（测试计量技术及仪器专业论文）基于干涉光谱分析的生物传感技术研究.pdf

碚。 中图分类号：t n 2 4 7 学科分类号：0 8 0 4 0 2 论文编号：1 0 2 8 7 0 硕士学位论文 基于干涉光谱分析的生物传感 技术研究 研究生姓名戴恒 学科、专业测试计量技术及仪器 研究方向计算机测控 指导教师朱永凯副教授 癀泳抄u 南京航空航天大学 研究生院自动化学院 二o o 年一月 i r卜 l j lrl。lr_-r 一j u n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s i 砀eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo fb i o s e n s o r sb a s e do nt h ea n a l y s i s o fi n t e r f e r e n c es p e c t r u m a t h e s i si n c o m p u t e rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o le n g i n e e r i n g b y d a ih e n g a d v i s e d b y a s s o c i a t ep r o f z h uy o n g k a i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 啪2洲6 舢0删5m 舢8iiii舢y r - - 一 。 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：茧! 垣 日 期：业旦q t 南京航空航天大学硕士研究生毕业论文 摘要 生物传感器是二十世纪六十年代发展起来的一门新兴检测技术。它利用生物分子识别元件 检测生物组织信息，将生物活性表达的信号经各种不同的生物传感器转换为电、声、光等信号 被检测。由于其应用范围广泛、探测灵敏度高、可移植性好、并且可对活体生物组织内部微结 构等进行扫描检测等特点，生物传感器在生物医学领域具有很高的应用价值。 本论文首先介绍光纤生物传感器，简述其发展过程以及国内外研究现状。然后阐述了基于 光谱分析的光纤生物传感器基本原理，据此设计一套光学相干反射( o p t i c a lc o h e r e n c e r e f l e c t o m e t r i c ，o c r ) 测量系统，该系统基于低相干原理、采用共光路光纤结构；选取中心波长 8 4 9 5 r i m 、谱宽为2 3 5 r i m 的超辐射发光二极管光源( s u p e r l u m i n e s c e n td i o d e ，s l d ) ：理论探测分 辨率可达1 3 5 a m 。光谱探测模块由衍射光栅、c c d 等器件按照色散原理与光学结构构建而成。 为了提高其探测信号的稳定性及信噪比，对搭建的平面式光谱探测模块进行优化，通过入射角 度的计算选取与聚焦透镜对光谱信号的色散补偿，使得光源谱线展开均匀、对称。最后对采集 的干涉波形进行光谱标定。 实验证明，光谱探测模块的性能满足理论设计要求。共光路o c r 系统实验中，分别对单 层、多层盖玻片模拟组织检测，然后通过信号检测以及傅里叶变换过程，得到层次信息，误差 范围小于3 u r n 。组织样品膜厚测量实验中，由于组织回光非常微弱，这使信号提取难度系数增 大，但信噪比可以达到1 3 d b ，依然能检测出样品膜厚层次关系。 关键词：光纤生物传感器，低相干，系统优化，膜厚测量，傅里叶变换 基于干涉光谱分析的生物传感技术研究 a b s t r a c t b i o s e n s o re m c e e di n1 9 6 0i san o v e ld e t e c t i o nt e c h n o l o g y i td e t e c t st h ei n f o r m a t i o no f b i o l o g i c a lo r g a n i z a t i o nb yb i o - m o l e c u l e sr e c o g n i t i o ne l e m e mw h i c hi st h e nc o n v e r t e dt oe l e c t r i