【摘要】：光微流激光器是光子學(xué)與微流體結(jié)合的學(xué)科前沿和熱點方向,是研究光與生化物質(zhì)相互作用的新型平臺技術(shù)。通過集成光學(xué)微腔與微量液體增益材料,光微流激光可作為微流芯片光源或傳感器�，F(xiàn)有光微流激光器用于生化傳感時,存在三個方面的瓶頸問題:(1)難以實現(xiàn)一次性使用�，F(xiàn)有工藝難以低成本、大批量制作性能一致的光學(xué)微腔,難以保證光微流激光器之間的輸出一致性。(2)難以實現(xiàn)高通量傳感。同樣受限于微腔的性能差異,難以保證各傳感通道之間的性能一致性。(3)難以實現(xiàn)超高靈敏度�，F(xiàn)有光微流激光器為滿足激光閾值條件需要大量增益分子數(shù)目提供增益,使生物分子的細微變化淹沒在背景信號中,限制了光微流激光器的傳感靈敏度。因此,如何實現(xiàn)一次性、高通量傳感和更高靈敏度的高性能生化測量成為光微流激光領(lǐng)域亟待解決的問題。本文針對上述問題,率先提出并實現(xiàn)了一次性光纖微流激光器,開展了光纖微流激光器的集成化研究,首次提出分布式光纖微流激光器的概念,并首創(chuàng)基于光纖微流激光器的高通量生化傳感芯片方案,首次提出光纖單分子層微流激光并實現(xiàn)了高靈敏免疫診斷,初步構(gòu)建了基于新型光纖微流激光器的高性能生化傳感技術(shù)體系。本文主要結(jié)果如下:(1)率先提出并實現(xiàn)了一次性光纖微流激光器,演示了一次性激光傳感器,并開展了光纖微流激光器的集成化研究。本文分析了雙孔光纖的諧振機制,研究了其輸出閾值特性、方向性、輸出重復(fù)性,最終實現(xiàn)了高重復(fù)性的激光輸出(s=6.5%)。為拓展一次性光纖微流激光器激光器功能,實現(xiàn)多個樣品、多參數(shù)的同時測量,本文還開展了光纖微流激光器的集成化研究。一方面,通過對多個光纖微流激光器的集成,實現(xiàn)了激光陣列,可實現(xiàn)對不同樣品的同時測量,另一方面,本文提出偽回音壁模式光纖微流激光器。該微回音壁模式光纖微流激光器允許通過選擇性填充的方式將多個樣品同時注入光纖內(nèi)部,實現(xiàn)單根光纖水平的高密度集成。(2)首次提出了分布式光纖微流激光器的概念,并首創(chuàng)基于分布式光纖微流激光器的高通量生化傳感芯片方案。本文利用光纖的軸向均勻性(s(27)0.4%)實現(xiàn)了分布式光纖微流激光器。通過相機成像的方式對分布式光纖微流激光器的光譜、閾值、空間均勻性等特性進行了表征。結(jié)果顯示,該分布式光纖微流激光器閾值低至0.5mJ/mm~2,沿著光纖軸向輸出強度波動率約為6.6%。通過將分布式光纖微流激光器作為光源,進而集成傳感通道實現(xiàn)了陣列傳感芯片�；诜植际焦饫w微流激光器的傳感芯片能夠?qū)崿F(xiàn)探測極限為14 pM的酶濃度傳感。提出了基于分布式光纖微流激光器的二維傳感芯片方案。利用微流體的可重構(gòu)特性并結(jié)合FRET效應(yīng),本文實現(xiàn)了分布式光纖微流激光器輸出波長達250 nm的寬帶調(diào)節(jié),并提出通過波分/空分復(fù)用的方式提出了二維傳感芯片,可將傳感單元擴展至2500個。最后,為充分發(fā)揮波分復(fù)用在高通量傳感中的潛力,還演示了單縱模光纖微流激光器,實現(xiàn)了信噪比為21 dB,半高寬為53 pm的單縱模輸出。由于單縱模光纖微流激光器更窄的線寬,在有限的光譜范圍內(nèi)可實現(xiàn)更高密度的波分復(fù)用,實現(xiàn)更高通量的傳感。(3)提出并實現(xiàn)了酶催化光微流激光器并用于高靈敏度離子濃度傳感,基于單分子層光纖微流激光器實現(xiàn)了高靈敏度帕金森病生物標(biāo)志物傳感。首先為驗證光微流激光器的靈敏度增強作用,本文引入酶促反應(yīng)實現(xiàn)了硫離子濃度傳感,實現(xiàn)了最低10 nM的硫離子濃度測量,比熒光方法性能提升2個數(shù)量級。然后,針對光微流激光器中影響靈敏度的因素,設(shè)計了單分子層光纖微流激光器并演示了其高靈敏度免疫分析。建立了光微流激光傳感器的理論模型,分析了影響傳感靈敏度的重要參數(shù),如增益介質(zhì)分子數(shù)目、激光參與比例等。通過在光纖表面交聯(lián)增益介質(zhì),實現(xiàn)了單分子層光纖微流激光器,將增益介質(zhì)分子數(shù)目減少至約為10~7,比傳統(tǒng)光微流激光器低5個量級。本文還研究了單分子層光纖微流激光的閾值特性、光漂白特性、軸向均勻性和統(tǒng)計特性�；谠摴饫w微流激光器實現(xiàn)了高靈敏度生物傳感,其中,雞蛋白檢測線性范圍為1 pM到1000 pM,帕金森病生物標(biāo)記物檢測線性范圍為0.14 pM到4.2 pM。
【圖文】：

圖 1-1 典型的可調(diào)光學(xué)器件。（a）可調(diào)波導(dǎo)[1]；(b)可調(diào)微透鏡[2]；（c）可調(diào)微透鏡陣列[3]；（d）光調(diào)制器[4]；（e）光開關(guān)[5]（2）生化傳感器光微流技術(shù)可以與很多光學(xué)檢測手段，如光學(xué)微腔、表面等離子體、熒光拉曼光譜等很好地結(jié)合，，產(chǎn)生了大量基于光微流技術(shù)的新型生化傳感器。Lee 等使用如圖 1-2（a）所示的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了蛋白質(zhì)的高靈敏度檢測[6]。光晶體微腔允許較強的光和物質(zhì)相互作用，被測物質(zhì)結(jié)合到微腔表面引起的細微折

圖 1-1 典型的可調(diào)光學(xué)器件。（a）可調(diào)波導(dǎo)[1]；(b)可調(diào)微透鏡[2]；（c）可調(diào)微透鏡陣列[3]；（d）光調(diào)制器[4]；（e）光開關(guān)[5]（2）生化傳感器光微流技術(shù)可以與很多光學(xué)檢測手段，如光學(xué)微腔、表面等離子體、熒光、拉曼光譜等很好地結(jié)合，產(chǎn)生了大量基于光微流技術(shù)的新型生化傳感器。Lee 等人使用如圖 1-2（a）所示的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了蛋白質(zhì)的高靈敏度檢測[6]。光子晶體微腔允許較強的光和物質(zhì)相互作用，被測物質(zhì)結(jié)合到微腔表面引起的細微折
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN248;TP212

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本文編號：2592290