基于对称金属包覆波导的高灵敏度光生化传感器的研究

摘要

光生化传感器基本的作用是将某种生化参量(如，某种化学物质、生物分子、生化结构或某些微生物的性状变化或浓度变化等)转变为可以定性或定量测量的光信号的变化。这样，通过精确的测量光信号的变化，我们就可以对某一生化反应过程中某些感兴趣的过程或参量进行监测。由于具有高灵敏度、快速响应等特征，光生化传感器广泛应用于现代临床医学的检测、生物化学基础研究、环境监测、现代工业和食品检测等等领域中。 导波光学问世以来，一直受到学术界和技术界的高度重视。在其发展的推动下，光生化传感器已经发展出了多种具有较高灵敏度的传感结构。其中，又以表面等离子共振传感器和泄漏模波导传感器最具有代表性和前沿性。但随着科技的进步和人们生活水平的提高，多种应用场合都对光生化传感器的灵敏度提出了更高的要求。 本文利用导波光学理论，在介绍一般介质平板波导的基础上，着重分析了对称金属包覆波导的特性。对称金属包覆波导结构由上下金属包覆层和夹在中间的导波层组成。其中，上层金属膜比较薄，入射光一般经过这一层耦合进波导层；而其下层金属膜一般较厚，用以隔绝镀膜衬底材料对波导结构的影响；两层金属薄膜之间的介质层作为导波层，以分立的导模形式存在的导波光主要被限制在这层里传输。 由于上下包覆层都是金属薄膜(其介电系数在光频范围内的实部一般是一个绝对值很大的负数)，所以对称金属包覆波导中导波层的折射率取值范围可以很大，最小甚至可以为1.0。另外，对称金属包覆波导的导波层厚度还可以扩展至亚毫米甚至毫米量级，并因此能够容纳模序数上千的高阶导模。正因为上述这两个特征，使得气体和常用的生物化学流体样本等低折射率介质都可以作为该种波导结构的导波层，并可以在其中自由的流动。这样，利用对称金属包覆波导结构来制作光生化传感器就成为了可能。 除了上述特性之外，对称金属包覆波导中的超高阶导模的有效折射率对于导波层介质的折射率变化非常敏感，而且取值范围比一般介质波导大得多，可以介于零和波导层折射率之间。经过分析，发现其超高阶导模能够通过自由空间耦合来激发，并且具有偏振无关性。 根据上述特性，本文提出了对称金属包覆波导结构的光生化传感器。在该传感器中，待测样本被注入夹在两个金属薄膜层之间的样品腔中，两层金属膜和夹在其间的待测样本组成了对称金属包覆波导结构。通过观察该波导结构耦合或传输特性的变化，来探知待测样本折射率的微小变化，并进而得出样本浓度变化的信息。 本文同时对该传感器的灵敏度进行了详细的理论分析。通过对现有的传感器的灵敏度的分析和比较，发现本文提出的传感器灵敏度要远远高于现有的表面等离子共振型传感器和泄漏模波导传感器。在分析的基础上，文中还给出了带来这一灵敏度提升的理论解释：入射光能量集中于待测样本层中，很小的有效折射率以及很窄的高阶导模吸收峰，这三个因素的综合使得对称金属包覆波导传感器的灵敏度较现有技术有了明显的提升。 为了验证该传感器的性能，本文还通过角度调制法和强度调制法，分别设计了不同的实验方案进行实验验证。两种方法下的实验结果都一致证实了其角度调制法的探测灵敏度要优于现有的光生化传感器结构一到两个数量级；其强度调制法的探测灵敏度则更高。另外，本文还对影响该传感器灵敏度和分辨率的几个关键因素进行了分析。 本文通过翔实的理论分析和实验表明，文中提出的基于对称金属包覆波导的光生化传感器具有简单的结构和极高的灵敏度，其在临床医疗、生化基础研究环境和食品检测以及现代工业等诸多领域中具有很高的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章综述

1.1光生化传感器的定义、基本工作原理和应用

1.2现实应用对生化传感器的灵敏度提出了更高的要求

1.3本文的研究内容及创新之处

参考文献

第二章导波光学基本理论和对称金属包覆波导

2.1介质平板波导

2.2金属薄膜

2.3对称金属包覆波导

2.4本章小结

参考文献

第三章传感器发展现状

3.1 TIR(全内反射)传感器

3.2 SPR传感器

3.3泄漏模波导传感器(Leaky waveguide sensor)

3.4本章小结

参考文献

第四章对称金属包覆波导传感器的结构

4.1基于对称金属包覆波导的生化传感器结构

4.2对称金属包覆波导超高阶导模的特性

4.3衰减全反射模拟

4.4本章小结

参考文献

第五章传感器灵敏度的分析与比较

5.1灵敏度的定义

5.2各种传感器结构的灵敏度分析与比较

5.3各种传感器结构中的吸收峰宽度和灵敏度的比较

5.4灵敏度提升的理论解释

5.5本章小结

参考文献

第六章对称金属包覆波导生化传感器的实验验证

6.1角度调制法对称金属包覆波导生化传感器的制备过程

6.2角度调制法测量对称金属包覆波导生化传感器的性能

6.3强度调制法测量对称金属包覆波导生化传感器的性能

6.4实验误差和噪音来源的分析

6.5本章小结

参考文献

第七章全文总结和对未来工作的展望

致 谢

攻读博士学位期间取得的科研成果