基于光纤S锥形模间干涉传感器件的生物分子特异性检测研究.doc

基于光纤S锥形模间干涉传感器件的生物分子特异性检测研究 学校代码10055UDC密级公开硕士学位论文基于光纤S锥形模间干涉传感器件的生物分子特异性检测研究Research onthe SpecificDetection ofBiomolecules UtilizingS-tapered StructureBased FiberInterferometer论文作者张旭指导教师刘波教授申请学位工学硕士培养单位电子信息与光学工程学院学科专业光学工程研究方向光纤光子学答辩委员会主席评阅人南开大学研究生院二一九年五月摘要I摘要随着社会经济的发展，信息技术的进步，生物医学研究引起了人们广泛的研究兴趣，成为了当今时代的重要发展领域之一。 生物传感器件在疾病诊断、医疗保健、药物研制、环境监测等诸多领域的应用过程中，装置的灵敏度、集成度以及探测的精确度等性能也面临着进一步的提高与优化，因此，新型生物传感器件的研制成为了生物医学领域的研究热点。 光纤生物传感器作为一种将光纤传感技术的优势结合到生物检测技术当中的高效探测分析工具，为无标记生物检测提供了一种响应速度快、安全性高、耗样量少、生物相容性好的新型技术手段。 本文以光纤S锥形干涉结构为基础制作光纤模间干涉型传感器，主要讨论了传感器件的结构特性以及其在生物分子特异性检测方面的实验研究。 本论文的主要研究工作包括以下几方面1.结合光纤模间干涉原理，对光纤S锥形结构的干涉原理进行理论分析。 同时，基于光束传输法建立了光纤S锥形结构的理论模型，讨论S锥结构的几何参数与干涉光谱间的关系，为S锥形光纤结构的制备提供理论依据。 2.设计并实现了一种基于疏水蛋白HGFI自组装的光纤S锥形免疫传感器。 利用熔接机电弧放电制作光纤S锥形结构，并封装于石英毛细管通道内用于免疫检测实验研究。 疏水蛋白HGFI可自组装成膜并吸附探针抗体分子于光纤表面。 经表面修饰后的光纤传感器即可实现对抗原分子的特异性免疫检测。 3.设计并制作了级联S锥形光纤模间干涉传感器，从理论角度分析了该结构的干涉原理以及透射光谱强度随环境折射率的变化关系。 在实验上，利用多聚赖氨酸PLL（Poly-L-Lysine）与光纤表面的吸附作用，在光纤表面固定探针单链DNA分子，分别对碱基序列互补与完全不互补的DNA分子进行对比实验检测。 4.提出并制作了一种基于细芯光纤的级联S锥形模间干涉结构，从理论上分析了该干涉器件的原理及特点，并且基于光束传输法对其光场分布情况进行了模拟研究。 实验中，利用此光纤干涉传感器实现了最低浓度为1nM的DNA分子的检测，同时该传感装置的特异性、重复性均在实验中得到验证。 生物传感器作为一种具有特异性的分析装置，能够将生物敏感单元与传感器件结合，并且对目标待测物质产生相应的检测信号2。 生物传感技术在疾病诊断、基因治疗、药物研制、环境检测等领域具有重要的研究意义。 随着生物医学等领域的飞速发展，人们在应用过程中也对生物传感技术不断地提出了越来越高的要求。 将光纤传感技术与生物识别技术相结合，即可制得光纤生物传感器件，可用于对特定生物分子的识别与检测。 光纤生物传感器体积小、灵敏度高、生物兼容性好、抗电磁干扰，可应用于免疫检测、基因诊断、癌症筛查等生物检测领域。 作为一种常用的光纤结构，基于光纤模间干涉原理的传感器件近年来也得到了广泛的研究与应用。 S锥形光纤结构是一种马赫-曾德尔模间干涉结构，制作简单、鲁棒性强、灵敏度高，在生物分子的检测方面具有较大的研究潜力。 