c i t y , s o u n d ，l i g h to ro t h e rk i n do fs i g n a l sb yav a r i e t yo fb i o s e n s o r s s i n c ei th a ss o m ea d v a n t a g e ss u c h 觞 谢d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，h i g hs e n s i t i v i t y , h i 曲p o r t a b i l i t y , a n dc o u l ds c a nt h em i c r o - s t r u c t u r eo f b i o l o g i c a lt i s s u e ，b i o s 豇 1 s 0 1 sh a v eah i 。g hp r a c t i c a lv a l u ei nb i o m e d i c a lf i e l d t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f 肋c ro p t i cb i o s e n s o ra th o m ea n d a b r o a d a c c o r d i n gt ot h es p e c t r a la n a l y s i s ，p r i n c i p l e so ff i b e ro p t i cb i o s e n s o ra r ed e s c r i b e d b a s e do n t h ep r i n c i p l eo fl o w - c o h e r e n c e ，a no c rs y s t e mw i t hc o m m o n - p a t hs t r u c t u r ei sd e s i g n e d s l di s a p p l i e df o rl i g h ts o u r c e i t sc e n t e rw a v e l e n g t hi s8 4 9 5 n ma n df u l lw i d t ha lh a l f - m a x i m u mw i d t hi s 2 3 5 n m t h er e s o l u t i o ni s1 3 5 u m s p e c t r a ld e t e c t i o ns y s t e mw h i c hc o n s i s t so fd i f f r a c t i o ng r a t i n g ， c c da n do t h e rd e v i c e sm o d u l ei sb u i l tt od e t e c tt h ei n t e r f e r e n c es p e c t r a l s p e c t r a ld e t e c t i o nm o d u l ei s o p t i m i z e db yc a l c u l a t i n gt h ei n c i d e n ta n g l eo ff i b e ra n dc o m p e n s a t i n gt h ed i s p e r s i o ni no r d e rt o e x p a n dt h es p e c t r u mm o r eu n i f o r ma n ds y m m e t r i c a l f i n a l l y c a l i b r a t et h ei n t e r f e r e n c es i g n a l e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c e so fd e t e c t i o nm o d u l es a t i s f yt h et h e o r e t i c a ld e s i g n r e q u i r e m e n t s i nt h ee x p e r i m e n t s o fo c rs y s t e m , s i n g l ea n dm u l t i - c o v e r s l i pa r es