光纤倏逝波生物传感器模板

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光纤Bragg光栅倏逝波传感器

中图分类号：Ｎ５Ｔ２３
ＥｖｎｅｃｎｔＷａｅＳｎｏｓＢａｅｎＦｉｅａｇＧｒｔｎａｓｅｖｅｓｒｓｄｏｂｒＢｒｇａｉｇ
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２・ｐｒｍｅｔ。。ｏｌｃｆｃＩｆｒｔｎＵｎｖｒｉｆＥｌｃｒｎｃＳｉｎｅａｄＴｅｈｏ。Ｙ。ｉａＤ。ａｔｎｆＰｈｔｅｅｔｎｏｍａｉｉｏｉｅｓｔｏｅｔｏｉｃｅｃｎｃｎ１ｇｆＣｈｎｙ
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ห้องสมุดไป่ตู้
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光纤倏逝波生物传感器模板

高灵敏度
提高传感器灵敏度是永恒的追求，未来将通过新材料、新工
艺等手段实现更高灵敏度。
当前面临挑战及解决方案探讨
第一季度
第二季度
第三季度
第四季度
生物兼容性挑战
光纤倏逝波生物传感器在生物体内应用时，需解决生物兼容性问题。可通过表面改性、生物分子固定化等方法提高传感器的生物兼容性。
稳定性挑战
倏逝波生物传感器发展历程
早期研究
20世纪80年代，随着光纤通信技术的快速发展，光纤传感器开始受到广泛关注。倏逝波生物传感器作为光纤传感器的一个重要分支，也在这个时期开始萌芽。
技术突破
90年代，随着生物技术和光学技术的不断进步，倏逝波生物传感器在灵敏度、选择性和稳定性等方面取得了显著突破。同时，微纳加工技术的发展也为传感器的微型化和集成化提供了可能。
传感器在长期使用过程中，可能会受到环境、温度等因素的影响导致性能下降。可通过优化传感器结构、改进封装工艺等手段提高稳定性
。
批量化生产挑战
目前光纤倏逝波生物传感器的生产多为实验室手工制作，批量化生产难度较大。可借鉴微电子加工技术，发展自动化生产线，实现传感器
的批量化生产。
成本挑战
光纤倏逝波生物传感器的成本较高，限制了其在一些领域的应用。可通过简化传感器结构、采用低成本材料等途径
光纤倏逝波产生与传输机制
光纤倏逝波的产生
当光在光纤中传播时，由于光的全反射，光会在光纤芯与包层的界面处产生倏逝波。倏逝波是一种沿界面传播并呈指数衰减的电磁波。
光纤倏逝波的传输
倏逝波在光纤中的传输距离取决于光波长、光纤芯径和折射率等因素。通过合理设计光纤结构，可以实现对倏逝波传输的有效控制。