通过对光纤的表面进行功能化修饰与处理，绑定探针生物分子，使光纤生物传感器具有特异性识别的能力，从而能够实现对特定生物分子的低浓度特异性检测。 本章首先从光纤传感器件的应用与发展出发，对模间干涉型光纤传感器件的种类、特点及国内外研究情况展开叙述，针对光纤模间干涉结构中的S锥形结构的研究现状进行介绍。 同时，对生物传感器件的原理、发展、应用以及光纤生物传感技术的特点、优势、识别机制、研究进展等展开阐述。 第一节光纤传感器件概述光纤传感技术发展至今已经经历了40余年的历史了。 事实上，关于光纤的最初研究与应用是由Kao和Hockham提出的，他们提出光纤作为一种电介质波导可应用于电子通信领域，用于长距离光通信3。 光纤是一种常用的波导介质，外观表现为圆柱状，其结构由内到外可分为三层，分别是纤芯、包层以及涂覆层。 纤芯的折射率通常大于包层折射率，由于光的全反射效应，光可以被束缚在纤芯内低损耗传输。 在包层外，通常会有聚合物涂覆层以提高光纤的机械强度。 光纤第一章绪论2在信息传输方面的应用，因容量大、复用性好、损耗低，对于信息的长距离、高速传输具有明显的优势，在通讯领域需求量也在不断的扩大随着人们对光纤研究的不断深入，在光纤通信技术日益进步的同时，光纤传感技术也得到了越来越多的关注。 光纤既可以作为传输光的媒质，又能作为敏感单元，对外界环境的变化产生响应，基于此优势，光纤传感技术在生产生活中得到了飞速的发展。 光纤传感技术的基本原理在于外部环境的压力、湿度、温度、折射率、应变等物理参量的变化会直接或间接地对光纤中传输光的波长、相位、强度、偏振态等光学参量进行调制，通过光电探测器、光谱仪等探测装置对光纤中光的变化进行检测与解调，进而实现对环境参量的监测。 光纤传感器件经过几十年的发展，因具有灵敏度高、体积小、质量轻、结构灵活、响应速度快、耐腐蚀、抗电磁干扰、可远距离监测等独特的优势4，对振动、温度、湿度、磁场、折射率5-9等物理参量的检测得到了广泛的研究与报道，在工业机械、军事国防、生物医疗等诸多领域得到了广泛的应用。 光纤传感器件根据不同的分类规则可分成多种类别按照光纤在传感器中的功能，若光纤本身作为敏感元件，同时对光信号进行传输，这类光纤传感器件可称为传感性光纤传感器，若在传感器中光纤只用来对光信号进行传输，而敏感元件为其他部件，这种传感器则为传光型光纤传感器10；根据在光纤中因外部环境改变的光学参量的不同，光纤传感器件可分为强度调制型、波长调制型、相位调制型、偏振调制型11；而根据光在光纤中传输的过程是否产生干涉现象，又可将光纤传感器分成干涉型和非干涉型12。 第二节模间干涉型光纤传感器研究现状模间干涉型光纤传感器作为光纤传感器件中的一种常见结构，利用的是同一光纤内或两根不同光纤内不同光路间的光束干涉现象。 因此，在模间干涉型光纤传感器件中通常需要光束的分束与耦合元件13。 光纤模间干涉型传感器能够提供实时的干涉光谱作为传感信号，因此当外界环境对参与干涉的光束产生影响时，通过检测波长、相位、强度、频率、带宽等光学参量的变化，即可测得相应的环境参量的改变。 模间干涉型光纤传感器结构灵活多样、灵敏度高、测量范围广、抗电磁干扰，而随着人们在生产生活中对传感器探测性能的要求不断提高，基于模间干涉结第一章绪论3构的光纤传感器件也在朝向小型化、智能化、集成化、多样化的方向不断发展。 1.2.1光纤模间干涉结构的种类根据光纤器件结构与原理上的差异，光纤模间干涉结构主要可分为Fabry-Perot模间干涉结构、Mach-Zehnder模间干涉结构、Michelson模间干涉结构以及Sagnac模间干涉结构。 