【摘要】：光微流激光器是光子學(xué)與微流體結(jié)合的學(xué)科前沿和熱點(diǎn)方向,是研究光與生化物質(zhì)相互作用的新型平臺(tái)技術(shù)。通過(guò)集成光學(xué)微腔與微量液體增益材料,光微流激光可作為微流芯片光源或傳感器�，F(xiàn)有光微流激光器用于生化傳感時(shí),存在三個(gè)方面的瓶頸問(wèn)題:(1)難以實(shí)現(xiàn)一次性使用�，F(xiàn)有工藝難以低成本、大批量制作性能一致的光學(xué)微腔,難以保證光微流激光器之間的輸出一致性。(2)難以實(shí)現(xiàn)高通量傳感。同樣受限于微腔的性能差異,難以保證各傳感通道之間的性能一致性。(3)難以實(shí)現(xiàn)超高靈敏度。現(xiàn)有光微流激光器為滿足激光閾值條件需要大量增益分子數(shù)目提供增益,使生物分子的細(xì)微變化淹沒(méi)在背景信號(hào)中,限制了光微流激光器的傳感靈敏度。因此,如何實(shí)現(xiàn)一次性、高通量傳感和更高靈敏度的高性能生化測(cè)量成為光微流激光領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。本文針對(duì)上述問(wèn)題,率先提出并實(shí)現(xiàn)了一次性光纖微流激光器,開展了光纖微流激光器的集成化研究,首次提出分布式光纖微流激光器的概念,并首創(chuàng)基于光纖微流激光器的高通量生化傳感芯片方案,首次提出光纖單分子層微流激光并實(shí)現(xiàn)了高靈敏免疫診斷,初步構(gòu)建了基于新型光纖微流激光器的高性能生化傳感技術(shù)體系。本文主要結(jié)果如下:(1)率先提出并實(shí)現(xiàn)了一次性光纖微流激光器,演示了一次性激光傳感器,并開展了光纖微流激光器的集成化研究。本文分析了雙孔光纖的諧振機(jī)制,研究了其輸出閾值特性、方向性、輸出重復(fù)性,最終實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)性的激光輸出(s=6.5%)。為拓展一次性光纖微流激光器激光器功能,實(shí)現(xiàn)多個(gè)樣品、多參數(shù)的同時(shí)測(cè)量,本文還開展了光纖微流激光器的集成化研究。一方面,通過(guò)對(duì)多個(gè)光纖微流激光器的集成,實(shí)現(xiàn)了激光陣列,可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同樣品的同時(shí)測(cè)量,另一方面,本文提出偽回音壁模式光纖微流激光器。該微回音壁模式光纖微流激光器允許通過(guò)選擇性填充的方式將多個(gè)樣品同時(shí)注入光纖內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)單根光纖水平的高密度集成。(2)首次提出了分布式光纖微流激光器的概念,并首創(chuàng)基于分布式光纖微流激光器的高通量生化傳感芯片方案。本文利用光纖的軸向均勻性(s(27)0.4%)實(shí)現(xiàn)了分布式光纖微流激光器。通過(guò)相機(jī)成像的方式對(duì)分布式光纖微流激光器的光譜、閾值、空間均勻性等特性進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示,該分布式光纖微流激光器閾值低至0.5mJ/mm~2,沿著光纖軸向輸出強(qiáng)度波動(dòng)率約為6.6%。通過(guò)將分布式光纖微流激光器作為光源,進(jìn)而集成傳感通道實(shí)現(xiàn)了陣列傳感芯片�；诜植际焦饫w微流激光器的傳感芯片能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)極限為14 pM的酶濃度傳感。提出了基于分布式光纖微流激光器的二維傳感芯片方案。利用微流體的可重構(gòu)特性并結(jié)合FRET效應(yīng),本文實(shí)現(xiàn)了分布式光纖微流激光器輸出波長(zhǎng)達(dá)250 nm的寬帶調(diào)節(jié),并提出通過(guò)波分/空分復(fù)用的方式提出了二維傳感芯片,可將傳感單元擴(kuò)展至2500個(gè)。最后,為充分發(fā)揮波分復(fù)用在高通量傳感中的潛力,還演示了單縱模光纖微流激光器,實(shí)現(xiàn)了信噪比為21 dB,半高寬為53 pm的單縱模輸出。由于單縱模光纖微流激光器更窄的線寬,在有限的光譜范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)更高密度的波分復(fù)用,實(shí)現(xiàn)更高通量的傳感。(3)提出并實(shí)現(xiàn)了酶催化光微流激光器并用于高靈敏度離子濃度傳感,基于單分子層光纖微流激光器實(shí)現(xiàn)了高靈敏度帕金森病生物標(biāo)志物傳感。首先為驗(yàn)證光微流激光器的靈敏度增強(qiáng)作用,本文引入酶促反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了硫離子濃度傳感,實(shí)現(xiàn)了最低10 nM的硫離子濃度測(cè)量,比熒光方法性能提升2個(gè)數(shù)量級(jí)。然后,針對(duì)光微流激光器中影響靈敏度的因素,設(shè)計(jì)了單分子層光纖微流激光器并演示了其高靈敏度免疫分析。建立了光微流激光傳感器的理論模型,分析了影響傳感靈敏度的重要參數(shù),如增益介質(zhì)分子數(shù)目、激光參與比例等。通過(guò)在光纖表面交聯(lián)增益介質(zhì),實(shí)現(xiàn)了單分子層光纖微流激光器,將增益介質(zhì)分子數(shù)目減少至約為10~7,比傳統(tǒng)光微流激光器低5個(gè)量級(jí)。本文還研究了單分子層光纖微流激光的閾值特性、光漂白特性、軸向均勻性和統(tǒng)計(jì)特性�；谠摴饫w微流激光器實(shí)現(xiàn)了高靈敏度生物傳感,其中,雞蛋白檢測(cè)線性范圍為1 pM到1000 pM,帕金森病生物標(biāo)記物檢測(cè)線性范圍為0.14 pM到4.2 pM。
【圖文】：

