基于光纤表面等离子共振传感技术的葡萄糖浓度测量方法研究

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连续血糖检测能够提供糖尿病病人24小时连续血糖动态变化情况,对制定糖尿病治疗方案、评价治疗效果具有重大意义。微创血糖浓度检测技术是一种测量组织液中葡萄糖浓度的连续血糖检测技术,具有微创伤、可实现性更强和测量速度快等特点。微创血糖检测技术分为透皮抽取式和植入式两大类,透皮抽取式测量中由于抽取出来的组织液量较小需要稀释因而要求传感器的测量极限达到很低浓度,植入式方法测量中由于生物电的干扰等因素对传感器的测量精度会产生很大的影响,所以微创血糖检测对葡萄糖传感器提出了很高的要求。针对微创血糖连续监测的需求,本文提出了一种基于光纤SPR传感技术的葡萄糖浓度测量方法,并研究了侧边打磨改变光纤SPR结构、光纤光栅温度补偿、硼酸聚合物层层自组装表面修饰以及金纳米颗粒表面修饰等技术提高测量精度的方法。本文的研究内容主要包括:1、光纤SPR传感器的传感理论及结构设计研究了光纤SPR传感器的传感理论,主要研究分析了等离子体与表面等离子波、光纤SPR传感器中的倏逝波以及光纤SPR的激发条件;对光纤SPR检测的调制方法进行了总结比较,并最终选择波长调制方式作为本文的检测方式;对光纤SPR传感结构及系统进行了总结分析;建立了在线传输式光纤SPR、侧边打磨式光纤SPR、基于金纳米颗粒修饰的光纤SPR的理论计算模型;根据在线传输式光纤SPR理论计算模型对其参数进行了模拟计算并优化,根据金纳米颗粒修饰光纤SPR的理论计算模型对其参数进行了模拟计算并优化。2、光纤SPR传感器的长周期光纤光栅温度补偿方法研究了长周期光纤光栅的模式耦合理论;提出了长周期光纤光栅温度传感器与光纤SPR传感器集成的方法,并根据长周期光纤光栅模式耦合理论对其进行了理论分析;对长周期光纤光栅的温度特性进行了研究,对温度变化时纤芯和包层的变化进行了分析;利用Optiwave以及Matlab等软件进行仿真模拟,对长周期光纤光栅各个模式的输出光谱模拟和计算,找出对温度敏感度高而对折射率(组织液折射率范围内)不敏感的模式以及最优化的结构参数。3、光纤SPR传感器的加工工艺研究了多模在线传输式光纤SPR传感器、多模侧边打磨式光纤SPR传感器以及单模在线传输式光纤光栅SPR传感器的制作工艺流程;研究了光纤SPR镀膜过程中的真空控制、膜料的加热源以及膜厚监控方法;根据光纤镀膜要求设计加工了光纤镀膜夹具,以物理气相沉积法(PVD)中的热蒸发法进行了镀膜,对镀膜厚度进行控制并表征验证;分析比较了光纤光栅加工工艺,并确定采用双光束干涉的成栅方法加工长周期光纤光栅。4、光纤SPR传感器的硼酸聚合物表面修饰方法研究了葡萄糖浓度检测中的亲糖物质,并分析比较了各种亲糖物质的优缺点,最终确定采用水溶性硼酸聚合物;分析了高分子水溶性硼酸聚合物PAA-ran-PAAPBA与葡萄糖的作用机理,研究了高分子水溶性硼酸聚合物PAA-ran-PAAPB的合成制备方法;分析比较了各种生物化学膜固定化技术的优缺点,研究了利用层层自组装法将PAA-ran-PAAPBA水溶性硼酸聚合物固定在光纤SPR传感器表面的方法,并利用石英晶体微天平(QCM)对自组装膜进行表征。5、光纤SPR传感器的测试实验以及结果分析搭建了多模在线传输式光纤SPR传感器的葡萄糖测量系统,研究了实验数据处理方法,完成了葡萄糖测量实验;完成了多模侧边打磨式光纤SPR传感器的葡萄糖测量实验,对实验中出现的问题进行了分析并提出了解决方案;搭建了光纤光栅SPR传感器的葡萄糖测量系统,确立了实验数据处理方法,完成了葡萄糖测量实验,并进行了温度测量实验;完成了硼酸聚合物表面修饰的多模在线传输式光纤SPR传感器的葡萄糖浓度测量实验;完成了金纳米颗粒的制备及其固定实验。
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