感器体积小、所需待测样品量少、可实时检测、响应速度快、灵敏度更高、探测极限更低等优点,成为生化传感领域的研究热点。本论文主要研究光微流回音壁模式微腔生化传感器新的传感机理,旨在提高生化传感的灵敏度和降低探测极限。本论文的主要创新点是:1.采用多腔耦合结构,增强了回音壁模式微腔激光器的边模抑制能力;在此基础上发展了回音壁模式耦合微腔激光传感器,并提出了利用耦合微腔激光传感器的调制包络传感机制,可突破单微腔传感灵敏度理论极限。利用光微流回音壁模式耦合微腔激光传感器腔内传感和游标效应,实验上获得高达5930 nm/RIU的传感灵敏度,探测极限最低可达10-7RIU。2.采用光微流耦合微瓶传感器检测生物分子,测到了2 pg/mL的HIV-1 p24抗原,等噪声探测极限为140 fg/mL;提出并验证了模式差分传感法来有效降低测量噪声,噪声降低了1-2个量级,对1 pg/mL牛血清蛋白(BSA)测量的信噪比高达104,等噪声探测极限低至10 fg/mL(~0.15 fM)利用金纳米棒的局域表面等离子体共振(LSPR),将单纳米颗粒探测灵敏度提高了16倍,在实验中测到了单个R=50 nm的聚苯乙烯(PS)小球。3.提出光微流微管FRET激光传感器可增强生物分子结构变化的检测灵敏度,并在实验上验证了其对DNA结构变化的检测灵敏度比传统的荧光FRET检测法高16倍,对蛋白质间相互作用检测的灵敏度比传统的荧光FRET方法高21倍。
【关键词】:生化传感 光学微腔 高灵敏度 低探测极限 光微流
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TP212
【目录】:
  • 摘要6-7
  • Abstract7-8
  • 第一章 绪论8-36
  • 1.1 研究背景8-9
  • 1.2 光学生化传感器概况9-15
  • 1.2.1 折射率传感9-13
  • 1.2.2 非折射率传感13-15
  • 1.3 光学微腔生化传感器15-23
  • 1.3.1 Fabry-Perot微腔生化传感器16-17
  • 1.3.2 光子晶体微腔生化传感器17-18
  • 1.3.3 回音壁模式微腔折射率传感器18-22
  • 1.3.4 回音壁模式微腔非折射率传感器22-23
  • 1.4 论文内容安排23-24
  • 参考文献24-36
  • 第二章 理论和实验方法36-48
  • 2.1 回音壁模式微腔的理论36-42
  • 2.1.1 环形微腔(微瓶、微管和微环)理论37-41
  • 2.1.2 耦合环形微腔理论41-42
  • 2.2 回音壁模式微腔的制备方法42-46
  • 2.2.1 微环谐振腔制备方法42-44
  • 2.2.2 微管谐振腔制备方法44-45
  • 2.2.3 微瓶谐振腔制备方法45-46
  • 2.3 回音壁模式微腔的测量方法46
  • 2.3.1 有源回音壁模式微腔的测量方法46
  • 2.3.2 无源回音壁模式微腔的测量方法46
  • 2.4 本章小结46-47
  • 参考文献47-48
  • 第三章 光微流耦合微环激光传感器48-69
  • 3.1 研究背景48
  • 3.2 耦合微环激光器理论48-51
  • 3.3 耦合微环激光传感器51-58
  • 3.3.1 样品制备52-53
  • 3.3.2 实验装置53
  • 3.3.3 实验结果与分析53-58
  • 3.4 光微流耦合微环激光传感器58-66
  • 3.4.1 样品制备59-60
  • 3.4.2 实验装置60-61
  • 3.4.3 实验结果与分析61-66
  • 3.5 本章小结66
  • 参考文献66-69
  • 第四章 光微流微瓶传感器69-100
  • 4.1 研究背景69-70
  • 4.2 实验部分70-72
  • 4.2.1 微瓶的制备70
  • 4.2.2 熔锥光纤的制备70-71
  • 4.2.3 金纳米棒的合成71-72
  • 4.2.4 实验装置72
  • 4.3 光微流耦合微瓶传感器对HIV-1 p24抗原的检测72-79
  • 4.3.1 光微流耦合微瓶谐振腔传感特性模拟72-74
  • 4.3.2 实验结果与分析74-79
  • 4.4 自参考型光微流微瓶差分生物传感器79-90
  • 4.4.1 光微流微瓶谐振腔噪声理论分析79-80
  • 4.4.2 实验结果与分析80-90
  • 4.5 LSPR增强的光微流微瓶传感器90-95
  • 4.5.1 光微流微瓶谐振腔单纳米颗粒探测理论91-92
  • 4.5.2 实验结果与分析92-95
  • 4.6 本章小结95-96
  • 参考文献96-100
  • 第五章 生物光微流微管FRET激光传感器100-117
  • 5.1 研究背景100-101
  • 5.2 荧光能量共振转移(FRET)原理101-102
  • 5.3 实验部分102-104
  • 5.3.1 DNA样品的制备和检测102-103
  • 5.3.2 蛋白质样品的制备和检测103-104
  • 5.4 实验结果与分析104-111
  • 5.4.1 光微流微管激光器104-105
  • 5.4.2 生物光微流微管激光传感器—DNA检测105-109
  • 5.4.3 生物光微流微管激光传感器—蛋白质检测109-111
  • 5.5 本章小结111-113
  • 参考文献113-117
  • 第六章 其他工作117-127
  • 6.1 光微流微瓶谐振腔倏逝场对纳米颗粒的捕获117-118
  • 6.2 基于液晶光微流微瓶谐振腔的全光开关118-125
  • 6.2.1 样品的制备119-120
  • 6.2.2 实验装置120
  • 6.2.3 实验结果与分析120-125
  • 6.3 本章小结125
  • 参考文献125-127
  • 第七章 总结与展望127-130
  • 7.1 总结127-128
  • 7.2 展望128-130
  • 附录130-132
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文130-131
  • 第一作者论文130
  • 非第一作者论文130-131
  • 攻读博士学位期间所做的学术会议报告131-132
  • 致谢132-133

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