论文部分内容阅读
表面等离体激元共振(surface plasmon resonance，SPR)生物传感器在检测生物大分子相互作用等方面比传统方法(如ELISA)具有更多优点，例如无需标记、低样本消耗以及实时检测等。虽然目前SPR传感器已经商品化，但市场上的产品大都昂贵且笨重，限制了在即时检验(point-of-care testing，POCT)中的应用。近年来，野外水源抗生素含量、户外空气微粒含量等非实验室场景的检测需求逐渐增多，摆脱庞大的体积、开发小型化SPR生物传感设备对现场检测甚至临床检验有着重要意义。
本文设计并实现了一种基于棱镜的波长调制的便携式多通道SPR生物传感器装置。该传感器的调制方式没有转动部分，所以仪器更稳定。多通道的设计在于提高检测效率，当引入参考通道时，可以通过对比分析提高检测的准确性。
本文首先介绍电磁波的传播性质，并分析了光在介质层表面的反射情况。结合SPR技术传感理论，分析了表面等离体波形成原因和共振条件。并且介绍光谱仪的分光基本原理，为小型分光系统的设计提供理论依据。
在仪器的构建部分，针对每个部分的设计都尽量压缩器件的体积：首先选择性价比高的白光发光二极管与光纤耦合并准直，构建体积小且发光稳定的宽谱白色光源；其次，在传感部分通过Macleod软件仿真确定的棱镜材料和金膜厚度，并且完成单、多通道的制作；最后，通过设计一个简单、紧凑且经济高效的分光组件，实现同时探测多个通道的反射光谱信息的功能。仪器的最终设计尺寸为21cm×17cm×6cm(L×W×H)。
在完成SPR传感系统的构建后，采用不同浓度的NaCl溶液来标定该传感系统的性能。在样本检测中，通过对比s偏振态和p偏振态下的反射光谱信号强度，从而解决光源各波长强度不一致的问题，获得各波长对应的反射率即为SPR曲线。SPR曲线最低点对应的波长为SPR标志点，通过检测标志点的移动情况来分析待测物质的变化。最终测得线性检测范围为4.32×10-2折射率单位(RIU)，检测限为6.38×10-5RIU。在多通道的实验中引入参考通道，计算每组实验数据的相对标准差(RSD)低于1%。
最后进行多种浓度的免疫球蛋白G(IgG)的结合实验研究，实验发现所构建的SPR传感系统在～100400μg/mL范围内对IgG有良好的线性响应。在研究IgG的吸附动力学过程时发现，所构建传感系统的SPR标志点在加入IgG后快速上升，然后缓慢上升至平衡状态，每组实验达到反应平衡大概需要25min。其中，快速上升部分是由于所加样本的自身物理性质(如折射率)的改变引起的系统响应，缓慢上升部分是由于传感层表面IgG与Anti-IgG相互作用使得物质折射率发生变化引起的。
本文设计并实现了一种基于棱镜的波长调制的便携式多通道SPR生物传感器装置。该传感器的调制方式没有转动部分，所以仪器更稳定。多通道的设计在于提高检测效率，当引入参考通道时，可以通过对比分析提高检测的准确性。
本文首先介绍电磁波的传播性质，并分析了光在介质层表面的反射情况。结合SPR技术传感理论，分析了表面等离体波形成原因和共振条件。并且介绍光谱仪的分光基本原理，为小型分光系统的设计提供理论依据。
在仪器的构建部分，针对每个部分的设计都尽量压缩器件的体积：首先选择性价比高的白光发光二极管与光纤耦合并准直，构建体积小且发光稳定的宽谱白色光源；其次，在传感部分通过Macleod软件仿真确定的棱镜材料和金膜厚度，并且完成单、多通道的制作；最后，通过设计一个简单、紧凑且经济高效的分光组件，实现同时探测多个通道的反射光谱信息的功能。仪器的最终设计尺寸为21cm×17cm×6cm(L×W×H)。
在完成SPR传感系统的构建后，采用不同浓度的NaCl溶液来标定该传感系统的性能。在样本检测中，通过对比s偏振态和p偏振态下的反射光谱信号强度，从而解决光源各波长强度不一致的问题，获得各波长对应的反射率即为SPR曲线。SPR曲线最低点对应的波长为SPR标志点，通过检测标志点的移动情况来分析待测物质的变化。最终测得线性检测范围为4.32×10-2折射率单位(RIU)，检测限为6.38×10-5RIU。在多通道的实验中引入参考通道，计算每组实验数据的相对标准差(RSD)低于1%。
最后进行多种浓度的免疫球蛋白G(IgG)的结合实验研究，实验发现所构建的SPR传感系统在～100400μg/mL范围内对IgG有良好的线性响应。在研究IgG的吸附动力学过程时发现，所构建传感系统的SPR标志点在加入IgG后快速上升，然后缓慢上升至平衡状态，每组实验达到反应平衡大概需要25min。其中，快速上升部分是由于所加样本的自身物理性质(如折射率)的改变引起的系统响应，缓慢上升部分是由于传感层表面IgG与Anti-IgG相互作用使得物质折射率发生变化引起的。