Fabry-Perot干涉仪（FPI）通常由两个有一定间隔的平行反射面组成，因反射光束和透射光束在两个平行反射面上的多重叠加而产生干涉。 在光纤中，可通过引入内在或外在的反射界面来实现FPI结构，如图1.1。 图1.1（a）是在光纤外部引入反射面的FPI结构，两段光纤的端面作为反射界面，并在中间形成一段空气腔，这类FPI结构称为非本征型FPI。 非本征型FPI结构制作简单，无需使用昂贵复杂的实验设备，但存在耦合效率较低，不易封装等问题14。 而通过微加工、光纤光栅、化学腐蚀、薄膜沉积等方法15-18，在光纤内部引入反射界面，可以得到本征型FPI结构，如图1.1（b），但这些加工手段普遍成本更高。 图1.1光纤FPI结构示意图（a）外部反射界面形成；（b）内部反射界面形成光纤FPI结构的干涉光谱是由于两束反射或透射光束间存在相位差而产生的。 当外部环境的扰动作用与光纤FPI传感器时，两光束间的相位差会改变，通过测量干涉光谱中干涉峰对应的波长、振幅、自由光谱范围等参量的变化来得到对应环境参量的改变。 Mach-Zehnder模间干涉仪（MZI）因具有灵活多样的结构而被使用在各种传感应用中。 传统的MZI结构通常由两个独立的参考臂和传感臂组成，如图1.2所示。 入射光经第一个耦合器时分别进入参考臂和传感臂，传输至第二个耦合器处再次汇合，经过两臂传输后的光束具有一定的光程差，进而产生干涉现象。 在传感应用中，参考臂通常与外界环境隔离，传感臂则被置于变化的环境当中，当诸如温度、应力、折射率等变化的环境参量造成传感臂中光束改变时，两臂间的光程差也会发生改变，通过分析干涉光谱的变化就能实现对环境参量的监测。 第一章绪论4图1.2传统光纤MZI结构示意图随着对光纤MZI研究的不断深入，人们设计并制作出参考臂与传感臂能够在同一根光纤内实现的MZI结构，并对其传感应用进行了研究。 研究人员通过在光纤内写入光栅、错位熔接、熔融拉锥以及使用不同种类的光纤等方法，使光束可以沿同一光纤内的不同路径传输，如纤芯和包层。 这类结构较传统参考臂和传感臂独立的MZI结构，体积更紧凑、稳定性更好，有更广阔应用前景。 光纤Michelson干涉仪（MI）的结构与原理和光纤MZI结构类似，都是基于参考臂与传感臂中的光束间存在光程差而产生干涉效应。 不同的是，在光纤MI结构中，发生干涉的两束光是经两臂末端反射后得到的13，如图1.3（a）所示，整个光纤MI结构与MZI结构的一半十分类似。 因此关于光纤MI的制作与MZI相似，主要区别则在于反射面的引入。 由于光纤MI采用反射式的结构，因此在实际应用过程中具有结构紧凑、安装灵活等优势，同时具有较强的复用能力。 然而在MI的设计与使用的过程中，需要在光源的相干长度内调整参考臂与传感臂间的光程差。 光纤MI结构的两臂同样可以设计在一个光纤内实现，如图1.3（b），部分纤芯中光耦合到包层，未发生耦合的纤芯模式与包层模式经光纤端面反射后发生干涉。 图1.3（a）传统光纤MI结构示意图；（b）两臂在同一光纤内的MI结构示意图光纤Sagnac干涉仪（SI）由于结构简单、易于制作、鲁棒性强等优点，近年来在各种传感领域得到了广泛的应用19。 光纤环是光纤SI结构的主要组成部分，在环内两束光以不同的偏振态进行传输，传输方向相反。 图1.4是光纤SI的第一章绪论5结构示意图，入射光传输至耦合器的位置，分成两束分别沿光纤环两个相反方向传输的光，在耦合器处再次相遇。 与其他几种光纤干涉结构不同，在光纤SI结构中，参与干涉的两束光偏振态不同、传输速度不同，因此两束光之间存在一定的光程差。 