基于光纤表面等离子体共振传感技术的电压检测研究

Traditional neuroscience methodology in recording neural activity is ranging from microelectrode arrays to voltage-sensitive fluorescence dyes. However, fail to realization of chronic recording is their common drawback. Widely used but expensive functional magnetic resonance imaging (fMRI) and diffuse optical tomography cannot adequately detect fast neural activity from individual neurons. Because of these limitations of conventional methods, it is necessary to develop a method providing higher spatial resolution, lower temporal latency and lower cost. This project is to explore the potential application of surface plasmon resonance (SPR) fiber optic sensor in vivo recording of neural activity. The mechanism of optical response of SPR fiber optic sensor to voltage will be investigated systematically. In order to detect the extremely low and fast neural action potential, the development of high voltage sensitive SPR fiber optic probe and its associated measurement system will be carried out. The result of this project could promote the SPR fiber optic sensing technology in the application of electrochemistry and neuroscience field. A novel and reliable fiber optic probe will be utilized for neural recording in vivo.

目前，活体神经细胞的监测多采用微电极和电压敏感荧光染料。它们的一个共同不足之处就是不能实现神经细胞活动的长期记录。而核磁共振成像技术和扩散光层析成像技术难以实现单个神经细胞膜电位的快速检测。因此，有必要研究能同时满足具有高灵敏度、长期记录和低成本要求的单个神经细胞快速检测方法。本项目拟采用光纤表面等离子体共振技术（SPR）监测神经细胞电压，通过系统地研究光纤SPR传感探针与电压反应的机理和响应规律，针对神经细胞电压幅度低、变化频率快的特点，设计并制作具有高灵敏度的光纤SPR电压探针，完成检测实验系统的构建，掌握光纤SPR探针的电压响应规律，实现运用该种探针对活体神经细胞电位的原位检测。本项目的开展可推动光纤SPR探针技术在电化学领域的应用，为神经科学领域的研究提供一种新颖的可靠监测方法。

光纤表面等离子体共振传感器同时具有表面等离子体共振特性以及光纤的优点。将该传感器运用于监测电化学反应，可获取比运用单一技术而得到更广的信息量，有利于揭示电化学反应的更多内涵。.本项目从理论和实验2个方面着手研究了光纤表面等离子体探针传感系统在环境及电化学检测方面的应用。在理论研究方面，通过建立终端反射型光纤探针传感模型，研究金膜厚度、纤芯直径、传感区域长度、光纤数值孔径等参数对光纤探针响应环境介质变化的影响规律。通过研究发现，50-70 nm的金膜厚度是制作传感器比较理想的参数。当电压施加在光纤上后，将在光纤金膜表面形成一层双电层囤积电荷。电压的存在将改变依耐于电子密度的金的介电常数，进而改变金的表面等离子体共振频率及光纤表面等离子体共振波长。在数值孔径一定情况下时，通过缩短光纤传感区域的长度，增大光纤的纤芯直径，对传感区域进行锥形加工，可以显著提高传感器的折射率灵敏度以及电压灵敏度。.在实验方面，搭建了运用卤素灯，单色LED，光谱仪以及光电二极管为光源及检测器件的实验系统。运用小波变化提取光谱中的信号，去除数据中的噪声。利用光纤探针传感器进行流动中氯化钠和乙醇溶液的动态特性监测。通过拟合因流动液体引起的共振峰变化轨迹，实现了对液体种类及浓度的区分。为进一步降低仪器制造成本，提出了单波长检测方案用于监测多个独立波长下流动液体引起的光强变化，提取出依赖于溶液流动速率与光谱位置的光强变化趋势和规律。.在运用光纤SPR探针感知电压方面，将光纤SPR探针至于氯化钠溶液中，作为三电极系统中的工作电极。观察在600 nm 处，光纤SPR探针反射光强受在200 mV和-200 mV之间电压扰动引起的变化，分析由于电荷转移引起的光强变化的幅度与速率的联系。研究结果显示，光谱的移动取决于电压变化的幅度，电解质中离子的强度极其特性。具有特殊吸附功能的氯离子是引起光强较慢反应的起源。.本项目全面阐述了基于波长调制的光纤SPR传感器原理和应用。通过仿真计算，分析了在电压存在的情况下，光纤探头的多个参数对表面等离子体共振光强反射率和共振峰变化的影响。在理论分析的基础上，构建了基于检测实验系统，用于±200 mV之内电压扰动的感知实验。通过监测光纤SPR探针光谱的迁移，可定量地判断溶液种类，电压变化的幅度和速率。该项目所取得的结果，对建立新的环保及电化学反应监测的分析方法具有积极意义。