i m u l a t e d r e s p e c t i v e l y , t h e nt h ei n f o r m a t i o no fl a y e r sw h o s ee r r o rr a n g ei sl e s st h a n5 u mc o u l db ea v a i l a b l e t h r o u g ht h ep r o c e s so fs i g n a ld e t e c t i o na n df o u r i e rt r a n s f o r m i nt h et i s s u es a m p l ee x p e r i m e n t s ，t h e e x t r a c t i o no fs i g n a li sm u c hm o r ed i f f i c u l tb e c a u s s et h eb a c kl i g h tf r o mt h eo r g a n i z a t i o ni ss ow e a k n ei n f o r m a t i o no fs a m p l et h i c k n e s sc o u l da l s ob ed e t e c t e db e c a u s ei t ss n rc o u l dr e a c ht o1 3 d b k e y w o r d ：f i b e ro p t i cb i o s e n s o r ；l o wc o h e r e n c e ；s y s t e mo p t i m i z a t i o n ；t h i c k n e s sm e a s u r e m e n t ； f o u r i e rt r a n s f o r m i i 南京航空航天大学硕士研究生毕业论文 目录 第一章绪论1 1 1 生物传感器的简介1 1 1 1 生物传感器特点与分类。1 1 1 2 光纤生物传感器的特点、应用领域与发展现状2 1 2 本课题研究的主要意义及内容5 第二章s d - o c r 生物传感的原理分析7 2 1 光谱o c r 基本理论7 2 1 1 干涉光谱分析。7 2 1 2 光谱o c r 的信号处理9 2 1 3 系统理论分辨率与测量深度1 0 2 2 光谱探测模块的原理1 1 2 2 1 衍射光栅1 l 2 2 2 线阵c c d 1 2 2 3 分光光路与光谱标定1 3 2 3 1 衍射光栅的分光光路1 3 2 3 2 光谱标定1 5 2 4 本章小结1 7 第三章s d - o c r 生物传感系统1 8 3 1 共光路光纤结构的o c r 模型1 8 3 2 谱域o c r 系统的设计1 9 3 2 1 光源模块2 0 3 2 2 耦合器模块2 1 3 。2 3 光谱探测模块2 3 3 3 光谱探测模块的设计与优化2 5 3 3 1 光谱探测校验系统2 5 3 3 2 步进电机驱动参考臂模块2 6 3 3 3 光谱探测系统的优化设计2 6 3 4 软件设计2 8 i i i 基于干涉光谱分析的生物传感技术研究 3 4 1l a b v i e w 的介绍2 9 3 4 2 像元到波长的拟合2 9 3 4 3 光强的拟合3 0 3 5 光路的调整3l _ 3 6 本章小结3 3 第四章实验结果与分析3 4 4 1 样品的制备3 4 4 2 光谱探测系统校验3 5 4 3s d o c r 系统的验证实验3 7 4 3 1 单层盖玻片实验3 7 4 3 2 多片盖玻片实验3 8 4 4s d - o c r 系统的样品实验4 0 4 4 1 洋葱表皮实验4 0 4 4 2 老鼠眼睛样品4 2 4 5 本章结论4 3 第五章总结与展望4 5 5 1 总结4 5 5 2 展望4 5 参考文献。4 7 致谢5 ( ) 在学期间发表论文和科研成果。5 l 附录：实验系统。5 2 i v 南京航空航天大学硕士研究生毕业论文 图清单 图2 1 双臂o c r 系统的原理框图。7 图2 2 光源光谱9 图2 3 干涉光谱9 图2 4 衍射光栅的光路l l 图2 5m o s 结构示意图。1 3 图2 6 衍射光栅的分光原理1 4 图2 7 光强的对应关系1 6 图3 1 共光路系统的原理框图1 8 图3 2 样品干涉原理图1 9 图3 3 谱域o c r 的原理框图1 9 图3 4 光纤耦合器结构2 1 图3 5 准直镜。