基于液晶媒介的生物医学光纤传感特性研究

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液晶与生物体之间的关系,从液晶发现之日起就成为了热门的研究方向。液晶具有对外界环境敏感的特点,已被作为生物传感的敏感中介材料,应用于生物医学工程领域中。本文利用向列相液晶与胆甾相液晶材料作为媒介,基于侧边抛磨光纤,探索一种新颖的、无标记的生物医学光纤传感技术——基于液晶媒介的侧边抛磨光纤生物传感器,不仅具有侧边抛磨光纤倏逝场传感对外界折射率变化敏感、小型化、无污染,与检测物无化学相互作用的优势,还具备液晶的光学特性放大效应,兼得二者优势,基于液晶媒介的侧边抛磨光纤生物传感技术的研究将会给生物医学传感领域带来新的突破。本文通过实验研究了侧边抛磨光纤传输光功率对向列相液晶取向变化的响应特性、侧边抛磨光纤透射光谱对胆甾相液晶螺旋结构变化的响应特性以及液晶的取向和结构变化对磷脂酰胆碱浓度的光学响应特性,验证了构建基于液晶媒介的侧边抛磨光纤生物传感器的可行性。首先,设计了两种实验方法,研究了基于向列相液晶取向变化的侧边抛磨光纤传感特性:一种是利用机械旋转液晶盒基板锚泊方向的方法来改变液晶的取向;另一种是在液晶盒上施加调制电压的方法来改变液晶的取向。通过实验研究,获得了侧边抛磨光纤传输光功率对向列相液晶取向变化的响应特性,实现了利用侧边抛磨光纤传输光功率表征向列相液晶的取向变化信息;验证了侧边抛磨光纤传输光功率测量以指向矢方位角为表征的向列相液晶取向变化的可行性,并分析了适用范围,以液晶指向矢方位角为表征的向列相液晶的取向变化从0°增大至90°,侧边抛磨光纤传输光功率随之增大28.1dB;在0°到30°范围内,侧边抛磨光纤传输光功率与向列相液晶的取向变化具有线性关系,光纤传输光功率对取向角度变化的响应平均约为0.359dB/°。验证了利用侧边抛磨光纤传输光功率半定量确定以指向矢倾角为表征的向列相液晶取向变化的可行性。当外加交流电压大于50V后,侧边抛磨光纤抛磨面附近的液晶指向矢的倾角跃变增大,导致侧边抛磨光纤传输光功率跃变增大1.4dB。第二,利用胆甾相液晶的螺旋结构变化对温度灵敏响应的特性,研究了侧边抛磨光纤透射光谱对胆甾相液晶螺旋结构变化的响应特性。通过实验研究,获得了基于胆甾相液晶螺旋结构变化的侧边抛磨光纤传感特性。在20℃至50℃的温度范围内,基于胆甾相液晶螺旋结构变化的侧边抛磨光纤可以实现对环境温度的传感并且具有较高的灵敏性和较好的线性关系,温度每升高10℃透射光谱的损耗峰漂移12.98nm,线性相关度达到96.5%。验证了利用侧边抛磨光纤测量胆甾相液晶螺旋结构变化的可行性,实现了利用侧边抛磨光纤的透射光谱表征胆甾相液晶螺旋结构的变化信息最后,本文利用液晶相与水相界面的磷脂分子自组装行为对液晶取向的锚泊效应,研究了混合胆甾相液晶的取向和结构变化对磷脂酰胆碱浓度变化的光学响应特性。提出并演示了将向列相液晶与胆甾相液晶混合增敏磷脂酰胆碱浓度的光学测量方法。随着L-A-月桂酰磷脂酰胆碱溶液浓度从0mM增大到0.1mM,混合胆甾相液晶的反射波长红移206.79nm。通过实验研究,演示并验证了利用制备的混合胆甾相液晶测量磷脂酰胆碱浓度的可行性,实现了利用混合胆甾相液晶对磷脂酰胆碱浓度的光学反射谱测量。本文研究工作的创新之处如下:(1)首次提出了将向列相液晶与胆甾相液晶混合增敏磷脂酰胆碱浓度的光学测量方法,并实验演示了利用混合胆甾相液晶对磷脂酰胆碱浓度的反射光谱测量方法;(2)首次获得了侧边抛磨光纤对向列相液晶取向变化和胆甾相液晶螺旋结构变化的响应特性,为基于液晶媒介的光纤生物传感的新方法奠定了基础;(3)获得了基于胆甾相液晶的光纤温度传感特性。
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