圖 1-1 典型的可調(diào)光學(xué)器件。（a）可調(diào)波導(dǎo)[1]；(b)可調(diào)微透鏡[2]；（c）可調(diào)微透鏡陣列[3]；（d）光調(diào)制器[4]；（e）光開關(guān)[5]（2）生化傳感器光微流技術(shù)可以與很多光學(xué)檢測(cè)手段，如光學(xué)微腔、表面等離子體、熒光拉曼光譜等很好地結(jié)合，，產(chǎn)生了大量基于光微流技術(shù)的新型生化傳感器。Lee 等使用如圖 1-2（a）所示的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的高靈敏度檢測(cè)[6]。光晶體微腔允許較強(qiáng)的光和物質(zhì)相互作用，被測(cè)物質(zhì)結(jié)合到微腔表面引起的細(xì)微折

圖 1-1 典型的可調(diào)光學(xué)器件。（a）可調(diào)波導(dǎo)[1]；(b)可調(diào)微透鏡[2]；（c）可調(diào)微透鏡陣列[3]；（d）光調(diào)制器[4]；（e）光開關(guān)[5]（2）生化傳感器光微流技術(shù)可以與很多光學(xué)檢測(cè)手段，如光學(xué)微腔、表面等離子體、熒光、拉曼光譜等很好地結(jié)合，產(chǎn)生了大量基于光微流技術(shù)的新型生化傳感器。Lee 等人使用如圖 1-2（a）所示的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的高靈敏度檢測(cè)[6]。光子晶體微腔允許較強(qiáng)的光和物質(zhì)相互作用，被測(cè)物質(zhì)結(jié)合到微腔表面引起的細(xì)微折
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN248;TP212

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本文編號(hào)：2592290