光纤倏逝波生物传感器探针新的几何设计

（ｃｏｌｏｙｉｓＳｉｎｅａｄＴｅｈｏｏｙ，ｎｒｌＳｕｈＵｎｖｒｉＳｈｏｆＰｈｓｃｅｃｎｃｎｌｇＣｅｔａｏｔｉｅｓｔｃｙ，Ｃａｇｈ１０３ｈｎｓａ４０８，ＣＨＮ）
ＡｂｔａｔＩｒｅＯｅａｅｔｅｄｔｃｉｎｅｆｃｅｙ０ｉｒｏｉａｖａｓｅｔｗａｏｓｎｓｒｃ：ｎｏｄｒｔｎｈｎｃｈｅｅｔｏｆｉｉｎｃ｛ｆｂｅｐｔｃｌｅｎｅｃｎｖｅｂｉｅ — ｓｒ，ｔｅｅｃｔｉｈｔｔａｍｉｓｏｒｃｎｔｅｐｒｅｏｉａａｒｉｎａｙｚｄｂａｅｎｔｅｏｈｘｉｅｌｇＳｒｎｓｓｉｎｔａｋｉｈｏｂｆｌｎｅｒｔｐｅｓａｌｅｓｄｏｈｍｏｅｍａｃｉｇｒｄｕｉｅｒｅｏｂａｎｄａｃｒｎｇｔｈｏａｃｎｈｅｙｏｆｆｂｒｉｄｔｈｎａｉｓｏｆｆｂｒｐｏｂｔｉｅｃｏｄｉＯｔｅｍｄｅｍｔｈｉｇｔｏｒｉｅｎｇｉｅｏｄｉｉｓＣｏｂｎｄｗｉｈｔｅｒｌｔｏｎｈｐｂｔｅｎｅａｅｃｎｔｗａｅｐｎｅｒｔｏｎｄｐｔｎｖｎｃｎｔｏｎ．ｍｉｅｔｈｅａｉｓｉｅｗｅｖｎｓｅｖｅｔａｉｅｈａｄｉｃｄｎｅａｇｌａｎｗａａｏｌａｅｉｒｐｒｂｅｉｔｆｒａｄ．Ｔｈｅｃｌｕｌｔｏｈｗｓｔａｔｔｎｉｅｃｎｅ，ｅｐｒｂａｔｐｒｆｂｅｏｓｐｕｏｗｒａｃａｉｎｓｏｈＯｍａｍｕｍｈｎｅｇｙｅｃｔｄａｎｉｏｍｅｓｔｖａｔｎｃｄｎｔａｇｅｍｕｔｂｅｍｉｉａｔｔｅｅｄｘｉｔｅｅｒｘｉｅｔｕｆｒｓｎｉｉｅｐｒ，ｉｉｅｎｌｓｎｍｌａｈｎｏａｅｎｄｅａＯｃｉｉａｎｇｅＢｙｍｏｄｆｉｇｔｅｐａａｅｅｆｐｒｂｏａｔｐｒｎｃｄｎｎｅｆｔｐｒａｑｕｌｔｒｔｃｌａｌ．ｉｙｎｈｒｍｔｒｏａａｌａｅ，ｉｉｅｔａｇｌｉｌｅｏｔｒｔｃｌａｇｌｈａｅｒｎｓｔｏｈａｅｗｈｅｔｔｌｌｒｅｈｎｔｅｃｉｉａｎｓｃｏｓｒｔｈｅｃｉｉａｎｅａｔｔｅｔｐｒｔａｉｉｎｐｓｎｉＳｓｉｌａｇｒｔａｈｒｔｃｌａ — ｇｅ，ｗｈｉｈｅｉｅａｅｅｅｒｔｏｎｄｅｈ．Ｔｈｅｅｅｉｅｔｓｗｓｔｔｔｅｓｔｖｉｙｏｒｂａｌｃｘｃｔｓｌｇｒｐｎｔａｉｐｔｘｐｒｍｎｈｏｈａｈｅｓｎｉｉｔｆｐａａｏｌｔｐｅｓｂｅｔｒｔｎｏｔｅｓ，ｗｈｉｈｉｄｃｔｓｐｒｂｏａｔｐｅａｄｅｌｙｃｌｃｎｘｃｔｌｏｅ — ａｒｉｔｅｈａｈｒｃｎｉａｅａａｌａｒｃｎｉａｌｏｌｔａｄｅｉｅｆｕｒｓｅｃｎｃｅｅ，ａｈｏｙｍａｃｅｉｈｅｅｉｅｅ１ｎｄｔｅｒｔｈｓｗｔｘｐｒｍｎｔｗｌ．