为了增大SI的偏振相关性，在传感器的制作中通常会使用到双折射光纤，通过调节光纤环内的偏振控制器（PC）调节光束的偏振状态。 在耦合器的输出端可以接收到沿光纤快轴和慢轴方向偏振的光束相干产生的干涉信号。 图1.4光纤SI结构示意图1.2.2模间干涉型光纤传感器件的国内外研究进展自上世纪80年代初期，关于光纤FPI传感器的相关研究逐步开展。 1981年，S.J.Petuchowski等人利用单模光纤制作了FPI并对微小位移进行检测20。 2000年，J.L.Elster等人制作了基于传统非本征型FPI结构的生物传感器，如图1.5（a），其折射率分辨率可达10-621。 为进一步提高FPI结构的耦合效率与稳定性，研究人员通过在光纤内部引入反射面来制作本征型FPI传感器。 xx年，V.R.Machavaram等人，利用光纤纤芯和包层因组成成分的不同而导致的在氢氟酸中腐蚀速率存在差异这一特性，通过化学腐蚀的方法在光纤端面制作微腔结构，并将两段端面制好微腔结构的光纤熔接，制成反射端面在光纤内部的FPI传感结构22，如图1.5（b）。 xx年，Y.Liu等人利用飞秒激光技术在单模光纤内引入FPI腔，如图1.5（c），并对液体折射率进行测量，灵敏度为1147.48nm/RIU23。 2018年，J.Tian等人对高数值孔径的固芯光子晶体光纤施加应力后切割，由于在纤芯和包层间存在空气孔结构，导致纤芯和包层所受应力不均，切割后可得到凹芯结构，将其与普通单模光纤熔接后可得到FPI结构，如图1.5（d）。 该团队利用腔体长度为4.85m的FPI结构对应力进行传感实验研究，灵敏度为2.110-3pm/24。 第一章绪论6图1.5光纤FPI传感器件结构（a）传统非本征型FPI结构；（b）利用化学腐蚀法制作FPI干涉腔；（c）飞秒激光引入光纤FPI干涉腔；（d）利用光子晶体光纤制作FPI结构光纤MZI作为光学传感器件中最长用的结构之一，其结构更为灵活多样。 xx年，J.Wo等人运用传统的参考臂和传感臂独立的MZI结构，以拉锥光纤作为传感臂，对折射率进行测量25。 为提高光纤MZI传感器件的稳定性与集成度，越来越多的研究人员提出同轴嵌入型的光纤MZI结构，通常需要在光纤结构中引入两个模式耦合节点，分别作为光束的分束和合束元件，例如在光纤上制作锥形结构、凸锥结构、球状结构、光纤光栅、错位熔接等，如图1.626-28。 xx年，W.Ni等人设计并制作了细芯光纤和长周期光纤光栅级联的非对称式MZI结构，能够实现弯曲度和弯曲方向的双参量传感29。 2018年，X.Ding等人利用光子晶体光纤制作了基于单模-多模-光子晶体-单模结构的MZI结构，并在光子晶体光纤孔内填充磁流体材料，实现了对磁场的探测，灵敏度为-0.13dB/mT30。 图1.6常见的光纤MZI光束耦合结构（a）锥形结构和凸锥结构26；（b）错位熔接和球形结构27；（c）双凸锥结构28第一章绪论7光纤MI结构作为一种反射式干涉仪，通常需要在结构中添加反射元件。 xx年，L.Yuan等人将一段双芯光纤与单模光纤熔接，并在熔接点处拉锥，在双芯光纤另一端沉积介质反射镜，制成MI结构，如图1.7（a）31。 xx年，Z.Li等人在耦合器一端的单模光纤后熔接一段细芯光纤，并在末端再熔接一段单模光纤，如图1.7（b），利用这种基于细芯光纤的MI结构对液体折射率进行测量32。 xx年，V.Bhardwaj等人利用氢氟酸腐蚀的方法，在单模光纤上制作了锥尖状结构，利用锥面的反射光得到光纤MI结构，如图1.7（c），其折射率灵敏度可达9878.28dB/RIU33。 