角度调制型表面等离子共振谱仪的设计

摘要

表面等离子体共振技术(Surface Plasmon Resonance，SPR)作为一种新兴的生物传感技术，具有灵敏度高、样品无需标记及可实时监测等特点，被广泛用于生物化学分析、环境监测及折射率测量等领域。
　　本文通过查阅大量文献、书籍，对表面等离子体共振谱仪进行了建模和数值模拟，确定了光源、棱镜材料、金膜和铬膜厚度等系统关键参数，并在此基础上，设计一套基于Kretchmann棱镜结构的角度调制型表面等离子共振传感系统。该系统由硬件部分和软件部分组成。硬件部分主要包括He-Ne激光器，两轴转台及控制器，光电探测器、斩波器和锁相放大器等，并自行设计加工了蓝宝石棱镜，传感芯片，棱镜固定架及流通池系统。同时，本文设计了基于LabVIEW的实验控制软件程序，这样便可利用上位机来控制转台的转动和数据采集，实现待测样品共振角及折射率的测量。
　　系统性能测试部分首先对激光器的稳定性进行测试，功率稳定性为1.504％;其次，利用不同浓度的甘油水溶液对系统进行了标定，得到了折射率与共振角的关系式;然后对去离子水连续重复扫描10次，得到去离子水的10个共振角，计算其标准差来评估系统的测量灵敏度，灵敏度可达1×10-5 RIU;最后，测量了不同浓度葡萄糖溶液浓度的共振角，利用标定所得的关系式计算出其折射率，并与阿贝折射仪的测量结果作比较，再通过拟合得出葡萄糖溶液浓度与折射率及共振角的关系。

目录

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摘要

第一章 引言

1．1 SPR传感技术概述

1．2 SPR谱仪的发展历程及现状

1．2．1 SPR谱仪的发展历程

1．2．2 SPR谱仪的现状

1．3 SPR谱仪的主要应用

1．3．1 SPR谱仪在生物化学分析方面的应用

1．3．2 SPR谱仪在环境监测方面的应用

1．3．3 SPR谱仪在折射率测量方面的应用

1．4 论文研究的目的和主要内容

第二章 SPR谱仪的原理

2．1 等离子体相关理论

2．2 金属／电解质平面波导的相关理论

2．3 金属-电介质界面的表面等离子体现象

2．4 衰减全反射理论

2．5 表面等离子体共振(SPR)现象的产生

2．6 本章小结

第三章 SPR传感器的仿真

3．1 五层Kretchmann结构的菲涅尔公式

3．2 激光器线宽对SPR谱线的影响

3．3 棱镜材料对SPR谱线的影响

3．4 铬膜厚度对SPR谱线的影响

3．5 金膜厚度对SPR谱线的影响

3．6 待测样品折射率对SPR谱线的影响

3．7 本章小结

第四章 角度调制型SPR谱仪系统设计

4．1 系统关键器件选择

4．1．1 激光器

4．1．2 转角系统

4．1．3 光电探测器

4．1．4 斩波器

4．1．5 锁相放大器

4．1．6 棱镜及基片

4．2 进样系统的设计

4．2．1 棱镜固定架

4．2．2 流通池系统

4．3 基于LabVIEW的软件程序的设计

4．3．1 LabVIEW简介

4．3．2 软件设计目标

4．3．3 程序前面板设计

4．3．4 程序框图设计

4．4 本章小结

第五章 系统性能测试及相关实验

5．1 激光器功率稳定性测试

5．2 系统的标定

5．3 系统检测灵敏度测试

5．4 不同浓度葡萄糖溶液的测定

5．5 本章小结

结论

参考文献

致谢