（光学工程专业论文）光纤倏逝波生物传感器理论分析及信号处理实验研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表4 1m a x 0 3 8 输出波形与a 0 、a 1 的关系 表4 2 正交锁相和相关滤波的结果比较 表5 。1 实验系统改进前后的实验结果比较 表5 2 光纤探针露于水中和空气中的检测结果比较 表5 3 四根光纤探针所标记的c v 5 的浓度 表5 4 不同浓度标记的光纤探针的测量结果 表5 5 端面磨平的光纤探针的测量结果 ： 】【 4 ：l 4 6 z 1 7 z 1 7 d 1 7 4 8 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图2 1 分立结构的光纤倏逝波生物传感器的系统结构示意图7 图2 + 2 基于光纤束的倏逝波生物传感器的系统结构示意图7 图2 3 组合锥型光纤探针结构示意图8 图2 4 全光纤结构的生物传感器的系统结构示意图9 图3 1f d t d 离散中的三维y e e 网格1 3 图3 2 二维t m 波和t e 波y c e 网格1 5 图3 3 吸收边界处的网格和角点网格1 8 图3 42 d 。f d t d 计算电磁场的推进步骤( t m 波) 2 2 图3 5 金属方柱时谐场幅值分布2 3 图3 6 金属方柱时谐场相位分布2 4 图3 7 平面光波导的折射率建模图2 5 图3 8 3 0 0 0 步时平面光波导的振幅分布图一2 5 图3 9 _ = 3 0 0 0 步时传播方向上一定距离截面的振幅分布2 6 图3 1 0 组合锥型光纤探针模型2 6 图3 1 l 光纤探针模型中的场分布2 7 图4 1c y 5 的激发光谱和发射光谱2 8 图4 - 2 滤波片的透过率曲线2 9 图4 3l d 的功率一电流特性曲线2 9 图4 4 信号发生电路的电路图3 0 图4 5 调制电路的电路图3 2 图4 6 恒流源驱动电路和慢启动电路3 3 图4 7 电源关断、开启瞬间激光器两端的电压变化3 4 图4 8l d 在直流偏置下输出光功率测试结果3 5 图4 9l d 两端所加电压及傅立叶谱分布3 6 图4 1 06 3 5 n ml d 引脚示意图和内部连接示意图3 6 图4 1 1 互相关检测的原理框图3 7 图4 1 2 相敏检波器( p s d ) 的原理框图3 7 图4 1 3 正交锁相的原理框图3 8 图4 1 4 相关滤波原理框图3 9 图4 ，1 5m a x 0 3 8 输出的调制信号，4 1 图4 1 6 信号采集后的处理流程4 1 圈4 1 7l a b v i e w 中数字解调程序的后面板4 2 图4 18 解调程序的前面板界面4 3 图5 1 初始实验系统结构示意图4 4 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 2 改进的实验系统结构示意图4 5 图5 3 生物传感器系统实物图4 5 图5 4 计算机控制界面4 5 图5 5 同一根光纤探针多次测量结果4 8 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 盘盐垡垫选生塑鲎盛墨垄趋金扭垒焦量挂垄塞叁壁立 学位论文作者签名：二塞立交 日期：工时年肛月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阗；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：二蚣 作者指导教师签名：瘗壹 日期：嫦屈月日 日期：劲帕j 年f 三月j 日 翻瓣科学技术大学研究生疏学位论文 摘要 毙终搂透波垒耱倍蓉器具鸯缱稔楚孳、髂爨枣、爱穆方霞、嚣赞魄篱爨莓运疆爨分将 等试点，在赣床医学、环凌篮测戳及食瑟王波褥型了广泛艨媾，在军搴医学、生耪藏裁缝 测等翠事领域也表现出了极高的成用价值，畿剿了高度羹枫。， 掇研究了光终倏遴波生物传感器系统的基本工作原理釉系统结构的基础上，本文捣建 了一耪基予竞野条酌筷透渡生镪砖感器系统，并在逮摹秣上艨牙了理论分辑箨痿号怒溪实 验研究。 光纤倏逝波生物传感器系统中，利用激光猩光纤探针中传播时产生的倏逝波来激发荧 竞物媛，产皇荧必经号。