相位型表面等离子体共振成像传感仪器的设计及研制

摘要

表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）传感技术以其高灵敏、无需标记、实时检测的优势，在临床应用、药物筛选、生物检测等方面越来越受到广泛应用。相位型SPR传感器具有10-7～10-8 RIU的超高分辨率，并且可以很方便地与SPR成像传感、微流控技术相结合。SPR成像传感技术因其在高通量方面的优势，近几年也越来越受到关注。
　　本文主要运用相位型SPR传感与SPR成像传感、微流控技术相结合，设计及初步实现一款同时具备高分辨率与高通量的SPR仪器，并且尽可能地减小成本，打破国内研究人员需向国外购买高额SPR仪器的局面。本文的主要研究内容有:
　　1.SPR原理的分析及SPR商用化现状细述。第一章首先描述了SPR成像传感技术的概况，之后对国内、国外的SPR仪器商用化情况进行了具体阐述。第二章从SPR基本原理出发，推导出激发SPR现象的条件，并介绍了相位型SPR传感器的相关技术。
　　2.提出了一种新的优化面阵型SPR成像传感系统的方法。针对传统面阵型SPR成像传感系统中成像总是很模糊的问题，提出了一种利用柱面镜扩束系统和斜置的成像透镜增强成像质量的新型成像光路设计。通过数值分析及模拟，最后运用在实验平台上获得了清晰的图像。
　　3.相位型SPR成像传感仪器的设计和初步实现。在仪器的设计中，一体化、集成化非常重要。我们将仪器分为光路系统、温控系统、微流进样系统、机械控制系统等几个模块，首先从整体上对模块之间的配合联系进行了布局，然后对每个模块分别进行了不同程度地实现。着重完成了光路系统的设计及搭建、微流进样系统的设计及流程规划。除此之外，还完成了温控系统的设计及连接、基于工业注射泵的软件系统的初步编写。
　　4.微流芯片的设计及制作。我们设计了一种7层集成微流芯片，它更加的坚固不易损坏，比完全基于PDMS的微流芯片更适合于应用于仪器中。同时采用微流控与软光刻技术，实现4个流体池通道串并联活用。除此之外，该芯片还可以与Biacore在售的传感芯片联用。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 表面等离子体共振传感器简介

1．1．1 SPR传感器的基本原理

1．1．2 SPR传感器的特点

1．2 SPR传感器的研究概况

1．2．1 SPR传感器研究的发展历程

1．2．2 SPR成像的兴起及现状

1．3 SPR传感器的商用化概况

1．3．1 国外SPR传感仪器商用化的发展现状

1．3．2 国内SPR传感仪器商用化的发展现状

1．4 本文的主要研究内容及意义

2 表面等离子体共振传感的理论基础

2．1 表面等离子共振现象的基本理论

2．1．1 表面等离子波的物理意义及特征

2．1．2 表面等离子波产生的条件

2．1．3 全反射及倏逝波提升法

2．2 SPR耦合方式

2．2．1 棱镜耦合的两种方式

2．2．2 Kretschmann棱镜耦合的三层模型

2．3 SPR调制方式

2．4 相位型SPR传感器

2．4．1 相位型SPR的检测方式

2．4．2 基于干涉的相位型SPR传感器

2．5 本章小结

3 面阵型SPR成像传感系统的优化

3．1 引言

3．2 方法的提出及数值分析

3．2．1 传统面阵型SPR成像传感器

3．2．2 方法的提出

3．2．3 优化后的面阵型SPR成像传感器

3．3 实验平台上的应用

3．4 本章小结

4 相位型SPR成像传感仪器的设计

4．1 仪器的总体设计

4．2 光路系统

4．2．1 光路系统设计

4．2．2 光路系统搭建

4．2．3 相位的提取算法

4．2．4 光路系统噪声分析

4．3 温控系统

4．3．1 温度控制器

4．3．2 温控金属板

4．3．3 温控系统的应用

4．4 工业注射泵及软件系统初探

4．4．1 电路组成

4．4．2 基于注射泵控制的软件编写

4．5 微流进样系统

4．5．1 调查研究

4．5．2 微流进样系统总体设计及布局

4．5．3 整体进样过程

4．6 本章小结

5 SPR微流芯片的设计及制作

5．1 微流芯片的设计

5．1．1 调查研究

5．1．2 微流芯片总体设计

5．1．3 气体控制层设计

5．1．4 微流层设计

5．1．5 支撑层设计

5．1．6 流体池设计

5．2 微流芯片各层的制备

5．2．1 气体通道层、阀孔层、支撑层的制备

5．2．2 流体通道层制备

5．2．3 上、下两层薄膜层制备

5．2．4 流体池制备

5．3 各层之间的封合

5．3．1 气体通道层与阀孔层的封合

5．3．2 微流通道层与上、下薄膜层的封合

5．3．3 气控层与微流层、支撑层的封合

5．3．4 支撑层与流体池的封合

5．4 微流芯片性能测试

5．4．1 液体流通测试

5．4．2 气控微阀气密性测试

5．5 本章小结

6 总结与展望

参考文献

作者简历