基于微腔结构的多孔硅生物传感器的光学特性及其检测技术的研究

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1、博士研究生学位论文新疆大学论文题目(中文)：基于微腔结构的多孔硅生物传感器的光学特性及其检测技术的研究论文题目(外文)：ResearchonOpticalPropertiesandDetectionTechnologyofPorousSiliconBiosensorBasedonMicrocavityStructure研究生姓名：李鹏学科、专业：物理化学研究方向：光子器件导师姓名职称：贾振红教授论文答辩日期2018年5月日学位授予日期2018年6月日新疆大学博士研究生学位论文摘要近些年来，光学生物传感器已经被广泛地

2、应用于食品工业、环境监测、发酵工业、军事、医学方面等。免标记、灵敏度高、响应快、实时性好、可遥控、便携、无电磁干扰和安全性高是现代光学生物传感器的特点，也是实验室研究和商业应用所追求的目标。多孔硅由于其巨大的比表面积、良好的生物兼容性、荧光特性以及介质折射率可调节等优越性，再加之其容易制备、造价低廉的优势，在制备生物传感器的各类材料中脱颖而出。因此，基于硅基底的多孔硅光学生物传感器受到广泛关注。本论文主要以纳米多孔硅作为基底材料，制备出具有特殊光学微腔结构的高灵敏度、免标记的光学生物传感器。采用角度谱检测方法对小尺

3、寸的DNA生物分子和大分子量的包虫病生物分子进行有效可靠检测；提出了图像法，通过计算图像的灰度值检测器件折射率的变化；利用量子点的特性提高了光谱设备的检测效果；并进行了新型多孔硅拼接微腔的理论分析与制备。1.反射角度谱检测方法：提出了一种免标记，免光谱设备，测量灵敏度高的生物检测的新方法。该方法利用了多孔硅微腔的光学特性，通过测量激光反射光强度最小值所对应的入射角度，得到传感器中因发生生物反应而导致的折射率变化，从而实现生物检测。通过对免标记8个碱基对小分子DNA的检测，获得灵敏度为2.30°/μM，检测极限为87

4、nM的生物传感器。2.透射角度谱检测方法：提出了一种基于多孔硅微腔的免标记、免光谱设备、高灵敏度的光学生物检测新方法。该方法通过测量近红外激光最大透射强度所对应的入射角的变化，来检测由多孔硅微腔中的生物反应引起的器件折射率变化。通过对分子量为43kDa的囊型包虫病抗原的高灵敏度免标记检测，制备出灵敏度为1.292°/（ng/ml），检测极限为0.16ng/ml的生物传感器。3.图像检测法：提出了一种基于多孔硅微腔微阵列的光学生物检测方法。多孔硅微腔阵列在激光的照射下，通过数字成像设备获得该器件阵列单元反射光图像，并

5、通过计算图像的灰度值来检测器件折射率的变化。该方法可检测出器件10-4量级的折射率变化。I新疆大学博士研究生学位论文4.光谱检测法：利用量子点增强检测目标光学信号，通过传统光谱设备对多孔硅微腔反射谱进行测量，观察反射谱的移动来研究因引入DNA生物分子而引起多孔硅微腔器件折射率的变化。DNA耦合CdSe/ZnS水溶性量子点增强了目标DNA的光学响应信号，致使多孔硅微腔反射谱有更大的位置移动，从而提高了光学生物传感器的检测灵敏度。5.拼接微腔：提出了一种新型多孔硅微腔的制备方法。首先制备一个由高低折射率交替构成的布拉格

6、反射镜，第一层为高孔隙率低折射率的介质层；然后将其分成两半；接着将这两个布拉格反射镜对扣拼接在一起，形成一个上下为多个周期的布拉格反射镜，中间是由两个腔层和空气层构成的多孔硅微腔结构，也就是含有缺陷态的多孔硅一维光子晶体。在检测过程中，目标分子直接进入高孔隙率低折射率微腔结构的第一层即可实现检测。由于此微腔结构第一层的厚度远远小于多孔硅整体结构的厚度，可以确保试剂及生物分子能够顺利进入介质层中，使得分子检测更为可靠。6.多孔硅微腔的理论研究。多孔硅微腔是一种特殊的一维光子晶体结构，其布拉格反射镜周期数、腔层厚度、腔

7、层两边布拉格反射镜是否对称都影响到微腔结构的特性。生物分子进入多孔硅微腔器件不同介质层后，影响多孔硅微腔器件谐振峰对应的波长移动变化。生物分子进入多孔硅微腔不同孔隙率的介质层，介质层折射率变化量略有不同。关键词：多孔硅；多孔硅微腔；光学生物传感器；反射角度谱；透射角度谱；图像法；量子点；拼接微腔。II新疆大学博士研究生学位论文AbstractInrecentyears,opticalbiosensorshavebeenwidelyusedinthefoodindustry,environmentalmonitori

8、ng,fermentationindustry,medicineandsoon.Free-lable,highsensitivity,fastresponse,goodreal-time,remotecontrol,portable,noelectromagneticinterferenceandhighsecurityarenowthecharacteri