太赫茲波(Terahertz wave,THz)是指頻率介于0.1-10THz之間的電磁輻射,處于電子學(xué)到光子學(xué)的過渡區(qū)域。作為光譜測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重要手段,太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)技術(shù)展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。太赫茲技術(shù)為生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等諸多學(xué)科的發(fā)展提供了新的研究手段。太赫茲波技術(shù)在林業(yè)科學(xué)相關(guān)研究、食品質(zhì)量安全、醫(yī)學(xué)檢測(cè)及診斷、爆炸物檢測(cè)、太赫茲通信、有機(jī)生物分子探測(cè)、天文遙感等方面都很好的應(yīng)用前景。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)可同時(shí)測(cè)量電場(chǎng)的相位和幅度,經(jīng)傅里葉變換,樣本材料在該波段的吸收系數(shù)、折射率以及復(fù)介電常數(shù)等參數(shù)都可以獲得。太赫茲電磁波譜與有機(jī)物及生物分子(如DNA、RNA、蛋白質(zhì)等)的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能量對(duì)應(yīng),是研究生物分子和有機(jī)物方面非常有效的工具。太赫茲輻射光子能量非常低,在進(jìn)行生物檢測(cè)時(shí)不會(huì)造成生物電離;同時(shí)太赫茲波屬于遠(yuǎn)紅外和毫米波范疇,具有低散射的特點(diǎn)。以上優(yōu)點(diǎn)使太赫茲做生物檢測(cè)時(shí)具有天然的優(yōu)勢(shì)。本文在國(guó)家973計(jì)劃“活細(xì)胞的太赫茲波無標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)研究”(2015CB755401),國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“‘十二五’國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目”(2012BAK04B03),重慶市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目“太赫茲復(fù)合材料無損檢測(cè)成像設(shè)備”(cstc2013yykfC00007)的共同資助下,利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)鑒別固相生物分子的種類;研究液相生物分子的相互作用;與超材料相結(jié)合,鑒別液相生物分子種類;研究液相生物分子間的相互作用。主要研究?jī)?nèi)容如下:1、對(duì)應(yīng)用太赫茲光譜技術(shù)研究生物分子的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)梳理與總結(jié);重點(diǎn)介紹了與用THz-TDS技術(shù)檢測(cè)固相樣本、液相樣本以及液相樣本與超材料結(jié)合相關(guān)的研究成果;對(duì)后續(xù)章節(jié)中實(shí)驗(yàn)中用到的樣品制作工藝和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行描述。在此基礎(chǔ)上,提出本文的主要研究思路和內(nèi)容。2、詳細(xì)說明了不同生物分子樣本的制作流程及注意事項(xiàng);對(duì)太赫茲輻射源的工作原理、結(jié)構(gòu)及太赫茲波的探測(cè)手段和方法進(jìn)行介紹;介紹了THz-TDS系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu);重點(diǎn)討論了透射式THz-TDS技術(shù)的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及提取材料參數(shù)的理論依據(jù)和方法。3、對(duì)外觀相似,直觀上難以區(qū)分,且沒有明顯的特征吸收峰的固相生物分子進(jìn)行鑒別,首先利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)提取了不同生物分子樣本的透射光譜數(shù)據(jù)的主成分,然后結(jié)合基于網(wǎng)格搜索算法的支持向量機(jī)(Grid Search-SVM)和基于遺傳算法的支持向量機(jī)(GA-SVM)進(jìn)行模式識(shí)別。從分類結(jié)果上看,GA-SVM是一種高效,平行和綜合的搜索算法,其自動(dòng)控制搜索過程可以通過自適應(yīng)確定最優(yōu)解,即使在訓(xùn)練樣本有限的情況下,該算法仍產(chǎn)生準(zhǔn)確的識(shí)別結(jié)果并展現(xiàn)良好的收斂特性。THz-TDS技術(shù)與模式識(shí)別相結(jié)合的方法,在鑒別不同固相生物分子的種類方面具有可行性。4、針對(duì)傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)方法在檢測(cè)液相生物分子相互作用時(shí)會(huì)受到熒光劑干擾的問題,提出了采用THz-TDS技術(shù)進(jìn)行無標(biāo)記檢測(cè)生物分子相互作用的方法;選取具有重要生物學(xué)意義的雌激素受體α抗體(AER-α)以及與它的特異性抗原雌激素受體α多肽片段(ERP-α)作為研究對(duì)象,測(cè)量了AER-α與ERP-α反應(yīng)前后的太赫茲光譜,應(yīng)用水化動(dòng)力學(xué)角度分析兩種生物分子相互作用的機(jī)制,并從介電性質(zhì)變化方面進(jìn)一步分析兩種生物分子相互作用前后的介電損耗角變化。最后,與傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)方法相比較,證明了THz-TDS技術(shù)在檢測(cè)液相生物分子相互作用方面具有可行性和可靠性。5、針對(duì)于一些液相生物分子在常規(guī)條件下對(duì)太赫茲場(chǎng)響應(yīng)不敏感的情況,提出使用開口諧振環(huán)(Split-ring resonator,SRR)結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)太赫茲場(chǎng)局域電磁響應(yīng),從而增強(qiáng)太赫茲光譜對(duì)液相生物分子的檢測(cè)靈敏度的方案。實(shí)現(xiàn)對(duì)不同液相生物分子的檢測(cè)。設(shè)計(jì)并制造了SRR結(jié)構(gòu),實(shí)際制造出來的SRR結(jié)構(gòu)參數(shù)與理論仿真吻合較好;首先,利用SRR結(jié)構(gòu)與THz-TDS相結(jié)合,得到了油酸,亞油酸,α-亞麻酸和γ-亞麻酸四種不同脂肪酸的太赫茲透射譜,從光譜信息實(shí)部和虛部成功區(qū)分出不同種類的脂肪酸;其次,基于SRR結(jié)構(gòu),獲得了不同濃度的免疫球蛋白(Rabbit IgG)溶液太赫茲透射光譜,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示可以有效區(qū)分不同濃度的Rabbit IgG蛋白溶液,且最小檢測(cè)濃度為0.001mg/ml。隨后將不同濃度的Rabbit IgG蛋白與頻率偏移進(jìn)行了擬合,從水化動(dòng)力學(xué)角度分析了不同濃度蛋白產(chǎn)生不同頻率偏移量的原因。測(cè)量了Rabbit IgG+anti-Rabbit IgG(抗體)溶液組合以及Rabbit IgG+BSA(牛血清蛋白)溶液組合基于SRR結(jié)構(gòu)的太赫茲透射光譜,通過比對(duì)諧振峰的頻率偏移量的差異,成功無標(biāo)記檢測(cè)了兩種蛋白是否發(fā)生相互作用。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O441
【部分圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文勻混合。在實(shí)際的壓片過程中發(fā)現(xiàn)壓片的厚特性（如孔隙度）。使用天然瑪瑙研缽，如使生物分子樣本與聚乙烯粉末充分接觸，這孔隙，再將研磨后的混合物放在上海馳唐實(shí)器上使樣本充分混合，保證樣本均一性,如有限公司生產(chǎn)的 HY-12 粉末壓片機(jī)進(jìn)行壓用性較強(qiáng)的手動(dòng)液壓型壓片機(jī)，壓片直徑為噸），如圖 2.1d 所示。

