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一字线激光器角度扫描式光学SPR生物传感器构建及实验研究

作　者: 魏文松
导　师: 胡建东
学　校: 河南农业大学
专　业: 农业电气化与自动化
关键词: 光学SPR生物传感器一字线激光器角度扫描直角棱镜数据分析
分类号: TP212.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着光学表面等离子共振技术(Surface Plasmon Resonance,SPR)的发展及其在药物筛选、环境监测、生物医学、毒品及农业等领域的广泛应用，基于SPR技术的生物分析仪已经得到越来越多的开发与应用。然而为了满足高灵敏度、在线检测、快捷及低成本的要求，便携式、低价廉的生物分析仪已经成为该技术当前重要的发展方向。一字线激光器角度扫描式光学SPR生物传感器的研究，满足了便携式生物分析仪的要求，而且克服了以往一字线激光器生物分析仪的角度微调难度高与对准费事的缺陷，提高了角度测试的精度，大大提高了检测效率。在信号采集方面，之前SPR分析仪大部分采用线阵CCD对数据进行采集和处理，所得到是一维的数据，同时只能检测一种样品，随着数字摄像机技术的不断革新与面阵CCD在高速检测条件的应用，利用面阵CCD对图像与数据的采集能满足多通道同时检测多种物质的要求。因此研究基于面阵CCD采集的一字线激光器角度扫描式光学SPR生物传感器具有重大的实用前景。本文提出了一种新型的一字线激光器角度扫描式光学SPR生物传感器设计方法，构建了一字线激光器角度扫描式光学SPR生物检测机构，介绍了该光学生物传感器的组成结构和检测原理，采用能够利用直流调速器调节速度的直流电机带动一字线激光器做直线往复移动，实现角度扫描，设计了能够调节激光器电源的可调电压器，有利于得到均匀的光线，便于后期的图像与数据处理，棱镜选择上采用直角棱镜代替传统的三角棱镜，降低了反射光线对检测精度的影响，在信号采集方面，采用大恒图像生产的SV1410FM数字摄像机进行图像采集，并根据实验要求利用软件开发工具对软件应用程序进行开发，实现数字摄像机对图像和数据的实时采集和处理，并能记录采集信号的时间，图片位置等信息而且所得到的数据大大超过以往数据的稳定性与均一性，减少了后期数据处理的难度，在后期数据处理上，设计与讨论了数据处理的思路与算法，验证了一字线激光器角度扫描式光学SPR生物传感器硬件性能，并讨论了一字型激光器运动速率与摄像机采集时间的匹配关系；采用浓度为10%、25%、30%、40%、50%、60%的乙醇溶液对一字线激光器角度扫描式光学SPR生物传感器进行实验验证，并得到了SPR曲线与共振像素位点与乙醇浓度之间对应关系曲线；最后利用发生SPR信号的图像的时间及采集图片的顺序求出一字线激光器直线移动位移与扫描角度关系，进而计算出角度扫描精度，求出的精度约为1.225o/mm。结果表明：一字线激光器角度扫描式光学表面等离子共振(SPR)生物传感器在检测乙醇溶液浓度具有很好的线性关系与灵敏度。其相关系数为0.9988，灵敏度可达845.60（像素位点/乙醇浓度体积分数）。角度扫描精度达到1.225o/mm，而且检测角度范围以及扫描精度在实验中可以不断提高，同时利用数字摄像机(面阵CCD)实时采集图像与数据并记录采集时间与位置信息，为后期图像与数据的处理带来了巨大优势。

全文目录

致谢  4-7
摘要  7-8
1 绪论  8-13
  1.1 论文的研究背景  8-9
  1.2 光学 SPR 生物传感技术研究现状及发展趋势  9-11
    1.2.1 光学 SPR 生物传感技术研究现状  9
    1.2.2 光学 SPR 生物传感技术应用  9-10
      1.2.2.1 在食品安全中的应用  9
      1.2.2.2 在生物医学领域的应用  9
      1.2.2.3 在其他领域的应用  9-10
    1.2.3 光学 SPR 生物传感技术发展趋势  10-11
  1.3 论文研究的目的和意义  11
  1.4 论文研究内容  11
  1.5 论文的创新点  11-12
  1.6 论文总体结构  12-13
2 光学 SPR 生物传感技术检测方法  13-18
  2.1 光学 SPR 生物传感器  13-16
    2.1.1 光学 SPR 生物传感器检测原理  13-14
    2.1.2 光学 SPR 生物传感技术的特点  14
    2.1.3 光学 SPR 生物传感器结构  14-16
  2.2 光学 SPR 信号调制方式  16-18
3 一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器总体硬件设计  18-30
  3.1 设计思路  18
  3.2 一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器实现角度扫描的基本原理  18-21
    3.2.1 一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器实现角度扫描的基本过程  18-19
    3.2.2 一字线激光器运动方向与反射光线在数字摄像机显示位置关系  19-20
    3.2.3 一字线激光器往复移动位移与角度关系  20-21
  3.3 一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器硬件组成  21-28
    3.3.1 半导体激光器  22-23
      3.3.1.1 半导体激光器光源性能选择  22
      3.3.1.2 几种光源性能分析  22-23
    3.3.2 可调电压器设计  23-25
    3.3.3 光学偏振片及棱镜选择  25-26
    3.3.4 可更换生物芯片与微流池  26-27
    3.3.5 直流电机的选择  27-28
    3.3.6 直流电机带动一字线激光器速率调节  28
  3.4 一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器的结构外观设计结果  28-30
4 一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器信号采集模块设计  30-47
  4.1 光学 SPR 生物传感器信号采集硬件  30-32
    4.1.1 SV1410FM 数字摄像机  30-31
    4.1.2 SV1410FM 数字摄像机采集光学 SPR 生物传感器信号的基本原理  31
    4.1.3 SV1410FM 数字摄像机参数选择  31-32
  4.2 一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器信号采集软件开发设计  32-44
    4.2.1 软件开发工具  32-34
      4.2.1.1 Windows 系统运行机制  32-34
      4.2.1.2 程序开发基本类库  34
    4.2.2 软件设计  34-44
  4.3 一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器信号采集程序运行结果  44-47
5 一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器实验验证与性能分析  47-60
  5.1 仪器实验验证与数据分析方法  47-50
  5.2 一字线激光器运动周期与摄像机采集时间匹配关系验证  50-52
  5.3 不同浓度乙醇溶液对一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器进行测试  52-57
    5.3.1 空气背景测试  52
    5.3.2 不同浓度乙醇溶液的 SPR 现象检测图像与曲线  52-57
      5.3.2.1 光学 SPR 响应信号的判断  52-54
      5.3.2.2 不同浓度乙醇溶液的实验验证结果  54-57
  5.4 不同浓度乙醇溶液与共振像素位点关系  57-58
  5.5 一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器角度扫描精度分析  58-60
6 总结与建议  60-61
  6.1 结论  60
  6.2 论文的主要创新点  60
  6.3 存在问题和建议  60-61
参考文献  61-66
英文摘要  66-68
硕士期间发表论文与专利  68-69
附件：一字线激光器角度扫描式光学 SPR 生物传感器实验装置图  69

一字线激光器角度扫描式光学SPR生物传感器构建及实验研究

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