张晶2011202049.doc

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1、关于生物传感检测的简介1.所选方向的概述生物传感器是一种生物活性材料与相应换能器的结合体，用于测定特定的化学或生物物质。采用生物传感器进行生物分子相互作用动态分析能有效地观察分子复合物生成和分解时变过程，已成为新药研制和生命科学等领域研究的一个重要组成部分。基于折射率测量的无标记光学生物传感器是一种通用型传感器，可直接测量生物分子相互作用，无需待测分析物具有荧光、特征吸收或散射带等特殊性质，能实现生物分子相互作用的实时反应动力学检测和定量分析。由于避免了间接型荧光标记生物传感器所需的专用荧光标记物、复杂的标记处理、因标记带来的生物活性减弱和对反应自身存在干扰

2、等不利影响，检测可信度高，测量对象范围得到大为扩展，能够探测蛋白质，DNA，病毒，甚至整个细胞行为，从而为医学诊断，药品研制，食物监测，环境监测，军事科学等领域提供了有力的分析工具。国内外研究人员基于表面等离子体共振(SPR)，谐振镜，干涉仪，光纤Bragg光栅，长周期光栅，光子晶体光纤等提出了多种无标记光学生物传感研究方案。然而上述传感技术中光与生物分子的有效作用距离较短，通常仅为光传输时的单向行程或者是较少次数的往复行程(驻波谐振)。相比而言，光在高品质因子(Q值)谐振腔的谐振传输次数则可以很高，因此利用高Q值谐振腔构建传感器，将增加光与生物分子相互作用

3、的有效距离，进而提高检测灵敏度。回音壁谐振模(Whispering-GalleryMode，WGM）通过行波谐振提供高Q值，光由光密介质向光疏介质传播时存在全反射现象，由此可利用这一现象将光完全约束在微腔内，形成稳定的回音壁谐振模，在光谱上表现为梳妆谱。由于是全反射，泄漏损耗非常小，当选用材料的吸收损耗很小时，光谱线宽窄，可以很小的尺寸获得很高的Q值。自上世纪六十年代提出该概念以来已经陆续应用于滤波器、波分复用器、光开关、激光器、色散补偿器、调制器、缓冲器等领域，但其在生物传感领域的潜力直到近年才被发掘。2.所选方向的发展近况2006年I.M.White采用

4、石英毛细管作为微谐振腔进行了折射率传感实验研究，搭建基于微管的传感平台——LCORR(LiquidCoreOpticalRingResonator)。将现有的光子线平面技术和微流体技术相结合，实现对微流体的检测，如图2-1。用锥形光纤激发微环中的WGM模式。微管Q值达到4.1×105，谐振波长漂移灵敏度为2.6nm/RIU，折射率测量分辨率为1.8×10-5RIU。图2-1LCORR传感阵列虽然锥形光纤容易激发谐振模式，但是锥形光纤制作过程很难控制，光纤再现率低，而且易碎。所以在实际应用中很难实现与LCORR结构结合的阵列化，调节难度也非常大。在晶片上通过光

5、刻形成波导制作过程容易控制，再现率高，而且可以制作密集的波导通道，便于集成。同年I.M.White制作将ARROW(Anti-resonantReflectingOpticalWaveguide)与LCORR结合的传感器，如图2-2。微管Q值105，灵敏度10nm/RIU。06年以来该课题组在微管生物传感领域进行了大量研究。图2-2ARROW-LCORR传感系统示意图2007年V.Zamora等制作了壁厚小于1的石英微管，微管对TE模获得了高达179nm/RIU的谐振波长漂移灵敏度，但Q值只有500左右，使得折射率测量分辨率只有10-4RIU。T.Ling等

6、则利用棱镜耦合激发厚壁石英微管高阶模，通过调节入射光角度，在壁厚34的微管中实现了高达600nm/RIU谐振波长漂移灵敏度，从而使折射率测量分辨率达到5×10-6RIU。2008年HongyingZhu，IanM.White等人开发出一种廉价高效的光微流体环形谐振器（OFRR），如图2-3，他们用该套设备对丝状噬菌体R5C2进行了检测.图2-3系统示意图2010年HaoLi对基于毛细管的光微流体环腔体折射率变化和无标记小分子检测进行了研究，如图2-4，在体折射率变化的实验中，探测的灵敏度达到570nm/RIU，品质因子Q达到1.2x105，可探测到的折射率变

7、化下限为2.8x10-7RIU，同时等效噪声检测限达到3.8x10-8RIU。图2-4彩色在线设备示意图3.参考文献[1]XudongFan,IanM.White,HongyingZhu,JonathanD.Suter,andHesamOveys.Overviewofnovelintegratedopticalringresonatorbio/chemicalsensors.ProceedingsofSPIE,2007[2]HongyingZhu,IanM.White,JonathanD.Suter,XudongFan.Phage-basedlabel-fr

8、eebiomoleculedetectioninan