張晶2011202049.doc

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1、關(guān)于生物傳感檢測的簡介1.所選方向的概述生物傳感器是一種生物活性材料與相應(yīng)換能器的結(jié)合體，用于測定特定的化學(xué)或生物物質(zhì)。采用生物傳感器進(jìn)行生物分子相互作用動態(tài)分析能有效地觀察分子復(fù)合物生成和分解時(shí)變過程，已成為新藥研制和生命科學(xué)等領(lǐng)域研究的一個(gè)重要組成部分?；谡凵渎蕼y量的無標(biāo)記光學(xué)生物傳感器是一種通用型傳感器，可直接測量生物分子相互作用，無需待測分析物具有熒光、特征吸收或散射帶等特殊性質(zhì)，能實(shí)現(xiàn)生物分子相互作用的實(shí)時(shí)反應(yīng)動力學(xué)檢測和定量分析。由于避免了間接型熒光標(biāo)記生物傳感器所需的專用熒光標(biāo)記物、復(fù)雜的標(biāo)記處理、因標(biāo)記帶來的生物活性減弱和對反應(yīng)自身存在干擾

2、等不利影響，檢測可信度高，測量對象范圍得到大為擴(kuò)展，能夠探測蛋白質(zhì)，DNA，病毒，甚至整個(gè)細(xì)胞行為，從而為醫(yī)學(xué)診斷，藥品研制，食物監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測，軍事科學(xué)等領(lǐng)域提供了有力的分析工具。國內(nèi)外研究人員基于表面等離子體共振(SPR)，諧振鏡，干涉儀，光纖Bragg光柵，長周期光柵，光子晶體光纖等提出了多種無標(biāo)記光學(xué)生物傳感研究方案。然而上述傳感技術(shù)中光與生物分子的有效作用距離較短，通常僅為光傳輸時(shí)的單向行程或者是較少次數(shù)的往復(fù)行程(駐波諧振)。相比而言，光在高品質(zhì)因子(Q值)諧振腔的諧振傳輸次數(shù)則可以很高，因此利用高Q值諧振腔構(gòu)建傳感器，將增加光與生物分子相互作用

3、的有效距離，進(jìn)而提高檢測靈敏度?；匾舯谥C振模(Whispering-GalleryMode，WGM）通過行波諧振提供高Q值，光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播時(shí)存在全反射現(xiàn)象，由此可利用這一現(xiàn)象將光完全約束在微腔內(nèi)，形成穩(wěn)定的回音壁諧振模，在光譜上表現(xiàn)為梳妝譜。由于是全反射，泄漏損耗非常小，當(dāng)選用材料的吸收損耗很小時(shí)，光譜線寬窄，可以很小的尺寸獲得很高的Q值。自上世紀(jì)六十年代提出該概念以來已經(jīng)陸續(xù)應(yīng)用于濾波器、波分復(fù)用器、光開關(guān)、激光器、色散補(bǔ)償器、調(diào)制器、緩沖器等領(lǐng)域，但其在生物傳感領(lǐng)域的潛力直到近年才被發(fā)掘。2.所選方向的發(fā)展近況2006年I.M.White采用

4、石英毛細(xì)管作為微諧振腔進(jìn)行了折射率傳感實(shí)驗(yàn)研究，搭建基于微管的傳感平臺——LCORR(LiquidCoreOpticalRingResonator)。將現(xiàn)有的光子線平面技術(shù)和微流體技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對微流體的檢測，如圖2-1。用錐形光纖激發(fā)微環(huán)中的WGM模式。微管Q值達(dá)到4.1×105，諧振波長漂移靈敏度為2.6nm/RIU，折射率測量分辨率為1.8×10-5RIU。圖2-1LCORR傳感陣列雖然錐形光纖容易激發(fā)諧振模式，但是錐形光纖制作過程很難控制，光纖再現(xiàn)率低，而且易碎。所以在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)與LCORR結(jié)構(gòu)結(jié)合的陣列化，調(diào)節(jié)難度也非常大。在晶片上通過光

5、刻形成波導(dǎo)制作過程容易控制，再現(xiàn)率高，而且可以制作密集的波導(dǎo)通道，便于集成。同年I.M.White制作將ARROW(Anti-resonantReflectingOpticalWaveguide)與LCORR結(jié)合的傳感器，如圖2-2。微管Q值105，靈敏度10nm/RIU。06年以來該課題組在微管生物傳感領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。圖2-2ARROW-LCORR傳感系統(tǒng)示意圖2007年V.Zamora等制作了壁厚小于1的石英微管，微管對TE模獲得了高達(dá)179nm/RIU的諧振波長漂移靈敏度，但Q值只有500左右，使得折射率測量分辨率只有10-4RIU。T.Ling等

6、則利用棱鏡耦合激發(fā)厚壁石英微管高階模，通過調(diào)節(jié)入射光角度，在壁厚34的微管中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)600nm/RIU諧振波長漂移靈敏度，從而使折射率測量分辨率達(dá)到5×10-6RIU。2008年HongyingZhu，IanM.White等人開發(fā)出一種廉價(jià)高效的光微流體環(huán)形諧振器（OFRR），如圖2-3，他們用該套設(shè)備對絲狀噬菌體R5C2進(jìn)行了檢測.圖2-3系統(tǒng)示意圖2010年HaoLi對基于毛細(xì)管的光微流體環(huán)腔體折射率變化和無標(biāo)記小分子檢測進(jìn)行了研究，如圖2-4，在體折射率變化的實(shí)驗(yàn)中，探測的靈敏度達(dá)到570nm/RIU，品質(zhì)因子Q達(dá)到1.2x105，可探測到的折射率變

7、化下限為2.8x10-7RIU，同時(shí)等效噪聲檢測限達(dá)到3.8x10-8RIU。圖2-4彩色在線設(shè)備示意圖3.參考文獻(xiàn)[1]XudongFan,IanM.White,HongyingZhu,JonathanD.Suter,andHesamOveys.Overviewofnovelintegratedopticalringresonatorbio/chemicalsensors.ProceedingsofSPIE,2007[2]HongyingZhu,IanM.White,JonathanD.Suter,XudongFan.Phage-basedlabel-fr

8、eebiomoleculedetectioninan