本文關(guān)鍵詞：提高微流芯片生物傳感器檢測限的研究

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【摘要】：微流控芯片又稱芯片實(shí)驗(yàn)室,其特點(diǎn)是把化學(xué)、生物學(xué)領(lǐng)域所涉及的樣品分離、制備、反應(yīng)、檢測和信息處理等操作單元都集成在一塊芯片上,具有操作簡單、檢測迅速、體積小巧、攜帶方便以及樣品用量少等優(yōu)點(diǎn)。微流控光學(xué)檢測技術(shù)和納米材料檢測技術(shù)是微流控芯片中檢測技術(shù)的分支,以實(shí)現(xiàn)簡化檢測步驟和提高檢測效果。其中,折射率生物傳感器由于具有較高的檢測精度,實(shí)時(shí)檢測和無標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用；納米線生物傳感器,由于其具有非常高的檢測靈敏度,成為近年來的研究熱點(diǎn)。對于應(yīng)用在微流控芯片中的生物傳感器,檢測限是衡量其檢測能力的重要參數(shù)之一,表示傳感器對于樣品檢測的最小分辨能力。本論文以提高微流控芯片中生物傳感器的檢測限為目標(biāo),圍繞法布里-珀羅光學(xué)諧振腔生物傳感器和納米線場效應(yīng)管生物傳感器,開展了的理論研究和實(shí)驗(yàn)探索工作,所取得的主要研究成果總結(jié)如下：1.創(chuàng)新性地將絕緣襯底上的硅(Silicon-On-Insulator, SOI)襯底引入到法布里-珀羅光學(xué)諧振腔的設(shè)計(jì)當(dāng)中,并以此制備了高度光滑和平行的反射鏡。在制作時(shí),腐蝕液在SiO2層自動(dòng)停止,保證了良好的光滑度和平行度。在此基礎(chǔ)上,將Ta205和SiO2交替沉積在諧振腔表面,構(gòu)成布拉格反射鏡,制備出具有高品質(zhì)因數(shù)Q的法布里-珀羅光學(xué)諧振腔。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試,該法布里-珀羅光學(xué)諧振腔生物傳感器的靈敏度為1100±121nm/RIU,品質(zhì)因數(shù)Q為861,檢測限為1.1×10-5RIU。這一檢測限值高于其它目前報(bào)道的關(guān)于法布里-珀羅光學(xué)諧振腔的數(shù)值。2.針對系統(tǒng)噪聲,設(shè)計(jì)制作了雙腔結(jié)構(gòu)的差分法布里-珀羅光學(xué)諧振腔生物傳感器。該傳感器由集成在一起的法布里-珀羅光學(xué)諧振腔并與具有雙探頭的光差分探測器,構(gòu)成了光學(xué)差分系統(tǒng)。該光學(xué)差分探測系統(tǒng),有效地抑制了激光器的功率誤差和頻率漂移誤差以及溫度的影響；此外,還可以有效地將差分信號從相對較大的背景功率中提取出來,使有效的小信號獲得足夠的放大空間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試,差分法布里-珀羅光學(xué)諧振腔生物傳感器的檢測限可達(dá)到5.5×10-8RIU,該數(shù)值是目前已報(bào)道的微流控光學(xué)傳感器在實(shí)驗(yàn)中所能得到的最好成果之一3.為提高納米線場效應(yīng)管生物傳感器的檢測限,在InAs/InP納米線器件中采用了3.3nm的InP包層厚度；對SiO2層厚度和Au/Ti電極進(jìn)行了優(yōu)化；采用錐形納米線中的應(yīng)力誘導(dǎo)作用,產(chǎn)生軸向加速漂移壓電場效應(yīng),提高了納米線場效應(yīng)管載流子遷移率。經(jīng)試驗(yàn)測定,其電子遷移率達(dá)22,300 cm2/Vs,該數(shù)值是目前納米線器件在室溫下所得到的最好成果之一。4.發(fā)現(xiàn)了由于應(yīng)變所產(chǎn)生的帶隙差以及通過位錯(cuò)應(yīng)變來調(diào)節(jié)帶隙差的方法,使錐形InAs/InP芯包層納米線具有二極管特性。在此納米線中,沿軸向分布的位錯(cuò)應(yīng)變可以由包層的厚度以及錐形的梯度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)InP包層厚度為6.5 nm時(shí),沿軸向由位錯(cuò)應(yīng)變而產(chǎn)生的帶隙差可達(dá)到0.21 eV,在這一帶隙差的作用下,納米線器件的I-V曲線呈現(xiàn)出典型的二極管特性。為設(shè)計(jì)新型的納米線器件打下基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：微流控芯片 生物傳感器 檢測限 法布里-珀羅光學(xué)諧振腔 納米線場效應(yīng)管 納米線二極管
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN492
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 圖目錄13-16
• 表目錄16-17
• 主要符號表17-18
• 1 緒論18-46
• 1.1 生物芯片技術(shù)概述18-19
• 1.2 微流控芯片技術(shù)概述19-21
• 1.3 應(yīng)用于微流控芯片的光學(xué)檢測技術(shù)概述21-37