图1.7（a）拉锥双芯光纤MI结构31；（b）基于细芯光纤的MI结构32；（c）腐蚀锥状光纤MI结构33在光纤SI结构中，为得到较高的传感灵敏度，传感区域通常使用具有高双折射效应的光纤或保偏光纤。 xx年，X.Dong等人在干涉环内接入保偏光子晶体光纤制成了温度不敏感的拉力传感器，如图1.8（a）34。 2018年，D.C.Ren等人，利用非对称式双孔光纤制作了SI结构，并对温度进行传感，如图1.8（b），灵敏度为2.22nm/C35。 图1.8（a）保偏光子晶体光纤SI结构34；（b）非对称双孔光纤SI结构35第一章绪论81.2.3光纤S锥形传感器件研究现状光纤S锥形干涉结构作为一种近年来出现的MZI结构，制作简单，结构紧凑，对外界环境变化响应灵敏度高，近年来得到了人们的广泛关注与研究。 xx年，R.Yang等人提出了这种新型S锥形光纤MZI结构，如图1.9（a），整个结构尺寸仅660m，在结构两端有两个弯曲的位置，可起到光束的耦合作用，夹在两弯曲处中间的是锥区，可提高结构的探测灵敏度36。 xx年，同一团队对不同实验条件下制作的S锥形光纤结构的特性进行了详细的分析，并对结构的折射率和应力传感特性进行分析，最高灵敏度分别为2124nm/RIU和-183.4pm/37。 由于光纤S锥形干涉结构拥有较高的折射率灵敏度，因此，研究人员利用S锥形光纤结构的这一特性，将其与其他功能性材料集成，从而实现对更多环境参量的检测。 xx年，Y.Miao等人将S锥形光纤与磁流体集成，由于磁流体具有磁场-折射率可调谐特性，因此可实现对磁场的传感检测38。 xx年，H.Liu等人制作了基于S锥形光纤结构的湿度传感器，首先在制作好的光纤结构表面沉积二氧化硅纳米颗粒薄膜，当二氧化硅颗粒吸收空气中的水分子时，折射率会发生改变，进而引起透射光谱的变化8。 S锥形光纤结构还可与其他光纤结构级联，如图1.9（b）和（c）所示39,40。 xx年，J.Zhang等人将制作好的S锥形光纤结构的一端与另一根单模光纤进行错位熔接，并对弯曲进行传感40。 研究人员还尝试在不同种类光纤上制作S锥形光纤结构41,42。 2018年，K.Tian等人在多模光纤上实现了S锥形MZI结构，并对结构的制作参数及对应光谱进行了讨论，利用制好的干涉结构对应力进行检测42。 图1.9（a）光纤S锥形结构及传感装置示意图；（b）光纤S锥形结构与单模光纤错位熔接结构示意图；（c）光纤S锥形结构与长周期光纤光栅级联结构示意图S锥形光纤结构以其独具的优势已经广泛应用于各个领域，可对温度、应力、第一章绪论9折射率、磁场、湿度等多种物理参量进行高灵敏度传感。 通过将其与特殊种类光纤以及其他的特殊光纤结构结合，可将其优势以及应用领域进一步拓展。 结合S锥形光纤结构折射率灵敏度较高这一特点，其在生物分子检测领域将具有较大的应用潜力。 第三节状光纤生物传感器研究现状随着社会经济的进步，信息技术的发展，人们对疾病检测、预防的要求也随之不断提高，生命科学成为了当今时代的重要发展领域。 对生物分子组分、含量的检测可通过生物传感装置实现。 因此，测量精度高、响应速度快、集成度高、耗样量少等特性将成为生物传感技术的主要发展趋势。 1962年，Clark和Lyons提出了固定化酶电极生物传感装置，这也标志着第一代生物传感器的诞生1。 生物传感器将生物分子与传感装置进行绑定，形成一种具有特异性的分析装置，用来检测生物分子间特定的相互作用43，能够对特定的生物分子发出识别信号，将难以直接测量到的生物化学信号转化为可直接测得的电、光、热等信号。 