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基于马赫泽德结构的差分干涉SPR传感系统与生物医学检测应用研究

作　者: 王弋嘉
导　师: 袁小聪
学　校: 南开大学
专　业: 光学工程
关键词: 表面等离子体共振传感器差分干涉马赫泽德表面等离子体共振成像分辨率乙肝表面抗原
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)传感器是一种用于探测传感芯片表面折射率变化的传感器,它主要适用于对大分子结合反应的实时测量,自从上世纪80年代开始,SPR传感器已经广泛应用于生物医学领域,并有一系列商用传感器面世。SPR传感器最重要的性能指标是分辨率和动态范围,在SPR的四种检测方式(强度、角度、波长、相位)之中,相位检测方法具有最高的灵敏度,但由于其光路复杂、易受环境噪声影响以及动态范围较窄,限制了它的使用。本研究搭建的基于马赫泽德结构的差分干涉型SPR传感系统是一种新型的相位调制型SPR系统,它在拥有高灵敏度优点的同时,可大幅降低环境噪声,从而达到很高的分辨率,并且由于该系统从时间轴提取相位信息,在进行SPR成像传感时不损失空间分辨率,与传统的相位调制型SPR成像技术相比具有很大优势。本文首先介绍了SPR技术的基本理论,并在该理论基础上分析了影响相位调制型SPR传感器灵敏度和动态范围的四大因素：金属介电常数、入射光波长、金膜厚度和入射角度,其中金膜厚度是一个易于调节的因素,可以在动态范围满足测量要求的基础上尽可能提高灵敏度,并进行了实验验证。搭建了基于马赫泽德结构的差分干涉型SPR传感器,介绍了本系统提取相位信息的方法和差分干涉降低噪声的原理,编写了相位提取程序,在程序中使用非线性拟合及取平均的方法降低了系统噪声。制作了微流控系统,使用轮廓仪测量高真空镀膜机蒸镀所得金膜的厚度,从而选取厚度为45nm左右的金膜进行传感芯片的制作,将使用模塑法制作的PDMS基片和传感芯片进行氧离子键合以制成微流槽。通过精确调节入射角,尽可能减小入射角与SPR角的误差以发挥相位调制SPR传感器高灵敏度的优势,确定系统达到最高分辨率所需测量次数为15次,通过测量一系列折射率的NaCl溶液,确定了系统的分辨率为10(?)折射率单位。进行了基于马赫泽德结构的差分干涉SPR成像传感器的研究工作,虽然差分干涉SPR传感器提取相位的方式不损失空间分辨率,但该方法需要将p光和s光两幅干涉图进行对准后提取相位,本研究使用光阑增加参考光图样的相似性,并进行互相关运算来优化对准效果。由于硬件性能的限制,系统中使用CCD采集图像数据的频率为30帧／s,在程序中采取局部多项式最小二乘曲线拟合法尽量减小由采集频率较低造成的误差。调节压电陶瓷的移动速度至0.6um／s,以弥补较低采集频率带来的误差,程序计算所得相变值的误差为±0.65,通过测量一系列折射率的NaCl溶液,确定了系统的分辨率为10-4叫折射率单位,系统的空间分辨率为9.77um×15.63um。将本系统应用于生物医学检测的研究工作包括：传感芯片表面的活化、实时检测牛血清白蛋白与抗体的结合反应、检测低浓度乙肝表面抗原溶液、实时检测结肠癌细胞系与表皮生长因子的反应。本系统使用以硫醇体系为基础的自组装膜技术活化传感芯片,可以使生物分子定向结合在芯片表面。通过实验验证,本系统可以实时检测牛血清白蛋白与特异性抗体的结合反应,在整个测量过程中,一共增加了2.5×10-3折射率单位,对应IgG免疫球蛋白结合密度为160个／um2。从血清中检测乙肝表面抗原是否存在是判断乙肝感染的指标,因此使用高灵敏度的检测手段,进行准确的定性测量是具有重要意义的,使用本系统能够在30分钟之内测量出1-10ng/ml浓度的乙肝表面抗原,在检测分辨率上相当于目前常用的ELISA和RIA检测方法,而检测时间则短于上述两种方法。对三种具有不同表皮生长因子受体表达水平的结肠癌细胞系与表皮生长因子的结合过程以及接下来的信号转导过程进行了实时检测,结果表明,受体表达水平越高,两个信号转导过程所产生的信号峰越陡峭,使用本系统能够确定癌细胞某项肿瘤标志物或细胞表面受体的表达水平,并能够实时检测信号转导途径的进行。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-16
第一章绪论  16-26
  第一节 SPR传感技术概述  16
  第二节 SPR传感技术的历史、现状和发展趋势  16-18
  第三节商用SPR传感技术及其在生物医学方面的应用  18-22
    1.3.1 常用的商用SPR传感器  18-21
    1.3.2 生物医学检测的需求  21-22
