本文選題：表面親和型生物醫(yī)學(xué)傳感器 + 表面等離子體共振��； 參考：《南開大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：隨著生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究不斷深入,用于生物醫(yī)學(xué)檢測以及生化分析的傳感器技術(shù)被提出了越來越高的要求。為了從生物醫(yī)學(xué)檢測中獲取更高質(zhì)量的信息,應(yīng)用先進(jìn)傳感技術(shù)和敏感材料的新型生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)已經(jīng)成為近年來學(xué)術(shù)界的研究熱點。近年來,新型生物醫(yī)學(xué)傳感器開始向自動化、微型化與集成化和在線連續(xù)監(jiān)測等方向發(fā)展。在這種發(fā)展趨勢下,一種基于生物分子間特異性結(jié)合的新型生物醫(yī)學(xué)傳感器——表面親和型生物醫(yī)學(xué)傳感器得到了越來越多的關(guān)注。表面親和型生物醫(yī)學(xué)傳感器不再使用傳統(tǒng)的基于酶和各種標(biāo)記手段,能夠在微小尺度的集成傳感器件上實現(xiàn)對目標(biāo)生物分子的無標(biāo)記、特異性定量檢測。 在本文中,我們對表面親和型生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域中的兩個熱點研究方向,即表面等離子體共振(Surface plasmon resonance, SPR)生物醫(yī)學(xué)傳感器(第二到第四章)和石墨烯場效應(yīng)管(Graphene field-effect transistor, GFET)生物醫(yī)學(xué)傳感器(第五到第八章)分別進(jìn)行了研究。本文所述的研究中貫徹一種思路,即盡可能將傳感器小型化和集成化,以期能用最少量的儀器設(shè)備、最低的功耗、最小的器件體積和最少的生物樣品消耗完成對所需的生物信息高質(zhì)量獲取。SPR和GFET器件的設(shè)計、制作和應(yīng)用都遵循這一思路。 其中,SPR生物醫(yī)學(xué)傳感器是一種先進(jìn)的光學(xué)傳感技術(shù),本文中涉及SPR部分的具體研究內(nèi)容主要包括： 1.基于小型商用光譜儀設(shè)備,設(shè)計了一種光譜(波長)調(diào)制型SPR傳感器。通過觀測一定波段內(nèi)復(fù)色光的衰減全反射(Attenuated total reflection, ATR)光強(qiáng),檢測在SPR敏感膜一側(cè)發(fā)生的折射率變化和生物分子親和引起的等效折射率變化。 2.根據(jù)透明液體對光束的折射作用,設(shè)計了一種實現(xiàn)多通道SPR掃描的檢測機(jī)制。通過使用不同折射率的光學(xué)耦合液,將入射光束引導(dǎo)到不同的檢測通道上,取代了傳統(tǒng)多通道SPR傳感系統(tǒng)使用的機(jī)械掃描機(jī)制,縮小了傳感器的體積并簡化了掃描操作。 3.通過對實驗過程中發(fā)現(xiàn)的噪聲信號的分析,設(shè)計了一種依靠多通道分時掃描提供實時更新的SPR光強(qiáng)參考基線的檢測機(jī)制。實驗證明,通過實時刷新參考基線,可以顯著改善SPR檢測的噪聲水平。 本文的另一部分研究工作中,基于石墨烯場效應(yīng)管的生物醫(yī)學(xué)傳感器是一種使用近年來極為熱門的石墨烯材料的電子學(xué)傳感器。本文中對GFET器件的研究主要包括： 1.基于化學(xué)蒸鍍沉積(Chemical vapor deposition, CVD)方法的石墨烯合成。通過總結(jié)CVD石墨烯的合成條件,摸索并總結(jié)出了一套快速、簡捷且低成本制備適用于傳感器制作的石墨烯材料的方法。 2.基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)加工工藝的傳感器件制造。MEMS工藝是一種基于IC設(shè)計技術(shù)總結(jié)的用于制作微米尺度器件的標(biāo)準(zhǔn)工藝。本文詳細(xì)總結(jié)了基于MEMS工藝的石墨烯場效應(yīng)管傳感器件設(shè)計和制造流程。 3.石墨烯器件的電場效應(yīng)和電子學(xué)特性研究。通過對石墨烯在受到帶電微粒摻雜時的轉(zhuǎn)移特性和噪聲水平進(jìn)行實驗測量和理論分析,本文總結(jié)了石墨烯場效應(yīng)管在用作傳感器時的使用規(guī)范和優(yōu)化準(zhǔn)則。 4.通過對核酸分子間的互補(bǔ)配對雜交和生物分子特異性結(jié)合的動力學(xué)過程及其生物學(xué)機(jī)制進(jìn)行了深入研究,并基于此對石墨烯進(jìn)行生化修飾,實現(xiàn)了器件對小分子激素生物標(biāo)志物脫氫表雄甾酮(Dehydroepiandrosterone,DHEA-S)的無標(biāo)記、特異性定量檢測。在驗證器件可以用于生物醫(yī)學(xué)傳感器的同時,解決了現(xiàn)存的表面親和型傳感器檢測小分子的難題。
[Abstract]:In recent years , a new biomedical sensor based on advanced sensing technology and sensitive material has become a hot spot in the academic community in recent years . In recent years , a new biomedical sensor with advanced sensing technology and sensitive material has become a hot spot in the academic community in recent years . In recent years , a novel biomedical sensor _ surface affinity type biomedical sensor based on the specific binding of biomolecules has been paid more and more attention .