超长分段结构光纤倏逝波传感器

（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＯｐｔｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎａＪｉｌｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１８，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｙｔｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒ
易制备，成本低，在物质光谱检测方面有着潜在的应用。
关键词：光纤传感器；倏逝波；分段结构；长吸收作用距离；光束传播法
中图分类号：ＴＰ２１２文献标志码：Ａｄｏｊ：１Ｏ．３９６９０．ｉｓｓｎ．１００３ — ５０１Ｘ．２０１５．１Ｏ．０１２
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｔｒａｉｇｈｔａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇＢｅａｎｒＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ（ＢＰＭ）．Ｔｈｅｅｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓａｍｅｃｏｒｅ
．
ｓｅｎｓｏｒｓｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔｓｔｕｃｒｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｗｉｔｈｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｒｒｏｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｙｔｔｅｓｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇ

光纤倏逝波生物传感器

传感器光纤倏逝波传感器工作原理荧光免疫光纤生物传感器系统 –原理，结构应用及效果存在的不足展望总结

定义：将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按照一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。组成框图
原理图
组成：生物功能物质的分子识别部分；信号变换部分定义：以抗原抗体、酶、核酸、细胞等生物材料作为敏感元件

光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基础的。光纤的结构图
以光纤传导和收集光信号进行生物检测的传感器称为光纤生物传感器
光纤倏逝波生物传感器是基于光波在光纤内以全反射方式传输时产生倏逝波，来激发光纤纤芯表面标记在分子上的荧光染料，从而检测通过特异性反应附着于纤芯表面倏逝波场范围内的生物物质的属性及含量。
1. 毒品和滥用药品检测设计出用竞争抑制法分析人类尿液中可卡因及其代谢产物（COC）的四通道光纤生物传感器效果：一次实验仅需200s，而且一根光纤平均可用于11次检测。对于BE检出的灵敏度达到
0.75 ng/mL
2. 临床疾病监测
研制出快速光纤生物传感器用于PC的检测
效果：
一根光纤可连续进行6次实验：用含钙离子pH为9.0的PBS 缓冲液清洗光纤，即实现光纤再生；实现了对小分子物质的检测，如对败血症和血栓形成的特异性标志物二聚体的检测；与传统的ELISA法相比，光纤生物传感器检测更快（约需 11min），对操作人员也无需特殊要求。
传统
无法现场快速检测无法连续在线分析操作复杂
改进
缩短检测时间降低检测样品用量样本同时分析全面降低成本
分析速度慢
现场快速检测

光纤倏逝波吸收传感器灵敏度模拟分析

关键词：本征型；光纤倏逝波；传感器灵敏度；传输功率；时域有限光束传播法（ＦＤ－ＢＭＰ）
中图分类号：ＴＮ２５３文献标识码：Ａ
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｆｏｒＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＥｖａｎｅｓｃｅｎｔ
本文运用光学集成软件rsoft以本征型单模光纤为例采用三维标量时域有限差分光束传播法fdbmp对光纤倏逝波光场传输过程进行数值模拟得到了光纤倏逝波归一化传输功率的变化情况结合理论计算分别分析了传感区几何参数溶液折射率入射波长与归一化输出功率的关系即与传感器灵敏度的关系
第３５卷第６期
２０１３年１２）ｑ
（Ｃｏｌｌｅｇｅｏｆ（）ｐｔｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎａＪｉｌｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００ｌ８，Ｃｈｉｎａ）
ｓｅｎｓｏｒｓ ’ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｏｌｕｔｉｏｎｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘａｎｄｔｈｅｉｎｃｉｄｅｎｔｗａｖｅｌｅｎｇｔｈａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ＴｈｅＦＤ－ＢＭＰｉｓａｐｐｌｉｅｄｔＯｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｒｅｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｉｎｇｒｅｇｉｏｎｉｓ