2 3 图3 6 衍射光栅2 4 图3 7 光谱仪架构2 5 图3 8 光谱探测模块的校验系统2 5 图3 9 电机驱动2 6 图3 1 0 入射角度不同时的光谱2 7 图3 1 1 入射角度不同时的光谱展开2 7 图3 1 2 聚焦透镜微小变化下的光源谱线2 8 图3 1 3 光源谱线2 9 图3 1 4 像元与波长的拟合软件界面3 0 图3 1 5 光强对应关系图3 1 图3 1 6 拟合后的光源光谱31 图3 1 7 参考臂与样品臂框图3 2 图3 1 8 参考臂与样品臂的反射光强3 2 图3 1 9 双臂叠加的光强信号3 3 图4 1 系统样品臂框图3 5 图4 2 光程差为7 0 u m 时的干涉波形。3 5 v 基于干涉光谱分析的生物传感技术研究 v i 图4 3 光程差为7 0 u m 时的干涉波形的f f t 变换3 6 图4 4 光程差为1 5 0 u r n 时的干涉波形3 6j 图4 5 光程差为1 5 0 u r n 时的干涉波形的f f r 变换3 6 图4 6 单层盖玻片的干涉波形3 7y 图4 7 单层盖玻片干涉图形的f 兀变换3 8 图4 8 三层盖玻片的干涉波形：3 8 图4 9 三层盖玻片干涉图的开t 变换。3 9 图4 1 0 三层盖玻片干涉波形的f f t 变换后折算图3 9 图4 11 洋葱表皮反射情况。4 0 图4 1 2 洋葱表皮反射光谱f f t 变换4 0 图4 1 3 洋葱表皮单层干涉4 1 图4 1 4 洋葱表皮单层干涉光谱f f r 变换4 1 图4 1 5 洋葱表皮多层干涉4 l 图4 1 6 洋葱表皮多层干涉光谱f f t 变换4 1 图4 1 7 石蜡底信号4 2 图4 18 石蜡底信号f f t 变换4 2 图4 1 9 眼睛组织的信号4 2 图4 2 0 眼睛组织信号经过f f t 变换后的波形4 3 表清单 表1 细胞传感器的分类2 表2 测量厚度的方法3 表3 光纤耦合器参数表2 2 表4c c d 参数2 4 表5 波长与像元的对应关系2 9 表6 参数c o 、c i 、c 2 和e 3 的值3 0 表7 盖玻片厚度信息分析4 0 表8 洋葱表面不同层面的光程信息4 1 南京航空航天大学硕士研究生毕业论文 注释表 厶 光源中心波长 允 宽带光源功率谱的波长宽度 丘 相干长度e r参考光的振幅 k 波数 r 参考臂的光程长 z 样品深度 n 样品的折射率 i 光强 s ( k ) 光源的光谱密度函数 a 光源光谱的f o u r i e r 变换 。 卷积 z 凇 测量深度 t k 余弦信号的周期 风 光谱仪以波数表示的分辨率砥光谱仪以波长表示的分辨率 口 光栅入射角 目 光栅衍射角 厶 入射光光强 d 衍射光栅的刻划间距 f 透镜焦距 d j cc c d 像元j 到c 的距离 m光栅衍射级次w 象素宽度 v i i ， 南京航空航天大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 - 1 生物传感器的简介 生物传感器【1 】是由生物学、医学、电化学、光学、热学及电子技术等多学科互相渗透而产 生的一种分析检测装置。它的检测原理是：待测物质进入生物活性材料( 如酶、蛋白质、d n a 、 抗体、抗原、生物膜等) 经分子识别发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能 器转变成可定量和可处理的电、声、光等信号，再经二次仪表放大输出，便可知道待测物厚度、 大小、浓度和其他生物信息。 1 1 1 生物传感器特点与分类 生物传感器的共有结构一般由两部分组成：其一是生物分子识别元件( 感受器) ，是指将一 种或数种相关生物活性材料固定在其表面( 也称生物敏感膜) ；其二是能把生物活性表达的信号 转换为电、声、光等信号的物理或化学换能器。二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表 技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感分析装置、仪器和系统。 