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倏逝波光纤生物传感器系统理论分析与优化设计

作　者: 王京生
导　师: 冯莹
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤生物传感器荧光信号分析模型偶极子辐射理论多模光波导的光线理论倏逝波光纤探针连接器优化设计
分类号: TP212.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

光纤传感器越来越广泛的应用于工业、医学及军事等领域。围绕光纤生物传感器系统的优化设计,本文在系统信号分析和关键器件的设计方面进行了深入的理论分析和实验研究。首先,建立了荧光信号分析模型。通过对荧光免疫光纤生物传感器的传感原理进行分析,建立了用于分析荧光初始功率分布的多层介质模型,结合多层介质中偶极子辐射理论,得到了荧光辐射初始功率分布,并给出了光纤探针的耦合效率。在此基础上,采用多模光波导的光线理论,给出了用于分析荧光信号在光纤探针中的归一化功率分布、光纤探针的传输效率、光纤探针输出荧光信号的归一化功率分布、光纤探针的收集效率、光纤探针的有效收集效率、光纤探针输出荧光功率估计以及系统探测值估计等问题的理论模型。该模型的建立,为荧光免疫光纤生物传感器系统的优化设计提供了理论支持。接着,设计并加工了一种新型连接器。针对此前构建的全光纤结构的荧光免疫光纤生物传感器系统中连接器带来的系统测量值波动的问题,在对常见的几种系统结构进行分析的基础上,提出了一种新型的连接器设计方案,并采用矩阵光学理论,得到了新型连接器的荧光信号传输矩阵。以提高荧光信号利用率和增加光纤探针插拔时的轴向容差为指导原则,利用建立的传输矩阵进行了必要的理论分析,给出了新型连接器中关键元件的选择方法以及进行封装时的关键控制参数。该工作的顺利完成,对于构建高效稳定的传感器系统具有实际意义。随后,给出了荧光免疫光纤生物传感器系统的的优化设计方法。利用建立的信号分析模型,重点对阶跃型光纤探针传感器系统和组合锥型光纤探针传感器系统的荧光信号进行了分析,得出如下结论:光纤探针存在一个最优化的结构,此时探针对荧光信号收集效率最大;探针输出荧光信号的功率分布具有明显的角分布各向异性,系统的优化设计要充分考虑这种分布特性;系统整体性能受激发光数值孔径、探测系统数值孔径以及光纤探针的结构等因素的共同制约,光纤探针结构的选择受制于系统。依据上述结论,提出了被动法和主动法两种方法供设计光纤探针时选用。上述工作对于荧光免疫光纤生物传感器系统的优化设计具有指导意义。最后,利用设计加工的新型连接器构建了完整的荧光免疫光纤生物传感器系统。自行研制了基于计算机串口的光纤探针加工装置;采用被动法确定了探针的最优结构,并加工制作了具有不同结构的光纤探针;改进了LD的驱动调制电路。在此基础上,利用直接免疫法开展了实验研究。实验表明:实验结果与理论分析吻合得很好,并且发生免疫反应前后,系统探测值具有显著变化,分析表明,系统的信噪比达到50.9,约为此前构建的全光纤结构的传感器系统同等浓度下信噪比的10～22倍,同时,系统稳定性也有较大提高。此外,通过长时间的连续测量,研究了荧光淬灭问题,并针对荧光淬灭问题,分析了采用不同测量方法时存在的优缺点。该部分工作的完成为深入开展系统实验研究奠定了基础。

全文目录

摘要  9-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-16
  1.1 课题研究背景与意义  13
  1.2 国内外研究现状  13-14
  1.3 论文主要内容及组成部分  14-16
第二章荧光免疫光纤生物传感器系统的信号分析建模  16-25
  2.1 荧光免疫光纤生物传感器系统简介  16-18
    2.1.1 荧光免疫光纤生物传感器系统的探测原理  16-17
    2.1.2 荧光免疫光纤生物传感器系统的常用结构  17-18
  2.2 基于多层介质中偶极子辐射理论的荧光信号分析模型  18-24
    2.2.1 荧光的激发与荧光辐射的初始功率分布  19-21
    2.2.2 荧光到光纤探针的耦合与光纤探针的耦合效率  21
    2.2.3 荧光在光纤探针中的传输与光纤探针的传输效率  21-22
    2.2.4 荧光信号的探测与光纤探针的收集效率、光纤探针的有效收集效率  22-24
  2.3 本章小结  24-25
第三章新型连接器的设计与参数选择  25-34
  3.1 新型连接器的提出、设计原则与方案说明  25-26
  3.2 新型连接器的理论分析与参数选取  26-33
    3.2.1 新型连接器的理论分析模型及参数约束条件  26-28
    3.2.2 新型连接器的数值分析及相关参数的确定  28-33
  3.3 本章小结  33-34
第四章基于荧光信号分析的光纤探针的优化设计  34-53
  4.1 荧光辐射初始功率分布与光纤探针的耦合效率  34-38
    4.1.1 探针外围介质折射率对初始功率分布及探针耦合效率的影响  34-36
    4.1.2 各介质层厚度对初始功率分布及探针耦合效率的影响  36-38
  4.2 荧光信号在圆柱形光纤探针中传输特性分析  38-41
    4.2.1 折射光线与荧光信号的传输  38-40
    4.2.2 隧道光线与荧光信号的传输  40-41
  4.3 基于荧光信号分析的光纤探针的优化设计方法  41-52
    4.3.1 阶跃型光纤探针传感器系统的荧光信号分析  42-46
    4.3.2 组合锥型光纤探针传感器系统的荧光信号分析  46-51
    4.3.3 探针的优化设计方法  51-52
  4.4 本章小结  52-53
第五章荧光免疫光纤生物传感器系统实验及结果分析  53-71
  5.1 实验系统的构建与前期准备  53-60
    5.1.1 实验系统的构建  53-54
    5.1.2 探针的选型  54-55
    5.1.3 光纤探针的制作  55-60
    5.1.4 LD驱动电路的改进  60
  5.2 前期系统实验与理论模型的实验验证  60-69
    5.2.1 探针优化模型的验证及探针结构参数的确定  61-63
    5.2.2 系统实验方法介绍  63-64
    5.2.3 前期系统实验结果及分析  64-69
  5.3 本章小结  69-71
第六章总结  71-73
致谢  73-74
参考文献  74-77
作者攻读硕士学位期间取得的学术成果  77

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