光纤生物传感器

13
应用
在食品卫生方面的应用：
食品卫生是关系到人们生命健康的重要问题 , 尽快的检测食品中的细菌、毒素是有关部门非常重要的任务，光纤生物传感器在这方面也得到了较好的应用。 Kshan Rjal 等人将针对大肠埃希菌 O157 : H7 的单克隆抗体共价结合在经过拉细处理的光纤表面 , 通过抗原抗体的特异性反应检测大肠埃希菌 O157 : H7 , 其灵敏度达到 70 cell /ml, 并具有很高的特异性。
6
分类
光吸收型传感器：光吸收型传感器的工作原理是根据被测物对特定波长产生吸收并对光吸收强度进行测量来测定被测物。产生的特定波长的光信号经过耦合到光纤,通过光纤传递到透镜,通过透镜把光转换成准直光并通过光纤传递到检测装置,根据检测到的特定波长的光强度可以测定被测物。
7
分类
渐逝波型传感器当光照射到光纤表面时,并不能立即产生全反射, 而是渗入光疏介质一定深度,这一现象叫作渐逝波把处于测量场中的光纤外一小段包层去掉露出纤心, 再在这段芯上涂上一层折射率小于纤芯折射率的物质, 敏感包层对被测物进行吸附,使敏感包层折射率发生变化,或光在敏感包层中的传输损耗增大,光纤的波导结构发生变化,引起输出端光功率减小 , 这种减小与被测物浓度有关特点：不受来自主体溶液的干扰,从而在分析检测中发挥巨大作用,因为不必将生物反应结合的生物成分与游离的成分分离, 减少了实验步骤,缩短了检测时间。
8
分类
荧光型传感器：通过测定特征荧光光谱对被测物进行定性和定量检测的传感器可以归入此类。这类传感器灵敏度高,发展很快。荧光的产生包括在激发光作用下物质本身产生的荧光或者通过标记的荧光物质产生荧光。为了在光纤传感器中使用荧光效应，就必须保证光源、荧光染料和探测器系统的光谱特性相互匹配。光源和探测器一般都为宽带器件，需要附加滤波器使其工作于窄带范围，还可以构造若干谱重叠积分运算，以辅助系统优化设计。