随着电子信息技术的发展，越来越多的传感装置能够与生物技术相结合。 基于半导体技术、热学技术、声学技术等新型探测手段的生物传感装置得到了研究与开发。 伴随着光学技术的日益成熟，基于光化学技术的生物传感装置逐渐引起了人们的关注。 结合荧光成像技术的生物传感器作为一种常见的新型光学生物传感器，能够利用荧光标记的方法对生物分子进行检测。 在荧光标记检测中，需要对待测目标分子或识别分子用荧光标志物（如染料分子）进行荧光标记。 实验中，通过探测荧光的强度来分析目标分子的含量以及目标分子与探针分子间相互作用的强弱44。 这种基于荧光的生物分子检测方法虽然能够达到较好的灵敏度45，但标记过程十分繁杂，耗时较长，还有可能对生物分子本身的特性或功能产生影响。 同时，由于修饰在每个分子上荧光团的数量无法得到精确的控制，因此运用荧光标记的方法较难实现对分子的定量检测46。 在本章第二节中，我们介绍了光纤传感技术的发展与应用，在此基础上，将光纤传感技术与生物技术相结合即可制得光纤生物传感器。 在光纤生物传感器中，利用具有生物敏感性的分子薄膜对光纤表面进行功能化处理，将探针生物分第一章绪论10子固定在光纤表面，修饰后的光纤生物传感装置就能通过分子间的特异性识别作用对相应的待测目标生物分子进行检测。 这种特异性识别作用通常包括在酶和底物之间、抗原和抗体之间、核酸的两条链之间、细胞或组织与其受体之间。 光纤生物传感器作为一种十分有效的探测分析工具，在生物医学研究、医疗保健、药物研制、环境监测、国防安全等领域有着广泛的应用。 光纤生物传感装置不受电磁场干扰，能够实现远程监测，同时具有较好的复用性，能够在单一设备下提供多路监测。 相较荧光生物检测技术，光纤生物传感技术无需对待测目标分子进行标记或改变，可以在其原始的自然状态被检测到。 这种检测方法成本更低，更容易执行，并且能够对分子间的相互作用进行定量的动力学检测。 另外，大部分无标记光纤生物传感器的探测原理主要是基于分子间相互作用导致光纤表面环境折射率的改变，这种变化与样品浓度相关而非样品的总质量。 而在荧光标记检测中，荧光信号的强弱通常与被标记的分子数量有关，因此，光纤生物传感技术更适用于对痕量生物分子的检测。 利用光纤传感技术对生物分子进行检测，主要利用的是光纤倏逝场的光与生物分子间的相互作用，因此可以通过对光纤进行加工处理、设计不同结构的方式，来增强光纤的倏逝场，从而实现对生物分子更高灵敏度的探测。 目前，得到研究与报道比较多的光纤结构包括微纳光纤结构、光纤光栅结构、光纤表面等离子体共振（SPR）结构、光纤回音壁微腔结构、光纤干涉结构等等。 微纳光纤结构能够十分有效地激发光纤的倏逝场，因此研究人员通过设计不同的微纳光纤结构来优化对生物分子的检测。 xx年，C.Herath等人利用氢氟酸腐蚀的方法将光纤腐蚀至外径仅10m，并将腐蚀后的光纤接入光纤环内，如图1.10（a），腐蚀得到的微纳光纤具有较强的倏逝场效应，作者利用此结构对DNA分子和细菌进行了检测47。 xx年，M.Ding等人利用熔融拉锥的方法拉制微纳光纤，如图1.10（b），用二氧化硅纳米球对光纤表面修饰，并对神经递质分子进行检测，探测极限可达84fM48。 2018年，W.Zhou等人通过拉制直径为1m的光纤耦合器，如图1.10（c），在色散转折点附近该传感器表现出极高的折射率灵敏度（91777.9nm/RIU），并且实现了对浓度为2fg/ml的心肌肌钙蛋白的检测49。 