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高通量表面等离子体共振传感方法及应用研究

作　者: 刘智毅
导　师: 郭继华
学　校: 清华大学
专　业: 物理学
关键词: 表面等离子体共振 高通量检测 偏振干涉 高光谱荧光成像 生物芯片
分类号: O53
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）是一种无需标记、高灵敏的光学传感方法，它在生物传感领域的应用受到了广泛的关注。近年来，随着生物芯片技术的不断发展，对检测方法提出了越来越高的要求，而现有的SPR传感方法难以同时实现高通量、高精度、大动态范围的生物芯片检测。本论文中，我们研究了SPR的基础理论，深入分析了SPR传感器的基本特性。针对生物芯片检测存在的问题，我们首先提出一种高通量偏振干涉光谱型SPR传感方法，并完成了系统的构建。在光学探测方式上，我们提出了一种线扫描机制，将激发光线聚焦在生物芯片表面，一次探测芯片表面一列区域。与现有的逐点探测方式相比，线扫描方式显著提高了检测通量。同时，我们首次将一种称为“偏振干涉”的光学调节技术引入到光谱型SPR传感方法中，它有助于优化共振特性，从而提高系统的检测指标。最终，我们得到的系统空间分辨率优于85μm；折射率分辨率为3.9107RIU，优于同类光谱型SPR二维传感器105RIU水平；开展大肠杆菌细胞检测时的检测极限为104cfu/mL。线扫描方式和指标水平保证了系统能够很好地适应生物芯片的检测需求。为了对比和参照SPR检测结果，我们发展了一种高光谱荧光生物芯片成像方法。高光谱荧光技术通过获取荧光光谱信息，有效提高了检测精度。基于在SPR传感和荧光成像方面的重要进展，我们进而提出一种高通量SPR高光谱荧光并行成像方法，以便提供对于生物芯片的多参量分析和深入探究。在荧光成像部分，空间分辨率为19.7μm，荧光检测灵敏度为0.61fluors/μm2；在SPR成像部分，折射率分辨率为7.2×10-7RIU，检测极限为104cfu/mL的水平。系统的指标保证了对于生物芯片的高通量、高灵敏检测。应用我们搭建的两套高通量SPR传感系统，我们开展了基础性的生物芯片实验，包括DNA杂交和蛋白反应的检测。实验的结果证明了我们的系统在生物芯片检测中应用的可行性。最后，在本文的展望部分，介绍了我们正在开展的一项探索性工作—一种新型长程表面等离子体共振传感方法的提出、系统构建和应用研究。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章 绪论  9-23
  1.1 问题的提出  9
  1.2 研究背景与意义  9-10
  1.3 表面等离子体共振（SPR）简介  10-14
    1.3.1 SPR 的基本原理  10-11
    1.3.2 SPR 的激发结构  11-12
    1.3.3 SPR 传感方法分类  12-14
  1.4 SPR 生物应用研究  14-21
    1.4.1 SPR 生物应用研究概况  14-20
    1.4.2 存在的主要问题  20-21
  1.5 本文的主要内容  21-23
第2章 SPR 基本理论  23-40
  2.1 表面等离子体波（SPW）的基本性质  23-25
  2.2 SPR 的多层膜反射理论  25-30
    2.2.1 多层膜中的电场分布  25-29
    2.2.2 反射率的理论推导  29-30
  2.3 谱型 SPR 传感器理论分析  30-38
    2.3.1 SPR 反射率曲线的基本特性  30-31
    2.3.2 光谱型 SPR 传感器分析  31-35
    2.3.3 角度谱型 SPR 传感器分析  35-38
  2.4 本章小结  38-40
第3章 高通量偏振干涉 SPR 传感方法  40-59
  3.1 方案的提出和关键问题  40-42
    3.1.1 系统方案设计  40-41
    3.1.2 系统设计的关键问题  41-42
  3.2 偏振干涉技术  42-46
    3.2.1 偏振干涉基本理论  42-44
    3.2.2 偏振干涉核心元件设计  44-46
  3.3 高通量偏振干涉 SPR 系统搭建  46-50
    3.3.1 元器件的选择  46-47
    3.3.2 传感膜层的制备  47-48
    3.3.3 棱镜的固定和移动系统  48
    3.3.4 软件测试系统  48-49
    3.3.5 最终实现的装置  49-50
  3.4 数据分析方法  50-52
    3.4.1 数据分析  50-51
    3.4.2 输出量的选择  51-52
  3.5 偏振干涉前后的对比  52-54
    3.5.1 光谱曲线的对比  52-53
    3.5.2 点阵图像的对比  53-54
  3.6 系统检测性能  54-58
    3.6.1 空间分辨率  54
    3.6.2 灵敏度  54-55
    3.6.3 折射率分辨率  55-57
    3.6.4 检测极限  57-58
  3.7 本章小结  58-59
第4章 SPR 的荧光参照研究  59-76
  4.1 高光谱荧光成像方法和系统搭建  60-66
    4.1.1 高光谱荧光成像机理  60-61
    4.1.2 高光谱荧光成像系统搭建  61-62
    4.1.3 高光谱荧光成像检测性能  62-66
  4.2 SPR 高光谱荧光并行成像方法和系统搭建  66-75
    4.2.1 并行成像的提出和设计思路  66-67
    4.2.2 并行成像方法的关键问题  67-69
    4.2.3 SPR 高光谱荧光并行成像系统搭建  69-70
    4.2.4 数据分析方法  70-71
    4.2.5 系统的检测性能  71-73
    4.2.6 并行成像结果的参照  73-75
  4.3 本章小结  75-76
第5章 生物应用  76-86
  5.1 DNA 杂交实验  76-82
    5.1.1 DNA 探针和互补序列  76-77
    5.1.2 DNA 探针阵列的点制  77
    5.1.3 芯片制备条件  77-79
    5.1.4 实验基本流程  79-80
    5.1.5 实验结果与讨论  80-82
  5.2 蛋白反应实验  82-84
    5.2.1 试剂和材料  82-83
    5.2.2 实验基本流程  83-84
    5.2.3 实验结果与讨论  84
  5.3 本章小结  84-86
第6章 总结与展望  86-105
  6.1 论文工作总结  86-87
  6.2 创新点  87
  6.3 进一步研究工作的展望  87-105
    6.3.1 长程表面等离子体共振（LRSPR）基本原理  88-90
    6.3.2 偏振干涉对称型 LRSPR 方法的提出和模拟求证  90-93
    6.3.3 偏振干涉对称型 LRSPR 系统搭建  93-97
    6.3.4 系统检测性能和指标  97-99
    6.3.5 生物应用研究  99-103
    6.3.6 LRSPR 激发荧光  103
    6.3.7 小结  103-105
参考文献  105-113
致谢  113-115
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  115-117

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 等离子体物理学
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