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光纤倏逝波生物传感器系统中关键器件理论分析与优化设计

李南雷

   本文针对光纤生物传感器在生化战剂侦检、战场环境监测、生物反恐等军事领域的应用需求,基于课题组已构建的光纤倏逝场生物传感器实验研究平台,对全光纤结构的倏逝场光纤生物传感器系统中的基础理论与基本技术问题展开了更深层次的理论与实验研究。 首先对全光纤结构的倏逝波生物传感器实验室样机进行了全面的实验测试,获得了大量的实验数据,据此对系统的探测灵敏度、探测精度等性能参数进行了详细的分析。分析结果表明,系统对光纤探针标记的荧光染料浓度检测可达0.001μmol/L,满足实际生物物质检测中高精度的要求。在此基础上,本文对实验室样机的整体性能进行了分析和评价,提出了工程化、实用化方面的改进设想和方案。 光纤连接器是传感器系统中连接激发光纤、信号光纤和光纤探针的装置,也是光纤倏逝波生物传感器的关键器件之一,其性能直接影响着整个系统的探测灵敏度和性能稳定性。论文采用几何光学理论建立光纤连接器的分析模型,采用重叠面积积分的方法计算了连接器的信号耦合效率,在此基础上对激发光端面反射产生的本底光噪声进行分析,得到了定量的分析结果。基于现有实验系统设计了验证性实验,实验结果表明,光纤连接器结构的改进能够有效地增强系统的信号耦合效率,进而提高系统探测灵敏度,理论分析结果与实际结果基本吻合,在分析了产生误差的原因之后,给出了连接器的优化设计方法和改进措施。 现有实验系统中采用的光电倍增管探测器具有增益高、噪声低的优点,但其体积较大,限制了整个系统的小型化与便携性。全光纤生物传感器系统中选用体积小、灵敏度高的光电探测器是推进光纤生物传感器工程化、小型化的技术途径之一。基于此,对不同类型的光电探测器应用于光纤生物传感器系统的可行性进行了探索性的分析研究及设计。重点针对雪崩光电二极管和PIN光电探测器,通过理论计算得到了光电探测单元的探测精度、增益、信噪比等各项性能指标,并对光电检测单元在制作和实际应用时可能遇到的问题进行了讨论。在此基础上,通过对光电倍增管、雪崩二极管和PIN二极管探测器的对比分析,讨论了传感器系统在使用不同光电探测器时的探测极限问题,为光纤生物传感器系统光电探测单元的改进和优化提供了理论依据。 最后,针对系统小型化的要求以及考虑到实验系统电路部分性能的稳定性和实验过程中参数调整的灵活性,重新设计了半导体激光器调制电路和数据采集卡的接口电路,优化了电路的参数,在压缩电路板面积的同时完善了电路的功能。……   
[关键词]:生物传感器;光纤;倏逝波;光纤连接器;光电探测器;前置放大电路
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:国防科学技术大学2006年
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