基于表面等离子体效应的光纤生物传感器研究开题报告
2021-03-10 23:40:18
1. 研究目的与意义（文献综述）
分子检测光学技术的不断提高在促进生命科学、化学和材料等领域的科学研究，提高医疗和健康，加强环境、食品的检测，防范有害物质和爆炸物等方面发挥着广泛而重要的作用。传统的生物分子检测和分析方法要用到荧光、放射物或二级报道分子等标记物，其中最有代表性的是需要荧光标记二级抗体的酶联免疫吸附法。标记物和标记过程导致检测过程复杂、耗时长，并不可避免地带来标记物对分子特性的影响。在这个背景下，不需标记的光纤传感器得到迅速发展，它具有其他传感器所无法比拟的性能优势：其一，抗电磁干扰能力强，电磁辐射对于光纤中传输的光信号没有影响；其二，电绝缘性好，安全可靠，光纤本身是绝缘体，且无需电源驱动，因此适宜在易燃易爆、化工产品等复杂环境中使用；其三，体积小、重量轻，可以在复杂地形中布置；其四，传输损耗小，因此可以实现远距离遥控监测与实时监控；其五，传输容量大，可实现多点分布式测量；其六，测量范围广，可用于测量温度、压强、应变、应力、流量、流速等，因此也就引起了大量的科学工作者的研究与探索。
而在光纤传感器中，基于表面等离子体效应（spr）的光纤传感器又是其中较为新颖的一种。wood r.w在1902年发现了表面等离子体共振现象，但是直到1941年才由科学家fano提出等离子体这一全新的概念。并对表面等离子体共振做出了解释。在1968年，otto和kretschmann分别设计了以其名字命名的棱镜耦合方式，为表面等离子体共振传感技术打下了坚实的基础。1982年，表面等离子体共振传感技术首次应用于生物传感方面。1993年，yee等人第一次提出了在光纤上镀金属膜代替棱镜用于传感测量，至此表面等离子体效应首次与光纤传感器产生了联系。
光纤spr传感技术由于其的高化学稳定性、快速的响应速度以及极强的灵敏度，在国内外传感技术的研究中引起了广泛的关注。spr技术的本质是镀在光纤侧面的金属膜上的表面等离子体波同光波产生全反射时附带的倏逝波发生了共振现象，造成了吸收峰特殊波段的强度降低。由于表面等离子体波存在于金属表面，其波矢含有与接触的待测物质相关的折射率信息，其测量精度能够达到riu两级，由此可知，其能够用于折射率的精确测量。而在生物检测中，精确性往往是衡量一个传感器能力的重要指标，因此光纤spr传感技术也就被视为是生物传感器的合理的选择。
2. 研究的基本内容与方案
设计（论文）主要技术方案amp;措施：
光纤表面等离子体共振生物传感器是通过共价键在金属膜表面实现对生物蛋白的单分子层自组装，制备生物探针，含待分析物的样品流经传感器表面,若流过传感光纤表面的样品中含有与之结合的物质,它们之间发生的相互作用将导致传感膜表面的介质折射率发生改变, 最终导致共振波长发生红移，根据标准曲线,获得被分析物的浓度和特异性等信息。本次设计要求理解表面等离子体效应的基本原理，掌握采用磁控溅射法在光纤侧面镀制均匀的纳米金的基本方法，学会采用化学方法将肝癌标记物cd13均匀地修饰在镀金光纤上，搭建光纤在线检测生物免疫反应的传感平台，并用origin8软件对测试数据进行处理和准确分析。
主要目标：
3. 研究计划与安排
第1—3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解光纤表面等离子体效应对生物蛋白进行检测的基本原理并确定方案，完成开题报告。
第4—6周：完成一篇不少于5000字英文文献翻译，进一步理解光纤表面等离子体效应在生物传感及药物筛选中的应用。
第7—13周：利用光纤表面等离子体效应实现对生物分子间亲和力以及免疫反应动力学过程的实时在线检测。
4. 参考文献（12篇以上）
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[1] R Viswambari D, Mukesh D, Verma R S. Nanomaterials for early detection of cancer biomarker with special emphasis on gold nanoparticles in immunoassays/sensors[J]. Biosensors amp; Bioelectronics, 2015, 68:688-98. [2] Raether H. Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings[M]. Springer Berlin Heidelberg, 1988. [3] Chu C K, Tu Y C, Hsiao J H, et al. Combination of photothermal and photodynamic inactivation of cancer cells through surface plasmon resonance of a gold nanoring[J]. Nanotechnology, 2016, 27(11):115102. [4] Lee S K. Fabrication of fiber-optic localized surface plasmon resonance sensor and its application to detect antibody-antigen reaction of interferon-gamma[J]. Optical Engineering, 2011, 50(12):124405-124405. [5] Seki A, Yoshikawa K, Watanabe K. Localized Surface Plasmon Resonance Sensor Based on Hetero-core Structured Fiber Optic [J]. Procedia Engineering, 2014, 87:196-199. [6] Iga M, Seki A, Watanabe K. Gold thickness dependence of SPR-based hetero-core structured optical fiber sensor[J]. Sensors amp; Actuators B Chemical, 2005, 106(1):363-368. [7] Takagi K, Sasaki H, Seki A, et al. Surface plasmon resonances of a curved hetero-core optical fiber sensor[J]. Sensors amp; Actuators A Physical, 2010, 161(1-2):1-5. [8] Lin G R, Mau J C, Tsai P T, et al. Refractive index sensor base on hetero-core-structure fiber[C]// Quantum Electronics Conference amp; Lasers and Electro-Optics. IEEE, 2011:831-833. [9] Goh L S, Kumekawa N, Watanabe K, et al. Hetero-core spliced optical fiber SPR sensor system for soil gravity water monitoring in agricultural environments[J]. Computers amp; Electronics in Agriculture, 2014, 101(1):110-117. [10] Iga M, Nakazawa T, Seki A, et al. Hetero-core structured fiber-optic sensor based on surface plasmon resonance[C]// International Conference on Applications of Photonic Technology. 2003:166-171. [11] Díaz M, Barrera A, López‐Cuenca S, et al. Size‐controlled gold nanoparticles inside polyacrylamide microgels[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2016, 133(25):n/a-n/a. [12] Jeong H H, Erdene N, Park J H. Real-time label-free immunoassay of interferon-gamma and prostate-specific antigen using a Fiber-Optic Localized Surface Plasmon Resonance sensor. [J]. Biosensors amp; Bioelectronics, 2013, 39(1):346-351. [13] Zhou W, Gao X, Liu D, et al. Gold Nanoparticles for In Vitro Diagnostics[J]. Chemical Reviews, 2015, 115(19):10575. [14] Caucheteur C, Guo T, Albert J. Review of plasmonic fiber optic biochemical sensors: improving the limit of detection[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2015, 407(14):3883-3897. [15] He L, Pagneux Q, Larroulet I, et al. Label-free femtomolar cancer biomarker detection in human serum using graphene-coated surface plasmon resonance chips[J]. Biosensors amp; Bioelectronics, 2017, 89(Pt 1):606. |