  第四节本课题的研究意义和主要研究内容  22-26
    1.4.1 研究意义  23
    1.4.2 主要研究内容  23-26
第二章 SPR传感检测技术  26-46
  第一节光与金属的相互作用  26-29
    2.1.1 金属色散模型  26-28
    2.1.2 金属Drude模型  28-29
  第二节 SPR基本原理  29-36
    2.2.1 电介质与金属界面之间的SPW  30-32
    2.2.2 SPR产生的条件  32-34
    2.2.3 ATR结构的多层介质模型  34-36
  第三节 SPR传感器的四种检测方式及特点  36-39
    2.3.1 角度检测方式  36-37
    2.3.2 波长检测方式  37
    2.3.3 强度检测方式  37-38
    2.3.4 相位检测方式  38-39
  第四节影响相位调制SPR传感器性能的因素分析  39-45
    2.4.1 金属介电常数的影响  40
    2.4.2 入射波长的影响  40-42
    2.4.3 金属膜厚度的影响  42-44
    2.4.4 入射角度的影响  44-45
  第五节本章小结  45-46
第三章基于马赫泽德结构的差分干涉SPR传感实验系统  46-66
  第一节系统的搭建  46-48
  第二节微流控芯片的制作  48-56
    3.2.1 微流控芯片简介  48-50
    3.2.2 金膜的蒸镀  50-51
    3.2.3 制作PDMS基片  51-53
    3.2.4 键合  53-56
  第三节分光路差分干涉系统去噪声的原理  56-60
    3.3.1 噪声对相位调制SPR传感器的影响  56-57
    3.3.2 相位提取原理及去噪声能力的分析  57-58
    3.3.3 相位提取程序中减少噪声影响的方法  58-60
  第四节系统测量能力的优化  60-63
    3.4.1 系统灵敏度的优化  60-62
    3.4.2 系统分辨率的标定  62-63
  第五节对不同浓度NaCl溶液折射率的测量  63-64
  第六节本章小结  64-66
第四章差分干涉SPR传感成像系统  66-80
  第一节 SPR传感成像技术  66-68
    4.1.1 SPR传感成像技术发展历史  66-67
    4.1.2 SPR传感成像技术的应用  67-68
    4.1.3 相位调制的SPR传感成像技术  68
  第二节系统的搭建  68-69
  第三节相位信息的提取  69-74
    4.3.1 互相关程序的设计与运行结果的检测  70-72
    4.3.2 提取相位信息得到相变图  72-74
  第四节实验测量及误差分析  74-78
  第五节本章小结  78-80
第五章 SPR传感器在生物学中的应用  80-97
  第一节引言  80
  第二节传感芯片表面的活化  80-83
    5.2.1 芯片活化方法简介  80-82
    5.2.2 自组装膜技术步骤  82-83
    5.2.3 自组装膜对芯片表面折射率的影响  83
  第三节使用相位调制SPR传感器实时测量生物大分子的结合反应  83-85
    5.3.1 牛血清白蛋白与其抗体结合反应的测量  83-84
    5.3.2 针对生物大分子结合密度的分辨率  84-85
  第四节检测乙肝表面抗原的浓度  85-91
    5.4.1 乙肝表面抗原检测的临床意义  85-87
    5.4.2 使用SPR生物传感器检测乙肝表面抗原  87-91
  第五节检测结肠癌细胞系中表皮生长因子受体的表达情况  91-96
    5.5.1 表皮生长因子受体的检测意义  91-92
    5.5.2 SPR传感器检测细胞的原理  92-93
    5.5.3 实验步骤  93-94
    5.5.4 实验结果  94-96
  第六节本章小结  96-97
第六章总结与展望  97-99
  本文工作的总结  97-98
  本文主要创新点  98-99
  下一步研究展望  99
参考文献  99-110
致谢  110-111
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  111

基于马赫泽德结构的差分干涉SPR传感系统与生物医学检测应用研究

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