聚合物弯曲波导生物传感器的基础研究

作     者：刘欣 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张丹

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：弯曲波导 聚合物 金纳米颗粒 局域表面等离子体共振 甲胎蛋白检测 

摘      要：光波导生物传感器以其高灵敏度、制备工艺简单、操作简便以及低成本的优势取得了快速发展,在食品工业、生物医疗以及环境监测方面具有广泛的应用前景。常见的光波导传感器可以分为微环型传感器、马赫增德尔型传感器以及弯曲波导型传感器等,可通过在波导上绑定贵金属纳米颗粒,利用其局域表面等离子体共振效应(Local Surface Plasmon Resonance,LSPR)可进一步提高传感器的灵敏度,并在生物特异性识别领域具有广阔的应用前景。本文对基于金纳米颗粒的聚合物弯曲波导生物传感器进行了研究。从理论分析、材料与器件制备以及性能测试四个方面开展了工作,主要完成的工作如下:1、研究了聚合物弯曲波导的传感原理,对影响弯曲损耗的主要因素:弯曲直径、波导尺寸等进行了理论模拟,制备了不同尺寸的聚合弯曲波导传感器,在未绑定金纳米颗粒的条件下对不同浓度的NaCl溶液进行测试。实验表明,在保证传感稳定性的条件下,对于弯曲直径为800 μm,截面尺寸为40μm×90 μm的波导传感性能最佳,检测灵敏度达到12.01 △A/RIU,线性度为0.995,与相近类型C型波导以及U型波导相比,灵敏度提升约3倍,与本课题组早期制备的聚合物S弯波导传感器相比,灵敏度提升6.57%。2、采用柠檬酸钠还原法制备了粒径约为40 nm的金纳米颗粒,研究了金纳米颗粒与聚合物弯曲波导的绑定条件。采用亚克力板、PDMS薄膜以及深紫外固化胶制备了微流控通道,并与波导进行集成,该方式提升了微流控通道的密封性,解决了测试过程中微流控通道的漏液问题,提升了光路的耦合稳定性。3、制备了绑定金纳米颗粒的聚合物弯曲波导传感器,通过对不同浓度的NaCl溶液的检测获得其灵敏度为16.11 △A/RIU,线性度为0.997,与已报到的同类型绑定金纳米颗粒的U型聚合物波导传感器相比,灵敏度提升了 8.92%,与本课题组前期制备的绑定金纳米颗粒的聚合物S弯波导传感器相比,灵敏度提升9.30%。4、在绑定金纳米颗粒的聚合物弯曲波导传感器上经过生物特异性结合后,实现了甲胎蛋白(AFP)的低浓度检测。实验表明,在AFP浓度小于等于100 ng/mL时,吸光度随着AFP浓度的上升变化较快,当AFP浓度大于200 ng/mL时,吸光度随AFP变化较为平稳,并且在5-100 ng/mL范围内呈线性变化,灵敏度为0.00103 ng/RIU,线性度达到0.985,与本组前期结果相比提升约2.86倍,通过实验对比了检测与AFP蛋白结构接近的牛血清蛋白(BSA)、免疫球蛋白(IgG)抗原及乳清蛋白,以及免疫球蛋白抗体、NaCl和蔗糖溶液,并检测了人体参考血清,结果显示该生物传感器具有良好的选择性。