走终搽警 豹鳇琵怼强纾生穆簧黪嚣靛整抟蝗熬有毒投建重要静影 醺，辩蔼设诗并谯健先纾搽静雅秘戳提高荧巍信号黪激发辩收集效率，将成兔舞离港野筷 逝波搬物传感器探测灵敏度的关键。本文采用时域有限熬分法对光纤撩针中的场分布进行 了分栅和探讨。 铃瓣荧竞瘩s 魄较疆嚣懿阉蘧，奉文设计了蹩纾羲懑滚譬：鐾簧惑器系统魏藩号镶髓瞧 路和储号解调程序。信号调制惫路通过对传游器系统驹激光光源进行谰铆来调制糍光信 号。探针收集的焚光信号经过光电倍增管探测、数据采集”沓采集后由倍号解调程序檎溯， 德号妁旗度就反歇了褥测生耪物矮的浓度。 在宠成系绕务维成豁磐匏蒸酸上，对瓣秘建醣竞纾嵇邀波垒耪砖感辫系统运孬了宴验 研究，并对实验系统进行了改漱 通过实验分析了现有系缎中存在的阀越。讨论了w 能影 响实骚系统探测灵敏度和稳定度的因素，提出r 相应的改嫩措施。 关键词：生物传感瓣，光纤，倏澎波，时域商限差分，调制，解调 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t l lt 1 1 ea d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es 蚋l c t l l r e ，s m a l lv o l u m e ，e a s e t o m m r e ，h i g h c o s t 巾e r f b 瑚a 1 1 c ea n df e m o t ca l l a l y s i s ，o 州咖n b e rb i o s e n s o r sh a v eb e e n 谢d d ya 卵l i e dj n c l i m c a ld i a g i l o s t i c ，v i r o 姗e n t 8 lp f o t 删o n 雒证f 跏s e r v i c ei n d u s t i yt h e ya l s oh a v e b e e np a i d m o r ea t t e m i o na j l dh a v ev e r yh i 曲v a l u ei nt h em i l i t a r yf i e l ds u c ha sm i l i t a r ym e d i c i n e 粕d b i o l o g i c a lt o x i c 蹦l td e t e c t i o n ， b a s e do nt h es t u d yo ft l l eb a s i co p e r a t i n gp r i i l c i p l ea n ds m l c t u r eo ft 1 1 ee v 锄e s c e n t w a v e - b a s e do p t i c a l 疗b e rb i o s e n s o r s a i lo p t i c a l 最b e rb i o s e n s o rw “hf i b e rb u n d l ew a sd e v e l o p e d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i g n a lp m c e s s i n ge x p e r i m e n t s 、v e r cr e s e a r c h e dt h e n t h ee v a n e s c e n tw a v e 七a s e do p n c a l 胁e rb i o s e n s o ru s e st h ee v a i l e s c e n tw a v e 州c hi s p r o d u c e dw h e nl i g h tp r o p a g a t e si n t l l ef i b e rp r o b et oe x c i t e 也en u o r e s c e n c es i g n a l t h e p e r f b 蛐a n c eo f 廿l ep r o b eh a sa ni m p o r t a n te 腩c to nt i ep e r f b r n l a n c eo f t l l eb i o s e n s o r 1 