生物传感器具有以下特点：测定范围广泛，根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以 制成测定所有生物物质的传感器；样品制备简便，一般不需进行样品的预处理，测定时一般不 需另加其他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析；样品利用率高，通常其敏感材料 是固定化生物元件，可以反复多次使用：体积小、响应快、样品用量少、成本低、可以实现连 续在位检测。 生物传感器按传感器的敏感元件来分可以分为：酶生物传感器、免疫生物传感器、d n a 生 物传感器和细胞生物传感器。下面分别介绍一下各种生物传感器。 酶传感器：酶传感器【2 】是最先被发明出来的，是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、 化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信 号，实现对目标物定量测定的分析仪器。 免疫传感器：免疫传感器利用抗体和抗原之间特异性的免疫化学反应为原理制成。将抗体 固定在固相载体上，还可从复杂的基质中富集抗原物质，达到检测特定化学物质及其浓度的目的。 压电免疫传感器是较常见的一种免疫传感器，具有敏感性高、特异性强、测定实时快速、小型简 便、可进行自动化分析检测的特点，采用多种传感器集成可对多种抗原或抗体测定【3 】。 d n a 传感器：d n a 传感器1 4 是由一个支持d n a 片段( 探针) 的电极和检测电化学活性识别 元素( e l e c t r o cc h e m i c a lr e c o g n i t o ne l e m e n t ) 构成。d n a 探针是单链d n a ( s s 2 d n a 片段( 或者一整条 基于干涉光谱分析的生物传感技术研究 链) ，长度从十几个到上千个核苷酸不等。在适当温度、p h 、离子强度下，电极表面的d n a 探 针分子能与靶序列选择性地杂交，形成双链d n a ( d s 2 d n a ) ，从而导致电极表面结构的改变。 ， 细胞生物传感器细胞传感器是由固定或未固定的活细胞与电极或其他转换器组合而成的 一类生物传感器。当活细胞与分子识别元件特异性结合后，产生的信息通过换能器转换为可定r 量和可处理的信号，从而达到分析检测的目的。细胞传感器已成为生物传感器研究领域的一大 热点。根据细胞传感器的检验原理不同可以分为六大类，如表i 所示： 表1 细胞传感器的分类 分类原理应用 微电极细胞传感微电极5 1 插入细胞内部或置于细胞周围实时定量地监测单个细胞内外的电活 器 性物质及其变化。现在纳米生物传感器、单细胞分析、电化学动力学研究等 众多领域显示出了巨大的潜在应用性。 半导体细胞传感 单个细胞或某些细胞体系固定到一个裸露( 无金属栅) 的场效应管( f e t ) 上【6 1 。 器 光纤细胞传感器检测生物反应所产生的光的强度、振幅、相位等参数，确定被检物质的量的 分类原理应用【 引。 表面等离子体共电磁波所激励的在金属和电介质交界面上形成的影响电磁波传播的谐振波。 振细胞传感器 微悬臂细胞传感少量的分子吸附在微悬臂梁的表面就会导致悬臂梁弯曲偏转量和谐振频率 器的变化睁1 0 1 。 石英晶体微天平 q c m 系统主要由电子振荡电路、频率计数器和压电石英晶体3 部分组成， 细胞传感器当石英晶体表面质量变化时将引起压电晶片振动频率的改变。 本课题的研究对象为光纤式生物传感器，属于细胞生物传感器的一种。相对于其他细胞传 感器，光纤生物传感器具有以下优势： 1 ) 无需生物组织着色，光纤式细胞传感器直接测量的生物组织内部后向散射反射光的干 。 涉情况，不需要破坏组织中的细胞。2 ) 操作便捷，便于移植。3 ) 无损检测，无辐射，不破坏 机体性能。4 ) 细胞级别检测，在生物医学材料的移植中，新的有机体到原宿主中的排异反应可 ， 以通过检测细胞的膜系融合来标定移植是否成功。 下面将着重介绍下光纤生物传感器的具体特点，国内外的发展状况与主要应用领域。 1 1 2 光纤生物传感器的特点、应用领域与发展现状 光纤生物传感器如前所述，主要由光纤和生物敏感膜组成，基于待测物反射光的强度、振 2 南京航空航天大学硕士研究生毕业论文 幅相位等参数变化来确定被测物的某种性能参数的。本课题里是基于光纤生物传感器来测取生 物组织颗粒的大小( 膜厚) 。 传统的测取样品膜厚的方法比较多，列表如表2 进行比对： 表2 测量厚度的方法 膜厚测量方法性能优缺点 迈克尔逊干涉仪操作简单，数干涉条纹。 无法直接测出干涉条纹移动的数目，干涉条纹 的清晰度直接影响测试精度。 