基于微流控芯片的微纳光纤传感器研究

摘要

微纳光纤作为一种典型的一维微纳光波导，具有低传输损耗、强场约束能力、大比例倏逝场、可灵活操作等特性，在构建小型化、高灵敏度传感器方面具有独特的优势。典型的微纳光纤传感结构包括双锥形微纳光纤、缠绕型微纳光纤、微纳光纤光栅、微纳光纤环型谐振腔、微纳光纤Mach-Zehnder干涉仪以及表面功能化或者内部掺杂微纳光纤，基于这些结构的折射率、浓度、湿度、温度、应变、电流等物理、化学、生物传感器获得了广泛的研究。微流控技术在微米尺度操作微量液体，为低耗样量、高通量化学、生物、医药分析检测提供优异的研究和应用平台，然而对微量液体的高灵敏度检测是阻碍其发展的技术难点之一。
　　本论文提出了将微流控芯片检测通道与双锥形微纳光纤平行、垂直集成的检测结构。平行式检测结构中微纳光纤与检测通道液体具有长的相互作用距离，微纳光纤倏逝场激发荧光，同时收集荧光，实现了低耗样量（nL量级）、高灵敏度（对R6G及量子点检测限分别为100 pM、10 pM）的荧光检测。垂直式检测结构中微纳光纤与检测通道液体有非常短的检测长度（～2.5μm），检测体积低至飞升量级，实现了对荧光素的低于百分子数(～66个)的荧光检测;同时实现了飞升体积的折射率传感，获得7×10-4 RIU的检测精度。微流控芯片与微纳光纤的集成充分发挥了微纳光纤低传输损耗、强场约束能力、大比例倏逝场、可灵活操作的特性，又利用了微流控芯片给微纳光纤提供保护的能力及为低耗样量、高通量化学、生物分析检测提供优异平台的优势，是构成小型化、稳定的高灵敏度传感器的有效思路和方法。
　　此外，本论文还提出了利用金纳米棒光热效应局域快速加热微流控芯片单个、连续流动液滴的方法。该方法具有低功率消耗(＜20 mW)、快速响应(＜1s)、宽温度调节范围（室温至95℃）等优势，为液滴微流控芯片技术在化学、生物、医药等领域应用中精确温度控制提供了一种技术手段。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 微纳光纤的制备

1．2．1 无机玻璃微纳光纤的制备

1．2．2 聚合物微纳光纤的制备

1．3 微纳光纤的导波性质

1．4 微纳光纤传感器研究

1．4．1 双锥形微纳光纤传感器

1．4．2 缠绕型(Twisted)微纳光纤传感器

1．4．3 微纳光纤光栅传感器

1．4．4 微纳光纤谐振腔传感器

1．4．5 Mach-Zehnder干涉仪型(MZI)传感器

1．4．6 表面功能化或者掺杂微纳光纤传感器

1．5 微流控检测器

1．5．1 微流控吸光度检测器

1．5．2 微流控荧光检测器

1．5．3 微流控折射率传感

1．6 本论文主要工作

2 基于微流控芯片的微纳光纤高灵敏度荧光传感器研究

2．1 引言

2．2 微纳光纤在水溶液中荧光传感的理论分析

2．3 双锥形微纳光纤荧光传感器的制备

2．3．1 双锥形微纳光纤的拉制

2．3．2 微纳光纤与微流控芯片检测通道平行集成

2．3．3 荧光检测系统的构建

2．4 R6G的荧光检测

2．5 量子点标记链霉亲和素的荧光检测

2．6 本章小结

3 基于微流控芯片的微纳光纤飞升级检测体积传感器研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 化学试剂及实验设备

3．2．2 SU-8微米线的制备

3．2．3 SU-8阳模的制备

3．2．4 微纳光纤与微流控芯片检测通道垂直集成

3．3 飞升级体积荧光素荧光检测

3．4 飞升级体积折射率检测

3．5 本章小结

4 基于金纳米棒光热效应的微流控芯片局域加热研究

4．1 引言

4．1．1 电学加热法

4．1．2 光学加热法

4．2 金纳米棒局域表面等离激元共振特性

4．2．1 金纳米棒局域表面等离激元共振理论

4．2．2 金纳米棒光热效应

4．3 实验部分

4．3．1 化学试剂及实验设备

4．3．2 金纳米棒的制备和表征

4．3．3 罗丹明B荧光强度与温度的关系

4．3．4 微流控芯片中液滴的产生

4．4 基于金纳米棒光热效应的微流控芯片中液滴的局部加热研究

4．4．1 单个液滴的加热

4．4．2 连续液滴的加热

4．4．3 聚合酶链反应(PCR)温度循环控制

4．5 本章小结

5 总结和展望

参考文献

作者简历