1 1 e r e f o r e ， i ti sc r i t i c a lf o ra d v a n c i n g 幽ed e t e c t i o ns e 璐i t i v i t yo fm eb i o s e n s o rt od e s i g na n do p t i m i z et h e s t n l c t l l r eo f 也ep r o b et o i m p r o v e t 1 1 ee x c i t a t i o na i l dc o l l e c 畦o ne f f i c i e i l c y i nt m st h e s i s ， f l n i t e d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n ( f d t d ) m e 血o dw 鹪u s e dt oa n a l y z et 1 1 en e l dd i 蚶 h m o ni i lt l l e 舶e r p r o b e 1 no f d e rt os o l v e 廿l ep r o b l e mo f 、w a kn u o r e s c e n c e ，t l l es i 鲫a lm o d u l a t i o nc i r c u i ta 1 1 ds i 辨a l d e m o d l l l a t i o np f o g r 咖w e r ed e s i g n e d t h el a s c rs o u r c ew a sm o d u l 砒e db yt h em o d u l a t i o nc i r c l l i t ， s ot l l a tt h en u o r e s c e n c cs i g l l a l 、v a sm o d u l a t e d t h en u o r e s c e n c es i g n a lc o l l e c t e db yp r o b ew 韶 d e t e c t e d ，q u i r e db y 廿l ec o m p u t e r ，趾d 廿l e nd e m o d u l a t e db yt l l es i 昏l a ld e m o d l l l a t i o np m 粤砌 t h e 咖p l i t u d eo f t l l es i g n a li d e n t i f l e dm ec o n c e n 仃a t i o no f t h eb i o l o g ym a t e r i a l e x p e r i r n e n t sw e r ec a i e do na f t e rf i n i s h i n gt 圭l es e p a r a t ep a r t s t h ee x p e r i m 蚰ts y s t e mw a s i m p r o v e di i lt l l ep r o c e s so fe x p e r i m e n t s p m b l 咖si nt h ec u n n ts y s t e mw e r ea i l a l 删鲷d s e v e r a lf a c t o r sm a tm a yh a v ee f f e c t so nt h e 出t c c t i o ns e n s i t i v i t ya n ds t a b i l i t y0 f1 l l eb i 0 8 e n s o r w e r ed i s c u s s e do nt 1 1 eb a s i so fn u m b e r so fe x p e r i m t s s o m em e t l l o d sm a tm a yi m p 坩v e 也c s e n s i t i v i 锣w e r ep u tf o r w 州 k e yw o r d s ：b i o s e n s o r ，f i b e r ，e v a i l e s c e m 、v a v e ， f i n “e d i h b r e n c et i m e - d o m a i n ，f d t d m o d u l a t i o n d 咖o d u l a t i o n 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 本寒觳述了课题熬磺究背景、灏内辨研究现状发发展趋势，并贪绍了论文豹主要研究 凑容。 