圖 2.2 制備液相生物分子樣本所需的液體樣品池(a)和移液槍(b 超材料結(jié)合液相生物分子樣本制備技術(shù)料對(duì)電磁場(chǎng)具有良好的局域場(chǎng)增強(qiáng)特性，與生物分子之間可以產(chǎn)生材料結(jié)構(gòu)對(duì)周圍環(huán)境的介電變化比較敏感。因此，通過檢測(cè)超材料環(huán)境的變化，來間接解析生物分子的介電常數(shù)、折射率等信息。是指在涂滿光刻膠的晶圓（硅片）上蓋上事先做好的光刻板，然后光刻板對(duì)晶圓進(jìn)行一定時(shí)間的照射，其原理是利用紫外線使部分光于腐蝕。具體過程是把涂有光致抗蝕劑的基底層上的內(nèi)容完全從掩來，將圖形轉(zhuǎn)移到基片上。料為兩層結(jié)構(gòu)，第一層為具有周期性結(jié)構(gòu)金膜，第二層為襯底硅基本流程：1）襯底基片清洗：將裁剪好的硅片放入超聲波清洗儀后先用無水乙醇清洗再用去離子水漂洗干凈，再用高壓氮?dú)獍压杵?

第 2 章 基于太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的生物分子檢測(cè)技術(shù)除表面的混合液后，再使用無水乙醇洗去光刻膠，再利用去吹干后即得到開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)。測(cè)前，首先在超材料上表面粘貼一內(nèi)徑 15mm,厚度約為 100溶液用移液槍滴加在圓形區(qū)域內(nèi)，這樣在超材料表面就形成一膜，為了使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，每次滴加的溶液體積都是 10的可靠性，要進(jìn)行多次測(cè)量，在進(jìn)行下一次測(cè)量時(shí)，要把已經(jīng)，利用無水乙醇進(jìn)行清洗后使用去離子水沖洗，然后再用高壓超材料吹干后才能再進(jìn)行溶液滴加，進(jìn)行測(cè)量。為去除水分對(duì)整個(gè)測(cè)量過程都要在充滿氮?dú)獾沫h(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。

【參考文獻(xiàn)】

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