In this paper , we study two hot topics in the field of surface affinity biomedical sensors , namely Surface plasmon resonance ( SPR ) biomedical sensors ( Chapters 2 to 4 ) and graphene field effect transistors ( GFET ) biomedical sensors ( Chapters V to VIII ) .

Among them , SPR biomedical sensor is an advanced optical sensing technology , in this paper , the specific research content of SPR section mainly includes :

1 . Based on the small commercial spectrometer equipment , a kind of spectral ( wavelength ) modulation SPR sensor is designed . By observing the attenuation total reflection ( ATR ) intensity of the complex light in a certain wavelength band , the refractive index change and the equivalent refractive index change caused by the biological molecules are detected on the side of the SPR sensitive film .

2 . According to the refraction effect of the transparent liquid on the light beam , a detection mechanism for realizing the multi - channel SPR scanning is designed . By using the optical coupling liquid with different refractive indexes , the incident light beam is guided to different detection channels , the mechanical scanning mechanism used by the conventional multi - channel SPR sensing system is replaced , the volume of the sensor is reduced and the scanning operation is simplified .

3 . Based on the analysis of the noise signal found during the experiment , a detection mechanism of SPR light intensity reference baseline based on multi - channel time - sharing scanning is designed . Experimental results show that the noise level of SPR detection can be significantly improved by refreshing the reference baseline in real time .

In another part of this paper , the biomedical sensor based on graphene field effect tube is an electronic sensor using graphene material which is very popular in recent years . The research of GFET device mainly includes :

1 . Synthesis of graphene based on chemical vapor deposition ( CVD ) method . By summarizing the synthesis conditions of CVD graphene , a rapid , simple and low - cost method for preparing graphene material suitable for sensor fabrication is also summarized .

2 . The fabrication of sensor parts based on Micro Electro - Mechanical System ( MEMS ) processing technology . MEMS technology is a standard process for manufacturing micron scale devices based on IC design technology . The design and manufacturing flow of graphene field effect tube sensor based on MEMS technology are summarized in detail .

3 . The electric field effect and the electronic properties of graphene devices are studied . Through the experimental measurement and theoretical analysis of the transfer characteristics and the noise level of the graphene in the doping process of charged particles , the usage specification and the optimization criterion of the graphene field effect tube as sensors are summarized in this paper .

4 . Through the research on the dynamic process and biological mechanism of complementary paired hybridization and biomolecule - specific binding between nucleic acid molecules , and based on the biochemical modification of the graphene , the label - free and specific quantitative detection of the dehydroepiandrosterone of the small molecule hormone biomarker is realized by the device , and the problem that the existing surface affinity type sensor detects small molecules is solved while the verification device can be used for biomedical sensors .
【學(xué)位授予單位】：南開大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：R318;TP212

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：2080118