1 1 课题研巍背景 骞入链2 l 整纪稼麓生命秘学豹瞧纪，遣毒入把2 l 毽纪琢麓信息秘学懿避纪。建纾爱 物传感技术正是在生命科学和信息科学的基础上发展起来的类新兴技术。 2 0 世纪6 0 年代以米，在化学传感技术的基勰上，生物传感技术开始兴起并迅速发殿。 生穆赞薅爨遘鬻是擐褥溷定纯驹生物凌憩封辩与逡当的转感器终( 主要爨攒各耱戆理和他 学传感嚣) 缀成的分擀工其与分板系统。生物转感器以特定静生物物质，如酶、抗体、核 酸等作为分子识别元件，因此选择性要强于普通的传感器。另外，生物传感器的测量童腰 是各种生物量，即生穗生化反应中舷物分子相互作用的一些僚息，是通常意义的化学传艨 器无法宠姨戆。 近年来，以光纤通信技术为基础的信息高速公路建设在墩界范围内蓬勃发展，集感知、 传输、采集、处理等功能为一体的光纤传感技术，已经成为新技术革命与储息社会的重要 技术基础。光纤传感嚣熊够实现“俺”移“感”的台二为，具有其蚀技感嚣辑不其鸯 鹩诲多臻点。首先，可以抗电磁予挠、电绝缘、簿瘸锤；其次，重量轻、舔积，l 、灵活弯 曲，易于加工做成各种形状，可以定现某些特殊条件下的测激工作；第三，由于光纤本身 以及光纾放大器的高质量传输、低畿减率，使得光纤传感器w 以进行远距离测量，这种特 牲霹危羧嚣戆竣测霆分必要敬。 作为将生物传感技术和光纾传感技术结合程超的光野燮物传感器缭含了两大技术 的优点。由于其结构简单，体积小，制作和应用方便，以及储息传送容量大、抗震、抗电 磁干扰朝逸距离测量等优点，在研究孛受到越来越多的重视。 程众多类登豹蠢终生耪传纂嚣中，基子倏滋泼激发的簧黪器茜兔萁谈澈场佟瘸夔鬻非 常小，强探测溶液中自动形成了一种光学隔离，省去了传统生化检测繁复的清洗步骤，简 化了操作，加快了探测速度，因而在研究中格外受到重视f 2 训。 与其锻生耱捡测手段穗毖，巍缛辏邀波生狻转感器翼蠢翅下优点：不受终芯表囊倏滋 波场戳辨瓣生物分予瀚干扰；无需将光纤鼠被灏溶液中取出羊i ； 清洗，杂交殷应完成后舄上 可以进行荧光检测；搡作简单，测蠛速度快，时间短，可以进行现场检测；可以对生物反 应的动态过程进行监测，即在杂交反应过程中进行荧光检测；憝机可以小型他。另外，使 蠲荧壳淑 弋了藏瓣整秘矮，瘸应瓣羯快，残零 羲壤，穗徐晓秘辩较毒珏l 。巍纾褛瑟滚垒携 传感器的这些特点使奠在临床医学诊断、环境分析、生命科学基础性研究、军事医学和生 物战剂枪测等需要迅逋得出结果并及时采取应对措施的领域得到广泛应用。 然逝，悲纾生物佟感器豹研究秘应崩还煮德遴一步深入。现有豹光纾生物传感技术逐 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 不完善，需要不断的创新和改进，并拓宽应用范围，适应不同分析场合和分析对象的要求。 l2 国内外研究现状 从2 0 世纪9 0 年代开始，随着光纤传感技术及各种生物固定技术的迅速发展，光纤生 物传感器得到了迅猛发展。 在国外，一些光纤生物传感器正逐步从实验室研究走向实用化。美国n a v a lr c s e a r c h l a b o r a t o r y 和r 船e a r c hi m e m a t i o n a l 公司的l i 西e r 和a n d c r s o n 等人从2 0 世纪7 0 年代开始 致力于光纤生物传感器的理论和应用研究。1 9 9 8 年，l i 讲e r 等报道了种可用于远距离探 测的空降式传感器，现已装备美国海军，可用于战争时生物预警和远距离环境分析垆j 。1 9 9 9 年，他们研制了方便携带的手持式光纤生物传感器m a n l r i s ( 1 km a np o r t a b l e a 且a l y z e i d e n t m c 撕o ns v s t e m ) e 随后他们又研制成功了四通道检测、更加便携实用的r a p t o r ( a r a p i d ，a u t o m a t i c ，a n d p o r t a b l e f l u o r o f n e t e r a s s a y s y s 钯m ) 【3 】。 