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全光纤结构
荧光染料标记被分析物-生物免疫反应附着于探针表面-倏逝场激光下产生荧光，检测荧光信号-定性定量分析。
耦合透镜：准直；汇聚
二色镜：区分激发光与荧光信号；
光பைடு நூலகம்：限制系统杂散光通过
两者耦合传输方式不同：
前者空间光束到光纤的耦合，后者光纤之间的耦合。荧光利用率影响因素不同：前者探测系统数值孔径。后者连接头结构。
优点
光纤易于加工成小巧、轻便和空间适应性好的传感器探头；
光纤本身有良好的绝缘屏蔽作用，其抗电磁干扰能力强，对环境、温差的适应能力也很强；
操作方便，测量速度快，时间短；灵敏度高，生物特异性强；可以进行现场检测可以对生物反应实施动态检测。
荧光免疫光纤生物传感器系统
探测原理
分立结构
应用效果：灵敏度高，对于氯丹及七氯这类杀虫剂
检测可达1n mol/L,对于氧桥氯甲桥萘的检测灵敏度与常规的方法比较可提高10-1000倍。
不足：单一样本检测
应用及效果－临床应用
1. 毒品和滥用药品检测设计出用竞争抑制法分析人类尿液中可卡因及其代谢产物（COC）的四通道光纤生物传感器
效果：一次实验仅需200s，而且一根光纤平均
可用于11次检测。对于BE检出的灵敏度达到
0.75 ng/mL
应用及效果－临床应用
2. 临床疾病监测
研制出快速光纤生物传感器用于PC的检测
效果：
一根光纤可连续进行6次实验：用含钙离子pH为9.0的 PBS缓冲液清洗光纤，即实现光纤再生；
实现了对小分子物质的检测，如对败血症和血栓形成的特异性标志物二聚体的检测；
大肠杆菌检测光纤倏逝波生物传感器在国外已被广泛应用于水及食品中
大肠杆菌 O157∶H7的快速检测中具有较高特异性，实现了近实时检测，可在 20分钟内得检测结果，较好的灵敏性和重复性
应用及效果－其他应用
DNA检测和生物战剂检测 –效果：低成本，操作简便，可在现场进行快速检测
存在的不足
传感器长期稳定性、可靠性和一致性还不是很理想在免疫分析中荧光试剂漂白现象还较严重同其他生物传感器相比线性范围较窄产品尚无法完成商品化、市场化
谢谢！
原理图
组成：生物功能物质的分子识别部分；信号变换部分
定义：以抗原抗体、酶、核酸、细胞等生物材料作为敏感元件
光纤传感器
光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基础的。
光纤的结构图
光纤生物传感器
以光纤传导和收集光信号进行生物检测的传感器称为光纤生物传感器
被检测物体
生物传感器
强度，振幅，相位…
光纤
检测结果
基本工作原理
光纤倏逝波生物传感器是基于光波在光纤内以全反射方式传输时产生倏逝波，来激发光纤纤芯表面标记在分子上的荧光染料，从而检测通过特异性反应附着于纤芯表面倏逝波场范围内的生物物质的属性及含量。
基本工作原理
场强指数衰减
透射深度
透射深度仅波长量级：只对倏逝波作用范围内的荧光染料进行荧光激发和收集，不受待测样品溶液中其他荧光物质和生物分子的干扰，系统具有较高的探测灵敏度。
展望
小型化、集成化向体内监测、在线监测的方向发展
实用化、商品化
智能化自动采集数据、数据库管理及用人工智能进行数据处理
多样化材料、器件、功能
总结
光纤倏逝波生物传感器成为研究热点：实用方便，灵敏度高，可进行远距离实时分析
发展的趋势：小型化、规格化、商品化
研究尚处于发展阶段，新技术的开发和研制具有重大意义
参考文献
[1]黄惠杰,崔俊辉,任冰强,等.光纤倏逝波生物传感器及其应用[J].光学学报，2003,23(4):451
[2]崔俊辉,黄惠杰,杨瑞馥,等.光纤生物传感器用于核算的特异性检测[J].分析化学，2003,31(1):34
[3]司士辉.生物传感器[M]，北京：化学工业出版社， 2002.12
应用及效果－农药检测
传统
无法现场快速检测无法连续在线分析操作复杂分析速度慢
缩短检测时间降低检测样品用量样本同时分析全面降低成本现场快速检测低浓度样本检测
应用及效果－农药检测
Brunmel 等研制了将多克隆抗体共价结合在石英光纤表面用于检测环戊二烯类杀虫剂的光纤倏逝波荧光免疫传感器。
与传统的ELISA法相比，光纤生物传感器检测更快（约需11min），对操作人员也无需特殊要求。
应用及效果－食品卫生监控
微生物检测沙门菌检测
2009年，VALADEZ等利用Analyte2000对食品中的肠道沙门菌进行了检测，该方法对沙门菌具有较好特异性，缓冲液中目标菌的最低检出限为103 cfu / ml。另外，他们还将102 cfu / ml的菌液人工接种到鸡蛋和鸡胸样品中，经过 2～6h增菌后，最低检出限达到104cfu/ml
倏逝波光纤生物传感器
大纲
传感器光纤倏逝波传感器工作原理荧光免疫光纤生物传感器系统 –原理，结构应用及效果存在的不足展望总结
传感器
定义：将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按照一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。
组成框图
生物传感器
[4]邓立新.基于倏逝波的光纤生物传感器系统关键技术研究，博士学位论文，国防科学技术大学研究生院，2006.4
[5]姜广文.光纤倏逝波生物传感器理论分析及信号处理实验研究，硕士学位论文，国防科学技术大学研究生院， 2005.11
[6]崔俊辉，杨瑞馥.光纤生物传感器及其在微生物检测中的应用[J],生物技术通讯，2001,12(1):67-69、80