椭圆偏振法 测试精度高，无需事先知道薄膜的折射率，由 于该方法依赖椭圆偏振仪生产厂提供的曲线和 数表，导致该方法使用范围受到限制。 x 射线干涉法 条纹分割的可靠度比光学干涉法高，可实现纳 米级测量，但该方法只能测最小厚度，不能检 测任意位置的薄膜厚度。 表2 中可以看出各种测量方法均有各自的优缺点，而且各自的应用范围不同，现在提出一 种新兴的光纤式生物传感器i 应用于生物组织颗粒( 膜厚动态变化) 检测。光纤式生物传感 器操作简单，测量精度较高( 微米级别) ，可以实现组织任意处的膜厚的测量 i - 1 3 】。 随着科技的发展与社会的进步，光纤生物传感器的应用越来越广泛，在医学领域、环境检 测、食品卫生、生化战剂等领域发挥着越来越重要的作用。 医学领域：医学检测是光纤生物传感器最重要的应用领域，因而发展很快。用于酶、抗原 抗体以及核酸检测的传感器均有很多报道。r u e y - a nd o o n g m 】等将乙酰胆碱脂酶、异硫氰酸荧 光素和葡聚糖用四甲氧基硅烷( t e t r a m e t h o x y ls i l a n e ，t m o s ) 制成的溶胶凝胶固定到光纤表面， 酶的催化影响荧光的强度，通过检测荧光可以测定乙酰胆碱，通过调整t m o s ：h c i ：h 2 0 的比例 以及缓冲液等措施，研制一种简单、准确、可靠的光纤生物传感器。由于神经毒剂对乙酰胆碱 酯酶具有抑制作用，这种传感器还可以用于检测神经毒剂。k i s h e n 等【1 5 悃四乙基正硅酸盐( t e o s ) 制成凝胶，将溴苯酚混合在凝胶中，然后固定在除去包层的光纤表面，由于口腔中的变形链球 菌分解蔗糖导致入射光光谱在5 9 7 n m 处呈现明显的吸收峰，通过此吸收峰的变化，间接检测到 口腔中该菌的数量【1 6 1 。m a s s o n 掣1 。7 】将乳酸氧化酶固定在具有脂质双层结构的细菌细胞膜上，细 菌细胞膜组合到光纤氧电极上，这种乳酸传感器在检测心肌梗死、充血性心衰、肺气肿、出血 等导致的乳酸升高具有较好作用，并且不受葡萄糖、果糖、谷胺酸等影响。s e r g e i 1 8 】等将光纤 去掉包层后镀上金膜，通过自组装技术将肌红蛋白和肌钙蛋白抗体连接到羟甲基化葡聚糖层， 3 基于干涉光谱分析的生物传感技术研究 用这种方法制成光纤s p r 传感器检测肌红蛋白，其检测限达到2 0 9 弘g l ，肌钙蛋白检测限达到 1 4 # g l 。m a s s o n 等在光纤上固相合成寡核苷酸，然后将荧光染料噻唑橙共价结合到寡核苷酸上， 经过与目标核酸片段杂交，荧光强度明显增加。用这种方法制作成一种新型的d n a 生物传感 器。 国内中国科学院黄惠杰等【1 2 】研制了一种基于消失波原理的核酸传感器。通过将光纤纤心 硅烷化后共价结合嗜肺军团菌核酸识别分子将其置于标记c y 5 荧光染料的目标嗜肺军团菌核酸 溶液中进行杂交反应，然后进行荧光检测，结果表明，对纯净c y 5 荧光染料的极限检测灵敏度 达到0 o l n m o f l ；在0 0 1 一 1 0 0 n m o f l 浓度范围内具有良好的线性响应特性：对0 0 1 # m o l l 标 嗜肺军团菌核酸的检测信噪比达4 6 l ；与商品化生物芯片扫描仪的检测结果不仅具有良好的一 致性，而且响应特性优于后者。 环境监测领域：环境问题在全球特别是发展中国家是普遍存在的问题，严重污染的自然环 境将危及到人类自身的生存和发展，为了更好的监测和保护环境，需要简单快捷的检测技术， 光纤生物传感器在环境污染物检测方面也因此得到很好的发展。针对各种农业中的除草剂、有 机磷农药以及污染环境的工业废物装置也有很多报道。m a g r i s s o 掣2 3 】将重组生物发光细菌 l a c ：l u x c d a b e 用琼脂固定在光纤表面，用于检测挥发性有机化合物苯、甲苯、乙苯、二甲苯， 由于这些化合物导致细菌发光减少，通过在琼脂中加入不同大小的玻璃珠和减少膜的厚度使气 体更容易扩散，取得了较好检测效果。j i t e n d r a 等将黄杆菌包埋在玻璃光纤滤光器上，该细菌具 有有机磷水解酶，将甲基对硫磷水解成可检测的p 硝基酚，检测限为0 3 弘m o l l ，检测范围4 8 0 # m o l l 。 食品卫生领域：k i s h a n 剐a l 等【2 4 】人将针对大肠埃希菌0 1 5 7 ：h 7 的单克隆抗体共价结合在 经过拉细处理的光纤表面，通过抗原抗体的特异性反应检测大肠埃希菌0 1 5 7 ：h 7 ，其灵敏度达 7 0 c e l l m l ，并具有很高的特异性。