监测骨髓基质干细胞胃癌作用机制的微环谐振器研究

作     者：石思潮 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄鹰

授予年度：2017年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：硅光子学 微环谐振器 游标效应 级联微环 生物传感器 

摘      要：随着光纤通信系统的不断研究推进,对于光器件的小功率化、集成化以及规模化提出了很高的要求。因此集成光学顺势发展,并且与现有的不断发展的硅基电子集成技术紧密结合,形成了硅基光电子学。而其主要的目标,就是应用现有的CMOS工艺,加工集成的全光处理器件。微环谐振器作为光电子集成技术的重要部件,被广泛应用在全光信号缓存、光学滤波器、全光开关、逻辑门等全光信号的处理方面。而由于微环谐振器的高集成度、高灵敏度、结构易扩展、兼容CMOS工艺等优点,其应用于生物医学领域有着很大的发展空间,基于微环谐振器的生物传感器成为了研究热点。同济医学院的课题组（协和医院消化内科蔺蓉）正在对骨髓干细胞癌变导致胃癌的癌变过程进行研究,前期发现“骨髓基质干细胞（MSCs）存在两种不同形态的细胞亚群,首次提出MSCs通过不同亚型间的表型转化参与胃癌发生。由于缺少特异性标志物,普通生物学方法很难对其分离鉴别。本文对高灵敏度的微环生物传感器进行了研究。首先介绍了微环谐振器的结构、特征参数,结合光波导原理以及光波导的耦合模理论分析了微环的耦合区域和传输特性,并且根据微环谐振器的参量模型推导了包括FSR、Q值、半高宽等主要参数的计算公式。之后详细介绍了微环谐振器用作生物传感器的原理,对等效FSR、探测灵敏度等主要参数的推导。本文设计了级联微环生物传感器结构,利用游标效应提高探测灵敏度,并对级联微环的等效FSR和探测灵敏度进行了理论推导;制备了通光良好的级联微环生物传感器,获得了较大的等效自由光谱区,相比普通单微环传感器不仅增大了等效探测范围,还提高了探测灵敏度。实验分别测试了离子水,1640培养基,培养3天的胃癌细胞上清液样本。生物医学使用的1640培养基以及培养了3天的胃癌细胞组织上清液在级联微环生物传感器的主谐振波长上有16.2nm的差别,而骨髓基质干细胞（MSCs）的两种细胞亚群在级联微环生物传感器主谐振波长上的漂移有17.48nm,实现了对培养基和胃癌细胞上清液、骨髓基质干细胞的两个细胞亚群直观的区分鉴别。本文利用“微环谐振器的微型化和折射率敏感性、高灵敏度等特点检测和区分不同状态的胃癌细胞组织上清液以及骨髓干细胞的亚细胞群等,帮助了合作课题组进一步细化干细胞亚型并研究干细胞参与胃癌发生的机制。实验中设计和制备了高灵敏度级联微环生物传感器,其探测灵敏度为235nm/RIU。