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基于光纤表面等离子共振传感技术的葡萄糖浓度测量方法研究
作 者: 伍鹏
导 师: 徐可欣
学 校: 天津大学
专 业: 仪器科学与技术
关键词: 连续血糖检测 光纤表面等离子共振 侧边打磨 光纤光栅 硼酸聚合物 金纳米颗粒
分类号: TP212
类 型: 博士论文
年 份: 2012年
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内容摘要
连续血糖检测能够提供糖尿病病人24小时连续血糖动态变化情况,对制定糖尿病治疗方案、评价治疗效果具有重大意义。微创血糖浓度检测技术是一种测量组织液中葡萄糖浓度的连续血糖检测技术,具有微创伤、可实现性更强和测量速度快等特点。微创血糖检测技术分为透皮抽取式和植入式两大类,透皮抽取式测量中由于抽取出来的组织液量较小需要稀释因而要求传感器的测量极限达到很低浓度,植入式方法测量中由于生物电的干扰等因素对传感器的测量精度会产生很大的影响,所以微创血糖检测对葡萄糖传感器提出了很高的要求。针对微创血糖连续监测的需求,本文提出了一种基于光纤SPR传感技术的葡萄糖浓度测量方法,并研究了侧边打磨改变光纤SPR结构、光纤光栅温度补偿、硼酸聚合物层层自组装表面修饰以及金纳米颗粒表面修饰等技术提高测量精度的方法。本文的研究内容主要包括:1、光纤SPR传感器的传感理论及结构设计研究了光纤SPR传感器的传感理论,主要研究分析了等离子体与表面等离子波、光纤SPR传感器中的倏逝波以及光纤SPR的激发条件;对光纤SPR检测的调制方法进行了总结比较,并最终选择波长调制方式作为本文的检测方式;对光纤SPR传感结构及系统进行了总结分析;建立了在线传输式光纤SPR、侧边打磨式光纤SPR、基于金纳米颗粒修饰的光纤SPR的理论计算模型;根据在线传输式光纤SPR理论计算模型对其参数进行了模拟计算并优化,根据金纳米颗粒修饰光纤SPR的理论计算模型对其参数进行了模拟计算并优化。2、光纤SPR传感器的长周期光纤光栅温度补偿方法研究了长周期光纤光栅的模式耦合理论;提出了长周期光纤光栅温度传感器与光纤SPR传感器集成的方法,并根据长周期光纤光栅模式耦合理论对其进行了理论分析;对长周期光纤光栅的温度特性进行了研究,对温度变化时纤芯和包层的变化进行了分析;利用Optiwave以及Matlab等软件进行仿真模拟,对长周期光纤光栅各个模式的输出光谱模拟和计算,找出对温度敏感度高而对折射率(组织液折射率范围内)不敏感的模式以及最优化的结构参数。3、光纤SPR传感器的加工工艺研究了多模在线传输式光纤SPR传感器、多模侧边打磨式光纤SPR传感器以及单模在线传输式光纤光栅SPR传感器的制作工艺流程;研究了光纤SPR镀膜过程中的真空控制、膜料的加热源以及膜厚监控方法;根据光纤镀膜要求设计加工了光纤镀膜夹具,以物理气相沉积法(PVD)中的热蒸发法进行了镀膜,对镀膜厚度进行控制并表征验证;分析比较了光纤光栅加工工艺,并确定采用双光束干涉的成栅方法加工长周期光纤光栅。4、光纤SPR传感器的硼酸聚合物表面修饰方法研究了葡萄糖浓度检测中的亲糖物质,并分析比较了各种亲糖物质的优缺点,最终确定采用水溶性硼酸聚合物;分析了高分子水溶性硼酸聚合物PAA-ran-PAAPBA与葡萄糖的作用机理,研究了高分子水溶性硼酸聚合物PAA-ran-PAAPB的合成制备方法;分析比较了各种生物化学膜固定化技术的优缺点,研究了利用层层自组装法将PAA-ran-PAAPBA水溶性硼酸聚合物固定在光纤SPR传感器表面的方法,并利用石英晶体微天平(QCM)对自组装膜进行表征。5、光纤SPR传感器的测试实验以及结果分析搭建了多模在线传输式光纤SPR传感器的葡萄糖测量系统,研究了实验数据处理方法,完成了葡萄糖测量实验;完成了多模侧边打磨式光纤SPR传感器的葡萄糖测量实验,对实验中出现的问题进行了分析并提出了解决方案;搭建了光纤光栅SPR传感器的葡萄糖测量系统,确立了实验数据处理方法,完成了葡萄糖测量实验,并进行了温度测量实验;完成了硼酸聚合物表面修饰的多模在线传输式光纤SPR传感器的葡萄糖浓度测量实验;完成了金纳米颗粒的制备及其固定实验。
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全文目录