s u n g h o 等将抗沙门氏菌抗体标记荧光捐赠基团a l e x af l u o r 5 4 6 ，g 蛋白标记荧光接受基团a i e x af l u o r5 9 4 ，硅烷化光纤纤心后连接上以上混合物组成渐逝 波原理的生物传感器，这种传感器通过检测a l e x af l u o r5 9 4 发出的荧光用于检测猪肉中的沙门 氏菌最低检测限达到1 0 5 c f u g 。此外，用于检测各种经常引起食物中毒的毒素如葡萄球菌肠毒 素b 的传感器也有一些报道【2 5 1 。 生化战剂监测领域：v i v e r o s 等将有机磷脂水解酶和荧光物质c a r b o x y n a p h - t h o f l u o r e s c e i n 连 接到生物素，同时将亲和素连接到聚苯乙烯光纤上，通过生物素亲和素的特异性连接将酶和荧 光物质连接到光纤上，这种传感器检测对氧磷的范围为l 8 0 0 # m o l l ，检测脱氟磷酸脂的检测 范围为2 - 4 0 0 肛m o l l 。美国海军实验室研制安装在飞机上用于检测枯草杆菌的光纤生物传感器 监测范围达到1 6 4 0 c m 2 ，并能适时传回数据，真正达到遥测的目的。 4 南京航空航天大学硕士研究生毕业论文 光纤生物传感器国内外的发展现状： 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广泛研究，光纤生物传感 器得到了迅猛发展，下面主要介绍国内外光纤生物传感器的发展现状。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 e s e a r c hl a b o r a t o r y 和r e s e a r c hi n t e r n a t i o n a l 公司的l i g l e r l 2 9 l 和a n d e r s o n e 3 2 1 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 g l e r 第：报道了一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。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 t i s ( t h em a np o r t a b l ea n a l y z ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 。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 ( ar a p i da u t o m a t i ca n d p o r t a b l ef l u o r o m e t e ra s s a ys y s t e m ) 。谱域光 纤生物传感器的技术研究主要由麻省理工学院c h u l m mj o o 和j o h a n n e sf d eb o e ：3 3 】应用谱域分析 原理，基于共光路系统，分析动态的生物抗原与抗体结合后形成的厚度微变化测量。该技术与 生物医学活性材料植入有机体有重大贡献。 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。该系统 同样采用基于倏逝场激发和收集荧光信号的原理，系统结构以分立光学元件为主，目前己发展 到f o b 3 型。另外，西安交通大学杨玉孝3 ”叼等人，东南大学吕华【3 ”8 】等人，浙江大学的张秀 达p 9 】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。华中科技大学也正在进行基于 表面等离子体( s p r ) 新技术的生物传感器理论研究。总之，国内的光纤生物传感器多还处于研究 阶段，还有待于实用化，要达到广泛应用估计还需要一定的时间。 1 2 本课题研究的主要意义及内容 细胞分子检测时，主要探测细胞分子间的融合性。例如：当生物活性材料应用于活体植入 时必须进行充分的生物相容性评价，于是加强生物材料的生物相容性表征和评价方法的研究就 显得尤为重要。