国内对光纤生物传感器的研究与国外相比起步较晚。上海光学精密机械研究所和军事 医学科学院微生物流行病研究所最近几年合作做了一些光纤倏逝波生物传感器的研制工 作i 知舯。他们做了几种型号的生物传感器，可用于医学诊断、细菌探测、环境检测、食品检 验、生物反应过程的动态监测、药物筛选等领域。另外，匹安交通大学杨玉孝等人【9 l ，东 南大学吕华f 删等人，武汉理工大学闰玉华f l l 】等人也分别做了与光纤生物传感器有关的方法 和技术研究。总之，国内的光纤生物传感器大多还处于研究阶段，还有待于实用化，要达 到广泛应用估计还需要定的时问。 新型生物分子识别体系的研究与应用，以及可用于不同波长的特种光纤材料和光电子 器件的最新研究进展，大大促进了光纤生物传感器的研制与应用。当前，光纤生物传感器 的研究有如下几个趋势： 首先，光纤生物传感器的研究正逐步向多功能、多参数测量方向发展，阵列型生物传 感器的研究逐步走向深入。 其次，光纤生物传感器的研究正逐步向小型化、微型化与集成化方向发展。随着微加 工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使 人们在家中进行疾病诊断或在市场上直接检测食品成为可能。 第三，光纤生物传感器的发展趋势还表现为新原理和新技术的应用。其中的代表是光 纤s p r ( 表面等离子体共振) 分析测试。另外，美国u i l i v c r s i t vo f r h o d ei s l a n d 的z h o u 和 l e t c h e r 等人将超声对细胞的浓缩效应应用于光纤生物传感器，用于沙门氏菌( s a l m o n e l l a ) 的检测j 。 第四，光纤g ：物传感器与计算机技术紧密结合，自动采集、处理数据，更科学准确地 提供结果，实现采样、进样、结果。体化，形成检测的自动化系统。同时，芯片技术将越 来越多地应用于光纤生物传感器，以实现检测系统的集成化和一体化。 最后，随着光纤生物传感器技术的不断进步，必然要求不断降低产品成本，提高灵敏 度、稳定性并延长存命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化、商品化的进程。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 奁_ 遂去的二卡多年中，毙纾生物传感器静发展魄其毽酝侮类型酶生物传感器都聚迅 速。光纡生物传感器湛经成为最具肖发展前景的分析工具之一，必将在新一代生物传感器 中占有黧要地位。 1 3 论文燕簧内容 光纤倏逝波生物传感器系统中，利用光纤探针中产生的倏逝波来激发荧光物质，产坐 荧光镶譬。函为换逝波熬簸量魄较小，莠且绩号牧集露，荧毙信号运嚣必终豹鼹会效枣爨 较低 聿5 l ，所以返回鳓探灏l 器静荧咒信号十分微弱。为了提离必纤倏邀波生物传感器静探测 灵敏度，本文主要从优化探针结构和设计调制与解调系统等方面进行分析研究。 在国有的光纤倏邀波生物传感器的基础上，本文从改进、完善传感嚣鬈统的结构以提 离荚捺溅灵敏度，并使整个黄惑器系统蠢，l 、型偬、集成琵方惫发震熬鼹点臻发，秘建了 种结构煲加紧凑的传感器系统。 本论文主要由以下几个部分组成： 1 。程谤究光纤捩邂波生物馋戆瓣系统结构数基础上，秘建了一秘基予建绎束豹倏邋 波生稳佼慧嚣， 2 光纤探针的结构和几何参数对倏逝波的透射深度、荧光信号的激发和收集效率肖 着较大的影晌，本文采用时域有限差分法分析光纾探针中的场分布，在这方面作了一戡研 究露探讨。 3 针对荧光信鸷的激发和检测，设计了光纤倏逝波生物传感器系统的信号调制彀路 和信号解调程序。 4 戳系统豹各郝分联调，避雩亍系统实验。在实验豹过鼹中分援可缝襻在敢阔题和不 是，及浚遂捂施。 5 附论文进行总结，并指出工作的不足和可以改进的媳方。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章光纤倏逝波生物传感器的系统结构 在众多不同类型的光纤生物传感器中，基于倏逝波激发荧光信号的生物传感器的研制 和应用最为广泛1 2 圳。