角度调制型表面等离子体共振谱仪研究

摘要

表面等离子体共振技术(SPR)是生化传感器的重要方向，其具有灵敏度高、无需分离纯化、抗电磁干扰等优点，因此SPR技术在各个领域得到广泛应用。
　　本文研究一种角度调制型表面等离子体共振谱仪;通过理论和实验分析，本文完成系统优化改进工作，激光的功率稳定性对测量结果的精度影响较大，因此系统增加激光功率测量通道来修正测量结果;其次本文分析对比三角型棱镜和半圆柱型棱镜，得出半圆柱型棱镜更适合本系统;最后根据系统结构建立合理的理论模型，通过数值模拟得出最佳铬膜厚度为3nm，最佳金膜厚度为44nm，最终得到待测电介质折射率和共振角的理论关系。本人自行设计PIN前置放大电路模块、半圆柱型蓝宝石棱镜以及LabVIEW软件系统，最后搭建系统完成实验，实验包括激光器稳定性实验、双通道系统稳定性实验、系统标定实验以及重复性测量实验。
　　通过实验，双通道设计将系统功率稳定性提高了一个数量级达0.3％，本文利用不同摩尔浓度葡萄糖水溶液进行系统标定，得出系统折射率和共振角之间的关系，线性拟合系数高达0.99972。然后再利用甘油水溶液进行重复性测量，重复扫描六次，得出六个共振角，利用标定结果得出甘油水溶液折射率，计算其标准差来评估系统的折射率分辨率，系统折射率分辨率达到4×10-6RIU，对比未做优化前系统折射率分辨率提高一个数量级。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 表面等离体共振现象

1．2 SPR技术的发展

1．2．1 SPR技术发展进程

1．2．2 SPR技术发展现状

1．3 SPR传感器分类

1．3．1 棱镜耦合型SPR传感器

1．3．2 光纤型SPR传感器

1．3．3 光栅耦合型SPR传感器

1．3．4 集成光波导型SPR传感器

1．4 SPR技术的优势及应用

1．5 论文结构和主要内容

2 表面等离子体共振谱仪原理

2．1 金属表面等离子共振理论

2．2 电磁波在介质中的传播理论

2．3 倏逝波与衰减全反射

2．4 SPR现象产生条件

2．5 本章小结

3 光路设计及仿真

3．1 光路系统缺陷分析

3．2 双通道光路系统

3．2．1 He-Ne激光器的功率稳定性

3．2．2 双通道光路系统结构

3．2．1 光路系统模块介绍

3．3 棱镜结构分析设计

3．3．1 棱镜结构对比

3．3．2 半圆柱棱镜设计

3．3．3 两种棱镜比较

3．4 数值模拟仿真

3．4．1 多层Kretchmann结构

3．4．2 铬膜三维仿真

3．4．3 金膜三维仿真

3．4．4 待测样品折射率与共振角关系仿真

3．5 本章小结

4 硬件和软件设计

4．1 硬件设计

4．1．1 探测器类型选择

4．1．2 前置放大电路原理

4．1．3 本系统前置放大电路设计分析

4．2 LabVIEW上位机程序设计

4．2．1 LabVIEW程序设计目标

4．2．2 LabVIEW半圆柱转台算法

4．2．3 系统稳定性测试LabVIEW程序设计

4．2．4 SPR实验测量LabVIEW程序设计

4．3 本章小结

5 实验及系统性能测试

5．1 双通道稳定性测量

5．1．1 激光器实际稳定性测量

5．1．2 双通道稳定性测量

5．2 系统实验测量分析

5．2．1 系统标定

5．2．2 系统重复性测量

5．3 系统整体性能分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文情况