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基于微结构光纤光流控的拉曼传感器件研究
摘要
光纤技术与表面增强拉曼(Surface-enhancedRamanScattering,SERS)技术的联合，显
著拓宽了SERS检测技术的应用领域。早期对于光纤的应用中，光纤仅仅作为一种导光
介质，将光延伸至SERS溶液与样品溶液混合的样品池中，并收集拉曼信号进行传输；
此方法可以在体内和体外检测样品，展示光纤探针的灵活性，但此种检测手段限制了其
对极低浓度样品的检测。随后在研究中，提出在光纤尖端沉积SERS基底后放入样品池
中进行检测，虽解决检测限问题但对样品需求量仍然较大。为实现对样品的痕量检测，
引入空心光子晶体光纤，内部涂有纳米粒子，利用毛细效应实现在光纤内部对样品的痕
量检测，但是，无法在光子晶体光纤表面进行开孔构建真正意义上的微流控检测平台。
基于以上问题，本文提出一种微结构悬挂芯光纤，利用光纤内部的特殊结构，从真正意
义上构建了对检测样品可微流控、痕量、快速、灵敏且高效的拉曼在线式检测平台。通
过对SERS基底的改进，探索此基于微结构光纤光流控拉曼传感器在医学临床生物样品
检测中的应用。本论文具体研究内容如下：
1、银纳米粒子与微结构悬挂芯光纤结合，构建微流控在线式拉曼传感检测器件。选
择罗丹明R6G作为信标检测样品，检测结果显示此基于光纤微流控拉曼传感器的增强
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因子达到1.310，说明此器件具有高灵敏检测的能力。在医学用药中大量使用的同一
种类喹诺酮类抗生素（环丙沙星和诺氟沙星）检测中，表现出可区分、高灵敏、快速、
痕量的在线拉曼检测。
2、为了改良银纳米粒子团聚的问题，引入二维材料-氧化石墨烯，制备出基于银纳
米粒子与氧化石墨烯结合的复合型SERS基底，并将其生长在微结构悬挂芯光纤内部的
纤芯表面上，获得具有更高拉曼增强效果的光纤探针器件。在对于较难检测的尿毒症毒
素（肌酐、尿素）中实现了痕量、高效且快速的在线检测，对尿素溶液浓度范围在（10-
2-4
-10mol/L）中展现良好的线性关系，在检测由尿素含量异常引起的肾脏等疾病具有一
定应用价值，此微流控拉曼光纤探针器件在发展生物医学诊断检测领域奠定了基础。
3、为了营造此光纤拉曼传感探针在特定生物环境检测中，具有对特定生物样品有
特异性结合检测的能力，研究以银纳米粒子与氧化石墨烯结合的复合型SERS基底的特
性。发现此复合型SERS基底具有静电力，可以在血液环境中剥离血红蛋白对于胆红素
分子的束缚，捕捉胆红素分子；此外，复合型SERS基底中的聚二烯丙基二甲基氯化铵
(Polydimethyldiallylammoniumchloride,PDDA)和腺嘌呤分子之间形成的氢键，对腺嘌
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哈尔滨工程大学博士学位论文
呤水溶液的检测限可以达到10-14mol/L。值得注意的是，此内集成复合型SERS基底光
纤探针可以在DNA粗提纯溶液中，排除其他碱基序列的干扰成功的捕捉到腺嘌呤分子，
实现快速、高效的在线检测分析。
4、葡萄糖分子与金属粒子之间低亲和力，导致原始的SERS基底对于葡萄糖检测
能力低，在复合型SERS基底中引入4-巯基苯硼酸，可以和葡萄糖分子之间形成酯键，
突破了葡萄糖与裸金属粒子之间低亲和力的瓶颈，对葡萄糖水溶液浓度范围在（2-10
mmol/L）中展现出良好的线性关系。此外，在(SpragueDawley,SD)大鼠脑脊液环境中，
实现了对血糖的痕量且高效的拉曼检测。此种基于SERS内集成光纤探针拉曼传感器在
诊断由脑脊液中葡萄糖含量异常引起的脑部相关疾病提供了一种简单、快速的检测方法，
根据传感器结构，其有望实现一种在体式生物体指标检测探针。
关键词：微结构光纤；表面增强拉曼；微流控；生物体快速检测
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基于微结构光纤光流控的拉曼传感器件研究
ABSTRACT
Thecombinationoffiberoptictechno