本章就光纤倏逝波生物传感器的探测原理及系统结构展开研究，构建 了基于光纤束的倏逝波生物传感器系统。 2 1 光纤倏逝波生物传感器的探测原理 光纤倏逝波生物传感器的基本工作原理是：利用激光在光纤探针中全反射传播时产生 的倏逝波，去激发光纤探针表面标记于生物物质上的荧光染料，从而检测通过特异性反应 而附着于探针表面的倏逝波作用范围内被测物质的种类和浓度【1 3 。14 1 。探针表面倏逝波的透 射深度影响着所激发荧光的强弱，从而影响着生物传感器系统的探测灵敏度。下面首先对 倏逝波及其透射深度进行简单介绍。 当光由折射率为m 的光密介质入射到折射率为啦的光疏介质的界面上时，有可能发生 全反射。用几何光学描述，这时光疏介质中没有折射光。但光的电磁理论表明，由于入射 光束和反射光束的相互作用，在介质的界面处有驻波存在 1 2 】。由于场强不能突然变到零， 所以在光疏介质中场强会呈指数衰减，其场强可表示为 e 2 e x p ( 一占d p ) ( 2 1 ) 其中占为到界面的距离。这一存在于光疏介质中的里指数衰减的场就是倏逝波。其电磁场 辐射由透射深度d 。，即界面到场强为界面处幅度的形处的距离，来表征其特性。其中 d 。：尘 ! ( 2 2 ) 以。瓦丽丽 u 2 ( 2 2 ) 式表明透射深度d 。依赖于入射波长名、光密介质和光疏介质的折射率h 和也、 入射光线与界面法线之间的夹角目，( 2 2 ) 式还表明，透射深度只有波长量级。 就光纤生物传感器而言，由于从光纤探针穿透到溶液中的倏逝波透射深度只有波长量 级，倏逝波的作用范围局限于光纤探针表面的一个薄层，一般只有几十到几百个纳米。光 纤倏逝波生物传感器只对倏逝波作用范围内的荧光染料进行荧光激发和收集，不受待测样 品溶液中其它荧光物质和生物分子的干扰，系统具有较高的探测灵敏度。 2 2 几种光纤倏逝波生物传感器的系统结构 22 1 分立结构的光纤倏逝波生物传感器 光 f 倏逝波生物传感器的系统结构经过了一个逐步改进、完善的发展过程，早期系统 的组成器件以分立光学元件为主，如图2 1 5 】所示。目前国内外报道的光纤倏逝波生物传 感器人多鄙是基于这种结构。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 网2 1 分立结构的光纤挨逝波生物传感器的系统结构示意图 在这耱分立终襁警，毙纾坟援终撵铮部努。砖激发光蘩弩农荧是售号的话稳采翅鬻艇 的分立光学系统，其中包括光阑、反射镜、耦含透镜、滤波片等光学元彳串。 这种装置在光路布置和结构上存在一定的局限性： ( 1 ) 为了控制光柬的质量，光路巾加入了光阕、滤波片等元件。分立元件的存在，使光 鼹毒黉震撼震降低，髑节难度麓大。尤其楚受塞与必磐戆藕合装置，穰凌要隶较裹，谖节 起来费时赞力。 ( 2 ) 对普通光学透镜来说，光每通过个面都肖大约4 的光能量损耗。因此，在光学系 统中，光学透镜越多，光魏挠餐攒糕越大。如果绘毙学透镜镀上增透膜，戴可戳减少熊螫 损耗。假同时增攘了系统的成本。 ( 3 ) 分立元件占用擞间较大，是嶷现系统小型化的重要瓶颈。 为了克服分立结构的光纤倏逝波生物传感器的缺点，酶低系统的调节难度，实现系统 熬枣鼙纯，藏要尽爨去簿分立元传，耄 隆产生了鏊予竞绎寒瓣褛邀波玺殇褥懑嚣系统。 2 + 2 2 基于光纤策的倏逝波生糊传感器 从躐少分立元转、建亵系统稳定菠秘探溺瑟敏溲螅受度感发，本文稿建了一释基予建 纤柬静倏逝波生物传憋器，系统结构如图2 2 断示。 鋈! ：! 薹! ：娄璧鍪塑堡鋈鎏兰塑筵鳖鲎整墨篓篷塑重童璧 第7 贾 国防科学技术大学研戴生院学位论文 l 系统瓣组成 这种基于光纤柬的倏逝波传感器系统主要由以下几个部分构成：激发光源、光纤柬、 光纤探钟、滤波片、检测和解调系统。 箕夸，激发炎源慕建俸获较，l 、豹荣毒逗纾静拳警髂激毙嚣，该激光嚣滋专门竣诗豹傣 号调翩电路进行驱动调制。 光纤束是信号的倦输通道，豳五根光纤组成。其中处予中心位置的怒单模石英光纤， 臻来传簸激光；均匀分布于单模光绎姻周的是毅根多摸塑料搬纾，用来锩输荧光信号。邀 墼透雨熬辩光纤作为焚竞信号浚爨建缍，主要怒考虑笺羹瓣搬纾的数值子0 绦较大，对茨强 信号的耦合效果较好f “”。 光纤探针采用优化设计f 3 8 1 的缎合锥型光纤搽针，其结构如图2 - 3 所示。 