第一章绪论11图1.10（a）腐蚀制作微纳光纤环结构；（b）拉锥制作微纳光纤结构；（c）熔融拉锥耦合器结构光纤光栅是一种十分常见的光纤结构，通过在光纤的纤芯或包层内引入周期性的折射率调制，使光纤中的特定模式间发生耦合，能够引起光纤倏逝场的增强。 随着光栅写制技术的进步，光纤光栅结构在生物检测领域也得到应用。 xx年，A.Baliyan等人运用紫外曝光的方法在单模光纤纤芯写入长周期光栅，通过共价键结合的方式对脂肪酶进行固定，实现了对三酰基甘油酯的检测，可用于对冠心病及高血脂等疾病的检测50。 xx年，D.Sun等人结合微纳光纤以及光纤光栅技术，在直径3.2m的微纳光纤上写制布拉格光栅，并对DNA分子进行检测51。 同年，B.Jiang等人提出了一种基于氧化石墨烯和葡萄糖氧化酶修饰的倾斜光纤光栅结构，用于低浓度葡萄糖检测52。 在光纤表面镀金属涂覆层或吸附金属粒子能够激发光纤的SPR模式，共振峰的变化可反应光纤表面生物分子间的相互作用。 xx年，F.Delport等人在光纤表面镀Au薄膜，制成光纤SPR传感器。 将单链DNA分子固定于二氧化硅纳米球表面，可对DNA分子在杂交和解旋过程引起共振信号的变化进行放大53。 2018年，Z.Liu等人对微结构空芯光纤进行抛磨，并在光纤空芯内以及表面沉积金薄膜，制成双通道光纤SPR传感器54。 在光纤回音壁微腔结构中，光纤中的光由于全反射现象而被限制于球形微腔内，这种基于回音壁微腔结构的光纤传感器具有超高的品质因子，是一种灵敏度较高的传感装置，在生物检测领域的应用过程中，探测灵敏度可达到单分子量级。 xx年，F.Vollmer等人对光纤进行拉锥处理，并利用其倏逝场激发微球结构内的回音壁模式，如图1.11（a），通过分析共振波长的变化实现了单个甲型流感病毒分子的探测55。 xx年，M.E.Anderson等人利用基于光纤回音壁模式的第一章绪论12生物微流控传感装置对肝螺杆菌进行检测，如图1.11（b），探测的最低浓度为1103cells/mL56。 图1.11（a）拉锥光纤的倏逝场激发微球结构内的回音壁模式结构示意图；（b）基于光纤回音壁模式的生物微流控传感装置示意图光纤干涉结构因具有较高的灵敏度以及灵活多样的结构样式而在各个领域得到广泛应用。 xx年，Z.Li等人结合飞秒激光加工和氢氟酸腐蚀的方法在单模光纤内得到了微腔及微流通道，制成光纤MZI结构，并对不同浓度的牛血清蛋白进行检测。 生物试剂可通过微流通道与微腔及光纤表面结合，直接与纤芯内的光束发生相互作用57。 2018年，X.Li等人利用非对称式暴露纤芯的双折射光纤制作了Sagnac干涉结构，实现了对链霉亲和素的探测58。 伴随着光纤技术的不断成熟与突破，各式的光纤传感结构在生物检测领域的研究工作也在不断地拓展与优化，光纤生物传感器将继续向智能化、自动化、集成化的方向发展。 第四节论文主要研究内容及创新点S锥形光纤干涉结构作为一种可应用于光纤传感器件的新型微纳光纤结构，制作简单、结构紧凑，并且可通过级联、与特殊光纤结合等方法对结构进一步优化。 为满足生物传感器件日益增高的需求，研究人员将光纤传感技术应用于生物检测领域当中，除具备光纤传感器件本身灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰等优势外，更能提供一种响应速度快、安全性高、耗样量少、生物相容性好的无标记生物检测手段。 