摘要 3-5 ABSTRACT 5-10 第一章 绪论 10-25 1.1 血糖监测的意义及人体血糖检测技术 10-14 1.1.1 血糖监测的意义 10-11 1.1.2 人体血糖检测技术进展 11-14 1.2 SPR 检测技术研究进展 14-17 1.3 光纤 SPR 检测技术研究进展及问题 17-23 1.3.1 光纤 SPR 检测技术研究进展 17-18 1.3.2 侧边打磨光纤 SPR 18-19 1.3.3 光纤光栅温度补偿技术 19-20 1.3.4 硼酸聚合物层层自组装表面修饰技术 20-22 1.3.5 LSPR 信号增强技术 22-23 1.4 本文的主要工作 23-25 第二章 光纤 SPR 传感器的传感理论及结构设计 25-49 2.1 光纤 SPR 的理论分析 25-31 2.1.1 等离子体与表面等离子体 27-28 2.1.2 光纤 SPR 传感器中的倏逝波 28-30 2.1.3 光纤 SPR 的激发条件 30-31 2.2 光纤 SPR 的调制分类 31-32 2.3 光纤 SPR 传感器的结构及系统 32-34 2.4 光纤 SPR 传感器的理论计算模型 34-40 2.4.1 在线传输式光纤 SPR 的理论计算模型 36-37 2.4.2 侧边打磨式光纤 SPR 的理论计算模型 37-38 2.4.3 基于金纳米颗粒修饰的光纤 SPR 的理论计算模型 38-40 2.5 光纤 SPR 传感器的参数模拟及优化 40-47 2.5.1 在线传输式光纤 SPR 的参数模拟 40-44 2.5.2 基于金纳米颗粒修饰的光纤 SPR 参数模拟 44-47 2.6 本章总结 47-49 第三章 光纤 SPR 传感器的长周期光纤光栅温度补偿方法 49-58 3.1 长周期光纤光栅的模式耦合理论 49-52 3.2 长周期光纤光栅与光纤 SPR 传感器的集成方法 52-53 3.3 长周期光纤光栅的温度特性 53-54 3.4 长周期光纤光栅的参数模拟及优化 54-57 3.5 本章总结 57-58 第四章 光纤 SPR 传感器的加工工艺 58-72 4.1 光纤 SPR 传感器的制作流程 58-62 4.1.1 多模在线传输式 SPR 传感器 58-60 4.1.2 多模侧边打磨式光纤 SPR 传感器 60-61 4.1.3 单模在线传输式光纤光栅 SPR 传感器 61-62 4.2 光纤 SPR 传感器的镀膜工艺 62-66 4.2.1 光纤镀膜的真空控制 62-64 4.2.1.1 真空条件 62-63 4.2.1.2 抽真空过程 63-64 4.2.1.3 真空度的检测 64 4.2.2 光纤镀膜膜料的加热源 64-65 4.2.3 膜层厚度的监控方法 65-66 4.3 光纤 SPR 传感器镀膜的夹具设计 66-67 4.4 光纤圆周面的镀膜参数及镀膜效果 67-69 4.5 侧边打磨平面的镀膜参数及镀膜效果 69 4.6 长周期光纤光栅的加工工艺 69-71 4.7 本章总结 71-72 第五章 光纤 SPR 传感器的硼酸聚合物表面修饰方法 72-79 5.1 葡萄糖浓度检测中的亲糖物质 72 5.2 硼酸聚合物与葡萄糖的作用机理 72-74 5.3 PAA-RAN-PAAPBA 的制备 74-75 5.4 硼酸聚合物固定化技术 75-78 5.4.1 生物化学膜的固定化技术 75-76 5.4.2 PAA-ran-PAAPBA 的层层自组装绑定方法 76-77 5.4.3 层层自主装膜的表征方法 77-78 5.5 本章总结 78-79 第六章 光纤 SPR 传感器的测试实验及结果分析 79-101 6.1 多模在线传输式光纤 SPR 葡萄糖测量实验 79-84 6.1.1 实验系统 79-80 6.1.2 实验数据的处理方法 80-82 6.1.2.1 平滑去噪 80-81 6.1.2.2 基线的选取 81 6.1.2.3 SPR 共振峰位置的计算方法 81-82 6.1.3 葡萄糖测量实验结果及分析 82-84 6.2 多模侧边打磨式光纤 SPR 葡萄糖测量实验 84-87 6.2.1 实验系统 84-85 6.2.2 葡萄糖测量实验结果及分析 85-87 6.3 光纤光栅 SPR 葡萄糖测量实验 87-93 6.3.1 实验系统 87-89 6.3.2 实验数据处理方法 89-90 6.3.3 葡萄糖测量实验结果及分析 90-93 6.4 硼酸聚合物修饰后的光纤 SPR 葡萄糖测量实验 93-96 6.4.1 实验系统 93 6.4.2 葡萄糖测量实验结果及分析 93-96 6.5 金纳米颗粒的制备及其固定实验 96-100 6.6 本章总结 100-101 第七章 工作总结与展望 101-105 7.1 论文主要研究内容 101-103 7.2 创新点 103 7.3 展望 103-105 参考文献 105-113 发表论文和参加科研情况说明 113-116 致谢 116
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器
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