l i c d e 南、甬譬： 塞 乎 r _ 一l 翻2 3 缀合锥型光纤探针结构示意网 激巍程毙终搽针巾健搔对，髓管绥蕊半径黔城小，光在攘铮鞠样品溶液赛蘑上豹入魅 角不断减夸，并向全旋射裕界角统淹近。驮( 2 2 ) 式可敬葺滋，一里入辩角接迓全反射襁 界角，榉品溶液中的修逝波透射深壤会迅速增加。另外，随潜纤芯半径的不断减小，谯入 射光传播方向上单位长发内全反射的次数也得剿了增加，所以在使用组会锥型光纤探针的 笼绎筷邋渡生物话惑器孛，筷蘧波瓣疆疫褥鬟了箍蕤，鞠瘦激发静荧蠢镶弩豹强度氇餐爨 了提高。 滤波片也是传感器系统中的个重要组成部分。多模塑料光纤中传播的信号不仅有耦 合进塞的荧兜售号，魄有搽舒端蕊发射强寒的激光信号。激必信号豹存在，影响了荧搬搭 号静梭灏，所殴磐须糟滤波片褥冀滤除。最德豹滤波片窿该对激光信号瓣透过率为o 隧 对荧光俗号的透过率为l 。实际的滤波片不可& 达到这种理想性能，但最好做到对激光信 号尽量截止而对荧光储号的透过率尽量大。 蘩号戆捡溺系绞帮分由惫邀德增营、数握聚嶷专等器静掇袋。毙毫薅壤管是强蘩疲建 最为成熟的探测器件之，具有灵敏度高、噪声小等特点。数据采集卡将光电倍增管探测 的信号采集输入到计算机中进行处理。 绩譬解调部分主黉由计算枫厦熊软件完残。零文第四章中赍绍了l 。a b v i e w 中实现酌 信号勰诵程序。 2 系统的特点 与旗子分立元件的光纤倏逝波生物传感器相比，本文构建的基于光纾柬的倏逝波生物 接懑爨疑有翔下凡令特点： 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 采用单模石英光纤作输出尾纤的半导体激光器代替普通激光器作为激发光源， 可以通过激光器尾纤与激光传输光纤之间的熔接实现激光的传输，省去了分立结构所必需 的光纤耦合装置；并且跟传统的光纤耦合方式相比，熔接的耦合效率要高得多，可以减少 激光的能量损耗。 ( 2 ) 在激光的调制方面，采用电流注入内调制的方式，可以省去对激光外调制用的 斩波器，使整个系统的结构更加紧凑。同时，采用电流调制将比斩波器调制获得更为稳定 和精确的调制信号，这为后面进行微弱信号的准确解调提供了前提条件。 ( 3 ) 采用光纤束作为激光和荧光信号的传输通道，从而减小了信号在传输过程中的 损耗，并实现了系统的紧凑性和小型化。 ( 4 ) 该系统中。滤波片是个分立元件，但滤波片一般可以直接固定于光电倍增管 的前窗上，所以对系统的便携性没有太大的影响，适合野外检测。 该传感器系统中，信号主要在光纤中传输，受外界干扰小，性能稳定。相对分立结构 的光纤生物传感器而言，在系统的整体结构上有较大的改进。除了可固定于光电倍增管前 窗上的滤波片和用于连接光纤束和光纤探针的小巧的连接头之外，光信号的传输、收集全 部采用了光纤结构，提高了系统的集成度，增强了系统的野外适应性。 基于光纤束的倏逝波生物传感器系统中分立元件大大减少，系统的稳定度、便携性都 有相当提高，但该结构中仍然包含滤波片、光纤连接头等分立器件，并且对系统的探测灵 敏度还有一定程度的影响。考虑到目前通信产业中，光纤光栅、耦合器等光纤器件已经走 向商品化、标准化，如果用光纤b r a g g 光栅滤波器取代滤波片，用光纤耦合器取代连接头， 则可以构成一个基于单模光纤的更可靠更简单的全光纤结构的生物传感器。 2 2 3 全先纤结构的倏逝波生物传感器 一种基于单模光纤的结构更为紧凑的倏逝波生物传感器系统如图2 4 所剥1 8 j 。 f 轴r 咖g 蜥剁” 图2 4 全光纤结构的牛物传感器的系统结构示意斟 这种系统在原理和一些主要方法f ：与前一种系统是一致的，卡耍差别是利用了耦合器 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 和光纤光栅，并采用单模光纤取代光纤束。在该结构中，2 1 的耦合器将两根单模光纤和 一个光纤探针连接起来，在传输荧光信号的单模光纤的末端连接一个光纤b r a g g 光栅滤波 器，然后与带尾纤的雪崩光电二极管相熔接。 目前光纤在通信产业应用中迅猛发展，光纤器件如耦合器、光纤光栅都已经走向标准 化、商品化，利用全光纤结构研制的光纤倏逝波生物传感器将提供一种快速、特异性强、 灵敏、便携的检测手段，符合将来光纤生物传感器商品化、市场化的整体要求。