新型光纤微流激光器及其高性能生化传感研究

摘要

光微流激光器是光子学与微流体结合的学科前沿和热点方向，是研究光与生化物质相互作用的新型平台技术。通过集成光学微腔与微量液体增益材料，光微流激光可作为微流芯片光源或传感器。现有光微流激光器用于生化传感时，存在三个方面的瓶颈问题：（1）难以实现一次性使用。现有工艺难以低成本、大批量制作性能一致的光学微腔，难以保证光微流激光器之间的输出一致性。（2）难以实现高通量传感。同样受限于微腔的性能差异，难以保证各传感通道之间的性能一致性。（3）难以实现超高灵敏度。现有光微流激光器为满足激光阈值条件需要大量增益分子数目提供增益，使生物分子的细微变化淹没在背景信号中，限制了光微流激光器的传感灵敏度。因此，如何实现一次性、高通量传感和更高灵敏度的高性能生化测量成为光微流激光领域亟待解决的问题。本文针对上述问题，率先提出并实现了一次性光纤微流激光器，开展了光纤微流激光器的集成化研究，首次提出分布式光纤微流激光器的概念，并首创基于光纤微流激光器的高通量生化传感芯片方案，首次提出光纤单分子层微流激光并实现了高灵敏免疫诊断，初步构建了基于新型光纤微流激光器的高性能生化传感技术体系。 本文主要结果如下： （1）率先提出并实现了一次性光纤微流激光器，演示了一次性激光传感器，并开展了光纤微流激光器的集成化研究。本文分析了双孔光纤的谐振机制，研究了其输出阈值特性、方向性、输出重复性，最终实现了高重复性的激光输出（σ=6.5%）。为拓展一次性光纤微流激光器激光器功能，实现多个样品、多参数的同时测量，本文还开展了光纤微流激光器的集成化研究。一方面，通过对多个光纤微流激光器的集成，实现了激光阵列，可实现对不同样品的同时测量，另一方面，本文提出伪回音壁模式光纤微流激光器。该微回音壁模式光纤微流激光器允许通过选择性填充的方式将多个样品同时注入光纤内部，实现单根光纤水平的高密度集成。 （2）首次提出了分布式光纤微流激光器的概念，并首创基于分布式光纤微流激光器的高通量生化传感芯片方案。本文利用光纤的轴向均匀性（σ＜0.4%）实现了分布式光纤微流激光器。通过相机成像的方式对分布式光纤微流激光器的光谱、阈值、空间均匀性等特性进行了表征。结果显示，该分布式光纤微流激光器阈值低至0.5μJ/mm2，沿着光纤轴向输出强度波动率约为6.6%。通过将分布式光纤微流激光器作为光源，进而集成传感通道实现了阵列传感芯片。基于分布式光纤微流激光器的传感芯片能够实现探测极限为14pM的酶浓度传感。提出了基于分布式光纤微流激光器的二维传感芯片方案。利用微流体的可重构特性并结合FRET效应，本文实现了分布式光纤微流激光器输出波长达250nm的宽带调节，并提出通过波分/空分复用的方式提出了二维传感芯片，可将传感单元扩展至2500个。最后，为充分发挥波分复用在高通量传感中的潜力，还演示了单纵模光纤微流激光器，实现了信噪比为21dB,半高宽为53pm的单纵模输出。由于单纵模光纤微流激光器更窄的线宽，在有限的光谱范围内可实现更高密度的波分复用，实现更高通量的传感。 （3）提出并实现了酶催化光微流激光器并用于高灵敏度离子浓度传感，基于单分子层光纤微流激光器实现了高灵敏度帕金森病生物标志物传感。首先为验证光微流激光器的灵敏度增强作用，本文引入酶促反应实现了硫离子浓度传感，实现了最低10nM的硫离子浓度测量，比荧光方法性能提升2个数量级。然后，针对光微流激光器中影响灵敏度的因素，设计了单分子层光纤微流激光器并演示了其高灵敏度免疫分析。建立了光微流激光传感器的理论模型，分析了影响传感灵敏度的重要参数，如增益介质分子数目、激光参与比例等。通过在光纤表面交联增益介质，实现了单分子层光纤微流激光器，将增益介质分子数目减少至约为107，比传统光微流激光器低5个量级。本文还研究了单分子层光纤微流激光的阈值特性、光漂白特性、轴向均匀性和统计特性。基于该光纤微流激光器实现了高灵敏度生物传感，其中，鸡蛋白检测线性范围为1pM到1000pM，帕金森病生物标记物检测线性范围为0.14pM到4.2pM。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 光微流技术

1.1.1 光微流技术简介

1.1.2 光微流激光技术

1.1.3 光微流激光器的生化传感应用

1.2 光纤微流激光器

1.2.1 光纤微流激光研究现状

1.2.2 光纤微流激光器的生化传感应用

1.3 本论文研究意义与章节安排

1.3.1 本论文的研究意义

1.3.2 本论文的章节安排

第二章 光纤微流激光器理论基础

2.1 光纤微腔理论

2.1.1 光纤微腔的几何光学模型

2.1.2 光纤微腔的电磁场理论模型

2.1.3 光纤微腔表征参数

2.1.4 光纤微腔的优势

2.2 光微流激光理论

2.2.1 能级理论

2.2.2 激光速率方程

2.2.3 光和增益介质相互作用

2.3 本章小结

第三章 一次性光纤微流激光器及集成化

3.1 一次性光纤微流激光器的实现

3.1.1 理论与仿真

3.1.2 实验装置

3.1.3 特性表征

3.2 一次性光纤微流激光器集成化

3.2.1 一次性光纤微流激光器阵列

3.2.2 基于伪回音壁模式的单光纤集成

3.3 本章小结

第四章 分布式光纤微流激光器及高通量传感芯片

4.1 分布式光纤微流激光器的实现

4.1.1 原理及仿真

4.1.2 实验装置

4.1.3 特性表征

4.2 基于分布式光纤微流激光器的高通量传感芯片

4.2.1 传感芯片集成实验

4.2.2 基于波分/空分复用的二维传感芯片

4.2.3 面向波分复用的单纵模光纤微流激光器

4.3 本章小结

第五章 光纤微流激光器高灵敏度传感研究

5.1 光微流激光高灵敏度传感验证实验

5.1.1 硫离子传感模型建立及仿真

5.1.2 实验装置

5.1.3 光微流激光硫离子传感条件优化

5.1.4 光微流激光灵敏度增强的实验验证

5.2 单分子层光纤微流激光器及高灵敏度生物传感

5.2.1 单分子层增强灵敏度的原理及仿真

5.2.2 实验装置

5.2.3 单分子层光纤微流激光器特性表征

5.2.4 单分子层光纤微流激光器的传感条件优化

5.2.5 基于单分子层光纤微流激光器的鸡蛋白检测

5.2.6 基于单分子层光纤微流激光器的帕金森病生物标志物检测

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究工作

6.2 主要创新点

6.3 后续工作的展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果