• 1.3.1 表面等離子體共振檢測技術(shù)22-25
• 1.3.2 光學(xué)微諧振環(huán)檢測技術(shù)25-26
• 1.3.3 光柵光纖檢測技術(shù)26-27
• 1.3.4 光子晶體檢測技術(shù)27-28
• 1.3.5 法布里-珀羅光學(xué)諧振腔檢測技術(shù)28-37
• 1.4 應(yīng)用于微流控芯片的納米器件檢測技術(shù)概述37-44
• 1.4.1 納米器件簡介37-38
• 1.4.2 納米線場效應(yīng)管檢測技術(shù)38-42
• 1.4.3 納米線場效應(yīng)管的載流子遷移率42-44
• 1.5 本文主要研究思路44-46
• 2 折射率與納米線生物傳感器的建模與參數(shù)計(jì)算方法46-62
• 2.1 引言46
• 2.2 法布里-珀羅光學(xué)諧振腔的設(shè)計(jì)模型46-53
• 2.2.1 光線的反射與透射-斯托克斯關(guān)系式46-47
• 2.2.2 單反射層的法布里-珀羅光學(xué)諧振腔設(shè)計(jì)模型47-49
• 2.2.3 多反射的法布里-珀羅光學(xué)諧振腔設(shè)計(jì)模型49-53
• 2.3 生物傳感器中重要參數(shù)的計(jì)算方法53-60
• 2.3.1 靈敏度的計(jì)算54-56
• 2.3.2 品質(zhì)因數(shù)Q的計(jì)算56
• 2.3.3 檢測限的計(jì)算56-57
• 2.3.4 系統(tǒng)噪聲57-59
• 2.3.5 譜線位移最小分辨率的計(jì)算59-60
• 2.4 納米線場效應(yīng)管中重要參數(shù)的計(jì)算方法60-61
• 2.4.1 納米線場效應(yīng)管電子遷移率的計(jì)算60-61
• 2.5 本章小結(jié)61-62
• 3 單法布里-珀羅光學(xué)諧振腔生物傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)62-85
• 3.1 傳感器的總體設(shè)計(jì)62-63
• 3.2 傳感器的加工工藝63-72
• 3.2.1 傳感器的總體工藝步驟63-64
• 3.2.2 SOI襯底的設(shè)計(jì)與加工64-69
• 3.2.3 微流槽與諧振腔的腐蝕加工69-70
• 3.2.4 光學(xué)諧振腔的鍍膜與鍵合70-72
• 3.3 光學(xué)諧振腔制備結(jié)果的表征72-79
• 3.3.1 諧振腔反射鏡光滑度的表征72-76
• 3.3.2 諧振腔反射鏡間的平行度的表征76-79
• 3.4 器件的測試79-84
• 3.4.1 測試環(huán)境與溶液配制79-81
• 3.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果81-83
• 3.4.3 性能參數(shù)計(jì)算83-84
• 3.5 本章小結(jié)84-85
• 4 差分法布里-珀羅光學(xué)諧振腔生物傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)85-99
• 4.1 傳感器的總體設(shè)計(jì)85-86
• 4.2 傳感器的加工工藝86-88
• 4.3 差分法布里-珀羅光學(xué)諧振腔傳感器的檢測原理88-93
• 4.4 器件的測試93-97
• 4.5 本章小結(jié)97-99
• 5 納米線場效應(yīng)管的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)99-131
• 5.1 納米線場效應(yīng)管的總體設(shè)計(jì)99-101
• 5.2 錐形InAs/InP納米線的生長101-107
• 5.2.1 錐形InAs/InP芯包層納米線的生長流程101-105
• 5.2.2 錐形InAs/InP芯包層納米線的表征105-107
• 5.3 納米線的排列與器件的制作107-113
• 5.4 納米線場效應(yīng)管的測試與結(jié)果分析113-129
• 5.4.1 納米線場效應(yīng)管的測試113-116
• 5.4.2 納米線場效應(yīng)管電子遷移率的計(jì)算116-118
• 5.4.3 器件的高電子遷移率分析118-122
• 5.4.4 納米線器件二極管特性分析122-129
• 5.5 本章小結(jié)129-131
• 6 結(jié)論與展望131-134
• 6.1 結(jié)論131-132
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)摘要132-133
• 6.3 展望133-134
• 參考文獻(xiàn)134-141
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果141-142
• 致謝142-143
• 作者簡介143

【參考文獻(xiàn)】

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 駱蘇華;特種SOI材料、器件及SnO_2納米結(jié)構(gòu)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）;2006年

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本文編號：614594