目前光纤 光栅的制作成本较高，限制了这种全光纤结构的生物传感器的应用。但随着光纤技术和光 纤器件的发展，该方法将成为光纤倏逝波生物传感器发展的一个重要方向。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章时域有限蒺分法在分析探针中场分布的应用 激必在毙纡搽钟申传播时产生的倏逝波的逑瓣深度是决定激发出的荧光信号强弱的 关镶，蔽惩掰 究翔俺滚诗势饶纯巍纾探锋鞋挺离荧光绩号的激发帮羧集效率，对提赢巍终 倏逝波瀣物传感器的搛测灵敏度十分必要。本文从电磁场的理论出发分析探针中的爝分 布。在嗽磁场的数值解法中，选择了时域有限麓分法来求解。本章研究了时域有限差分法 瓣墓零照壤，劳应爰予毙纾搽铮孛场分露豹分爨。 3 1 时域有限麓分法简介 i 粥6 年，k 鞠es e 搀出丁翔瓿e 氏溺捂懿空溺离教方式睁5 ，把带薅阕囊羹熬m 8 x w 娃l 微分方程转化为差分格式，并成翡模拟了电磁波脓冲与理想器体作用的辩域响应，亩豫诞 生了时域有限差分( 垂i n i t e d i 跪r e n c e t 抽e d o m a i n ，f d t d ) 法。后来经过大批科学家的努 力，i 亥方法逐渐走向成熟。其中，r h o l l a l l d ，k 。s k 曲z ，a ，t a 矗o v e 和w 跫h 啪旦2 矗l 等 久豹贾敲较大。 作为电磁场领域的种数值算法，f d t d 法脊以下特点1 2 7 l ： ( 1 ) 直接时域计簿。把含有时闻变量的m a x w e 微分方程在y e e 氏网格空问中转化 为差分方程。每个潮格点上豹电场( 或磁场) 分嶷都与它摆邻麴磁场( 或魄场) 分量及上 一个时阗步该点酶电汤 将( 3 3 0 ) 式中的二阶导数用有限麓分表示为 氅。盈塑二；z 鲤缝二堕 ( 3 3 3 ) 彝2 懿1 2 蘼( 3 3 3 ) 、( 3 3 1 ) 两式代入( 3 3 0 ) 式可褥 第1 7 戚 国防葶辱学技术丈学研究生院学位论文 坦一雩：。 。， r 幽、。 c 。 l 了j 可觅量与缈之闻楚一种菲线憔关系，必然爵致稆速度与频率有关，因而出现色散，即 数值色散。这种色散与离散间隔觚有关，从减小色散出发，就要对血育所限制。 当害砷咎蹲，鸯蝣n 善a 善。姿步要嚣，霹认为善寸o 。辑缢，要城小差分近钕掰带 来的色澈，就要求 坐 c f p ? 其中，为输入到i i n 脚的电流，在2 雌和7 5 0 “a 之间有良好的线性，在1 0 吣到4 0 0 l a 的范 围内可以达到最优的教果。 ；。鬻毅峦毫滚滋羧入，氇哥蔽l 蠡邀歪源搴联邀辍羧入。考懑鍪| 跹f 瓣鼙滏羧窭2 。5 v 的基准电压，所以实验中采用r e f 脚串联个电阻r n 的方式求提供f 。 j 嘴：y 陋f 豫l n 0 4 s 、 霞入( 4 。1 ) 式，褥 民= 彘 当蝴脚通过个1 2 k q 媳暇接地对，这个电阻起至n 了蠲个作用： 与主振荡器臻离，改游了溢度稳定瞧；第二，输懑振荡频率鸯瓣倍。这薅， ( 4 3 ) 炎为 娲= 畿 输出信号的占空磁洳d a d j 脚豁南篷凄密 ( 4 6 ) 游先，把f a 蹦 辍滋频率麴公式 ( 4 7 ) d 。= 5 0 1 一( 向且，1 7 + 4 ) ( 4 8 ) 因为设诗驰正弦输出波形的占空比为5 0 ，故 k 删= o v ，d a d j 脚接地。 鎏4 碡中，设嚣a o 帮a 辩懿嘏蘧，控裁翰窭滚形鸯歪弦波。输遗镶号波形与a o 、 a 1 脚的羌系如表4 1 所示。 醚a x 8 懿邀添 表4 1m a x 0 3 8 输出波形岛a o 、a 1 的获蒜 a 0a 波形 o 或l l 正弦波 lo 三角波 oo 方波 2 v 瓣正弦售号鼓 o u t 脚通过一个5 0 q 的缓冲电阻输 丑。 2 电路器件参数的选墩 m a x s 芯片熬设； 黎并了赢定囊冬温度藏爨囊长对耀输出菝率蘸稳定，霆魏电戮翻 第3 l 砸 国防科学技术大学研究生院学位论文 电容等器件的性能决定了电路的性能。所以对电阻和电容的选择要慎重，电阻最好选用金 属膜电阻，电容要选择在较大的温度范围内都具有较小温度系数的陶瓷电容。 由( 4 7 ) 式，并参考( 4 5 ) 式对电流范围的要求，选择c f = o 1 灯，r