本论文的研究工作是在国家自然科学基金面上项目“多通道液芯波导光流作用增强技术及癌症早期双标血检研究”（编号61875091）、“基于偶氮苯的复合周期性微结构光纤功能器件机理及应用研究”（编号11774181）、“微结构光第一章绪论13纤回音壁模式机理及其应用的研究”（编号11274182），国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“基于微波光子技术的卫星激光多普勒频移模拟器”（编号61727815）以及天津市科技支撑计划项目“基于光纤传感的广域水体放射性环境在线探测及预警系统”（编号16YFZCSF00400）等项目的支持下开展的，主要讨论了基于光纤S锥形模间干涉传感器件的结构特性以及在生物分子特异性检测方面的实验研究。 本论文的主要研究内容与安排如下第一章，首先对光纤传感器件的发展、应用、类别进行了简要的介绍。 然后介绍了模间干涉型光纤传感器件的研究现状，分别概述了四种典型的光纤模间干涉结构的原理及其国内外研究现状进展，并对光纤S锥形传感器件的研究现状进行介绍。 最后从生物传感技术的发展出发，介绍了光纤生物传感器的应用价值及研究现状。 第二章，对光纤模间干涉机制进行了理论分析，并且运用数值模拟的方法对光纤S锥形干涉结构的透射光谱进行理论模拟研究。 第三章，设计并制作了光纤S锥形模间干涉传感器，介绍了结构具体的制作方法，分析结构中光束干涉原理及光谱特性。 基于此结构，进行了免疫传感实验研究，详细介绍了光纤表面修饰及免疫实验操作流程，并对特异性和非特异性抗原抗体检测实验结果进行分析。 第四章，将两个光纤S锥形干涉结构通过单模光纤级联，制作了级联S锥形光纤模间干涉结构。 首先详细介绍了结构的制作方法，并对其干涉原理及传感特性进行了分析。 随后对级联S锥形光纤模间干涉器件在DNA杂交检测方面的应用进行了实验研究，对实验装置、探针DNA分子固定、目标DNA分子特异性检测结果进行了详细介绍。 第五章，首先对细芯光纤的导光特性及应用进行概述。 然后利用细芯光纤制成基于细芯光纤的级联S锥形模间干涉仪，介绍了结构的制作过程，并对该干涉仪的干涉原理及光谱特性进行了理论分析。 最后利用此传感器对目标DNA分子进行检测，并对传感器件的特异性、重复性以及探测极限进行了实验研究。 本论文的主要创新点包括1.设计并制作了一种基于疏水蛋白自组装的光纤S锥形免疫传感器件。 利用疏水蛋白HGFI的自组装特性对S锥形光纤表面进行修饰，并且对抗体分子进行固定。 修饰后的传感器件能够实现对浓度为1g/mL的抗原分子的特异性检测。 第一章绪论142.提出并设计实现了一种用于单链DNA分子的特异性检测的级联S锥形光纤模间干涉结构。 将两个光纤S锥形干涉结构通过单模光纤级联，利用多聚赖氨酸PLL试剂与光纤表面和探针单链DNA分子间的正负离子吸附作用，将探针单链DNA分子固定于光纤表面，能够实现对0.1pmol/L的目标单链DNA分子的特异性检测。 3.提出了一种基于细芯光纤的级联S锥形模间干涉仪。 利用PLL试剂和探针单链DNA分子对光纤表面进行功能化处理，实现了对互补单链DNA分子的特异性检测，其探测极限优于1nM，同时该传感器表现出较好的特异性和重复性。 第二章光纤模间干涉理论分析与仿真15第二章光纤模间干涉理论分析与仿真光纤作为一种常见的光学波导，电磁波在光纤内以非连续的模式的形式进行传输。 当光纤中的不同模式在模式耦合区相遇时，由于不同模式间的传输常数不同会引起光程差的积累，这也将导致模式之间的干涉现象。 外界环境的变化会对光纤内模式的激发条件、传输常数等特性造成影响，进而改变模式间的干涉特性。 因此，对光纤内模式之间干涉原理的理论研究与分析有助于设计与优化传感器件的结构与性能。 本章首先介绍光纤模间干涉理论，并且运用数值模拟的方法讨论光纤S锥形干