基于纳米结构化修饰的光纤SPR微传感器

摘要

人体血糖连续监测对糖尿病的诊断、治疗有重要意义。目前，市场上商用的血糖连续监测仪器普遍基于植入式酶电极传感器。然而植入式酶电极传感器有两个缺陷：酶电极传感器的电信号易受到人体生物电的影响；酶与葡萄糖反应会消耗部分葡萄糖，这会使得低血糖检测不准确。表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)传感器可以克服这两个缺陷，但是传统 SPR传感器体积大无法植入，能够使传感器小型化的光纤 SPR微传感器又面临灵敏度不高的问题，因此需要对光纤 SPR微传感器进行表面修饰，而光纤的微米级圆周表面又给表面修饰带来了挑战。本文设计了纳米结构化修饰的 SPR光纤传感器，提出以超声处理传感器金膜表面，使其形成纳米结构，激发局域表面等离子体共振(Local Surface Plasmon Resonance, LSPR)效应，提高灵敏度；使用化学方法和液相转移方法分别将石墨烯氧化物和CVD石墨烯修饰于传感器表面以增强信号和提升灵敏度。本文所提出的修饰方法成功解决了光纤 SPR传感器微米级圆周表面的修饰难题。本论文工作主要包括以下几个方面： (1)光纤SPR微传感器原理与灵敏度增强机制。阐述了SPR和LSPR的基本原理和二者之间的区别，阐述了超声粗糙化传感器表面以激发LSPR效应的机制，二维材料吸附葡萄糖分子和提升金属表面电子迁移率的机制。 (2)光纤SPR微传感器设计与加工。提出传感器的结构设计，根据相关计算模型，利用MATLAB对传感器的关键参数进行了仿真优化，确定了传感器的主要结构参数。详细描述了光纤上的镀膜工艺并和传感器封装过程。 (3)光纤SPR微传感器的纳米结构化的修饰方法。利用超声空化效应对已完成镀膜的光纤传感器表面进行处理，在其表面构建纳米结构以激发LSPR，提升灵敏度；采用层层自组装方法和液相转移方法在传感器上分别修饰石墨烯氧化物和石墨烯，增强对葡萄糖分子的吸附，提升金表面的电子迁移率，提升灵敏度。 (4)传感器的性能测试与评价。搭建了传感器测试系统，开展了超声处理时间、石墨烯氧化物层数、石墨烯层数优化等实验。将优化之后的两种结构的传感器与空白对照传感器进行性能对比。实验结果表明，经过超声处理和石墨烯氧化物修饰的传感器灵敏度可达到2706nm/RIU(折射率单位)，线性度为0.86，是对照组灵敏度873nm/RIU的3倍，低于对照组的线性度0.92。经过超声处理和CVD石墨烯修饰的传感器灵敏度可达到3113nm/RIU，线性度为0.98，是对照组的3.6倍，线性度高于对照组。

目录

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第1章 绪论

1.1 连续血糖检测的意义及研究现状

1.2 表面等离子体共振的研究现状

1.3 金属纳米结构化修饰的SPR传感器研究现状

1.4 二维材料修饰的SPR传感器研究现状

1.5 光纤SPR微传感器表面修饰的问题及解决方案

1.6 本文将完成的主要工作

第2章 纳米结构化修饰的光纤SPR微传感器理论

2.1 表面等离子体共振原理

2.2 局域表面等离子体共振原理

2.3 超声处理传感器表面机制

2.4 二维材料提升传感器灵敏度机制

2.5 本章小结

第3章 光纤SPR微传感器的结构设计与加工

3.1 光纤SPR微传感器的总体结构设计

3.2 光纤SPR微传感器的仿真计算模型

3.3 传感长度对SPR共振峰的影响

3.4 铬层厚度对SPR共振峰的影响

3.5 金层厚度对SPR共振峰的影响

3.6 铬/金的热蒸发镀膜工艺

3.7 光纤SPR微传感器的封装

3.8 本章小结

第4章 光纤SPR微传感器纳米结构化的修饰方法

4.1 超声处理系统的搭建与超声处理过程

4.2 石墨烯氧化物的化学修饰方法

4.3 石墨烯的液相转移方法

4.4 本章小结

第5章 纳米结构化修饰的光纤SPR微传感器性能测试

5.1 SPR微传感器的测试系统及过程

5.2 数据处理方法

5.3 超声处理时间对传感器灵敏度的影响

5.4 石墨烯氧化物层数对传感器灵敏度的影响

5.5 石墨烯层数对传感器灵敏度的影响

5.6 超声处理时间和二维材料层数的优化实验

5.7 传感器性能评价

5.8 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研说明

致谢