摘要
随着5G时代的开启，海量的数据交换对于数据传输和获取设备提出了更高的要求，而光纤所具备的体积小、灵活性强、抗电磁干扰和便携性高等优点，使其成为光学功能器件的首选载体，在传感领域引起了广泛关注。光纤既可以作为传输光信号的介质，又可以作为敏感单元，对外界环境参数的变化进行响应，在桥梁检测、环境保护、食品安全、生物医学等领域得到了广泛的应用。随着光纤传感器的发展，越来越多的特殊光纤被应用于光纤传感器中以提高传感性能。细芯光纤是纤芯直径比单模光纤的纤芯直径更小的特种单模光纤，当细芯光纤和单模光纤熔接在一起时，两者交界面会因芯径不匹配而更容易激发出高阶包层模，增强光信号与外部环境间的相互作用，实现高灵敏度探测。 基于此，本文通过电弧放电和氢火焰加热熔融拉锥的制作方法制备出细芯微纳光纤。首先利用游标效应能够极大地提高传感灵敏度的特点，通过级联细芯微纳光纤制备出基于游标效应的高灵敏度折射率传感器，然后借助二硫化钼（MoS2）具有高电子迁移率，表面体积比大以及疏水相互作用中存在自由硫基团等优点，构建了基于MoS2的细芯微纳光纤生物传感器，并封装于设计制备好的微流控芯片中，实现对弓形虫的免疫检测。主要内容有： （1）细芯微纳光纤传感理论分析 首先制备出细芯微纳光纤传感结构，然后结合光纤模间干涉原理，对细芯微纳光纤的传感原理进行理论分析，最后对于细芯微纳光纤的几何参数对干涉光谱的影响进行了模拟仿真。 （2）基于游标效应的级联细芯微纳光纤折射率传感器研究 首先，对光学游标效应进行了理论研究；接着，对单个以及基于游标效应的级联细芯微纳光纤传感器的折射率特性进行仿真分析；然后实验制备出基于游标效应的级联细芯微纳光纤传感器，对比分析了单个以及级联细芯微纳光纤传感器的折射率特性，实验结果表明，通过游标效应，使用串联细芯微纳光纤传感器获得了-15,053.411 nm/RIU 的高折射率灵敏度，使用并联细芯微纳光纤传感器获得了-16,723.243 nm/RIU的高折射率灵敏度，与单个细芯微纳光纤传感器的折射率灵敏度3238.927 nm/RIU相比，分别提高了4.65倍和5.16倍；最后，在35℃至65℃的温度范围内，使用串联和并联结构分别获得了-0.196 nm/℃和-0.0489 nm/℃的温度灵敏度，相应的温度交叉误差分别为1.302×10-5 RIU/℃和2.92×10-6 RIU/℃。基于高折射率灵敏度、结构简单、低温串扰和制造方便的优点，所提出的传感器在传感领域具有巨大的潜力。 （3）基于MoS2修饰细芯微纳光纤微流控生物传感器研究 首先，实验制备出细芯微纳光纤传感器并封装于自制的微流控芯片中。基于表面修饰技术在细芯微纳光纤传感器表面修饰MoS2，利用“配体配位”功能化将MoS2涂覆在光纤表面；接着，以弓形虫抗原（T. gondii Ag）为识别单元，通过疏水相互作用将T. gondii Ag固定于基于MoS2修饰的传感器表面；然后，利用制备完成的细芯微纳光纤生物传感器对不同浓度的弓形虫单克隆抗体（T. gondii MAb）进行免疫检测。实验结果表明，该生物传感器的检测范围为1 pg/mL~10 ng/mL，检测极限为87 fg/mL，检测灵敏度为3.358 nm/log(mg/mL)，根据生物传感器遵循的Langmuir模型可以计算得到解离常数约为5.79×10-13 M，亲和常数约为1.727×1014 M-1；最后，探究该生物传感器的特异性及临床性，实验结果表明该生物传感器在弓形虫阳性血清临床样本中有明显红移，表明细芯微纳光纤生物传感器具有良好的特异性以及临床性，在生物医学领域有巨大的应用潜力。
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