生物医用材料植入机体后，首先是与血液、组织和组织液接触。材料表面与细胞 和蛋白质作用规律和机制的研究是生物材料生物相容性研究的关键，这一问题的研究要求细胞 生物学、分子生物学技术及表面观测技术的有机结合。因此研究重点是材料表面吸附蛋白质的 状态与细胞蛋白质分子表面相互作用的关系。而被誉为“光学活检”的光学生物传感器法由于其 高分辨率、非侵入式测量及实时性高等优点，避免了取样活检及平均测量的缺点，越来越受到 广大研究者的关注，其应用也越来越广泛。以下是课题研究的主要内容： 理论分析：主要包括系统原理分析，光源光谱，干涉光谱，与干涉光谱信号处理。然后介 绍了由光源决定的系统理论分辨率与探测深度与光谱探测元器件的参数性能指标。最后阐述了 光谱元器件的分光原理与光谱标定理论。 5 基于干涉光谱分析的生物传感技术研究 系统搭建工作：这部分是整个实验的平台，对比于时域系统，谱域光纤相干系统主要由： 系统整体的搭建：按照原理图搭建s d o c r ( s p e c t r a ld o m a i n - o p t i c a lc o h e r e n c er e f l e c t o m e t r i c ) 系 ， 统；设计光谱探测系统，用光谱探测系统替代了原来时域的光电二极管接受光信号，由衍射光 栅，线阵c c d 等主要元器件设计完成光谱探测； p 在光谱探测系统中需要进行光谱信号的校正：从原来的像元点转换为对应的波长值与光强的信 号波形。 实验与信号处理：光谱探测系统的检验校对实验与共光路系统的生物样品实验。信号处理 主要对采集的干涉光谱进行去噪与f f t 变换，得到的信号中提取出有用数据。 6 南京航空航天大学硕士研究生毕业论文 第二章s d o c r 生物传感的原理分析 光学低相干技术自产生以来，已经逐步从单一的参数测量发展成为生物医学上的广泛应 用，特别对于高散射的介质，因为其高分辨率的特点广泛的应用于生物医学领域。光谱生物传 感器( s d - o c r ) 的理论基础主要基于低相干原理。 在本章中以典型迈克尔逊干涉为例，由双臂迈克尔逊干涉谱信号的基本理论引到o c r 谱 信号的基本理论，主要介绍干涉光谱，干涉信号的成分分析。干涉光谱经过傅立叶变换后得到 的信号包含着反映样品不同深度后向散射信息，是需要提取的主要信息；其次介绍了光谱探测 模块的组成器件分析，主要包括衍射光栅，与线阵c c d 。最后介绍了分光原理与光谱标定工作。 2 1 光谱o c r 基本理论 迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉光谱谱线由样品决定，以多层样品为例，由于样品结构的不均匀 性，从样品不同深度散射回来的光的强度就不同，所以当不同层面回光与参考光相遇时产生的 干涉信号里就带有样品不同深度的光反射率信息。由于光源采用的是宽带光，干涉条纹不再是 等幅的正弦波，此正弦波的包络受光源光谱傅立叶函数变换调制。本节详细阐述了光谱o c r 干涉理论，首先是干涉光谱的数学表示及成分分析：干涉光谱经过傅立叶变换后得到光谱o c r 信号，其中即包含反映样品不同深度后向散射信息的信号项，也包含各种噪声项。 2 1 1 干涉光谱分析 光谱o c r 测量原理是基于干涉光谱m ，本节以迈克尔逊干涉原理为例说明干涉光谱的信 息分布情况。图2 1 为基于迈克尔逊原理的双臂系统框图。 图2 i 双臂o c r 系统的原理框图 7 基于干涉光谱分析的生物传感技术研究 宽带光源发出的光被耦合器分成两束光，一束为参考光，一束为样品光。光源为理想点光 源，并且忽略光的偏振，则参考光经平面镜反射后返回，其中一个频率的单色光可以表示为 毋e x p ( i 2 k r ) ，其中e r 参考光的振幅；k = - 2 1 r y a 为波数：2 r 参考臂的光程长。样品光穿透样品， 在样品的不同深度处都存在后向散射，不同深度处的后向散射光按照原光路返回，因此可以看 成不同深度成分的叠加，表示为： 1 a ( z ) e x p i 2 k r + n z d z ( 2 1 ) m 7 其中a ( z ) 为样品深度z 处的后向散射幅值；n 为样品折射率；2 1 1 z ) 为样品深度z 处对应的 光程长。这里忽略光在样品中的散射，样品光与平面反射回来的参考光叠加后产出干涉，干涉 信号用光谱仪接收，干涉光谱i 可以表示1 为： m ) = s ( k ) ( e re x p ( f 2 k