高灵敏度相位型表面等离子体共振传感器研究

摘要

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感器作为一种精密的光学传感装置，能够实现对分子间相互作用的实时，免标记和高灵敏度的监测。根据SPR传感器的工作原理，可以把SPR传感器分为强度型，角度型，波长型和相位型四种基本类型。在这四种类型的SPR传感器中，相位型SPR传感器的检测灵敏度最高，常常被用于生物小分子及超低浓度样品检测中。科学研究是永无止境的，人们始终追求更高的检测灵敏度和分辨率，因此，提高相位型SPR传感器的分辨率是一直以来的研究热点之一。 本文基于相位型SPR传感器，从传感器结构和传感信号检测手段两方面出发，通过设计全新的传感器结构和引入全新的传感信号检测手段，进一步提高相位型SPR传感器的检测灵敏度。本文的主要内容包括: 1.SPR传感器原理分析及研究历程回顾。在本文的第一章中，从SPR传感器的基本分类出发，分别介绍了四种类型传感器的原理、特点及发展历程。接下来的第二章中，理论上论证了表面等离子体波(Surface Plasmon Wave，SPW)的存在及其相关参数，进而得到了SPR条件及其激发方式等。 2.新型高灵敏度相位型SPR传感器设计。提出了一种新型的相位型SPR传感器设计方案，是基于石墨烯及双金属层的传感结构。在第三章中，构建了恰当的理论模型来模拟新型的传感结构，以传感器的灵敏度为依据，优化了各部分结构参数，并获得了1.71×106deg/RIU的超高灵敏度。 3.SPR微流芯片制备及石墨烯转移技术。微流芯片是SPR传感器中必不可少的一部分。在第四章中，系统的介绍了SPR微流芯片各部分的制作工艺及参数，设计并制作了多种类型的SPR微流通道。不仅如此，还对铜基石墨烯转移技术进行了探索，为今后制备基于石墨烯的传感芯片做好准备。 4.古斯汉森位移传感系统搭建。首先，通过理论分析，SPR效应能够大幅度放大古斯汉森位移。同时，古斯汉森位移和光的相位变化存在紧密联系。用古斯汉森位移取代了相位变化作为SPR传感器的传感信号，大大简化了光路系统组成，并在氯化钠溶液性能测试中实现了8.02×10-7RIU的高检测分辨率。

目录

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致谢

摘要

1绪论

1．1引言

1．2表面等离子体共振传感器简介

1．3 SPR传感器分类及发展历程

1．3．1强度型SPR传感器

1．3．2角度型SPR传感器

1．3．3波长型SPR传感器

1．3．4相位型SPR传感器

1．4本文的主要工作内容及研究意义

2表面等离子体共振传感器的理论基础

2．1表面等离子体

2．2表面等离子体波

2．3表面等离子体共振产生的条件

2．3．1光的全反射

2．3．2发生表面等离子体共振的条件

2．4表面等离子体共振激发方式

2．5本章小结

3基于石墨烯及双金属层的高灵敏度相位型SPR传感器设计

3．1引言

3．2设计原理

3．2．1基于石墨烯及双金属层的相位型SPR传感器基本结构

3．2．2金-银双金属层的选取

3．2．3石墨烯用于增强SPR效应

3．3基于石墨烯及双金属层的SPR传感器模型构建

3．3．1 SPR传感器各层材料及参数确定

3．3．2构建理论模型

3．4 SPR传感器结构参数优化

3．4．1各层结构参数确定

3．4．2优化结构对相位型SPR传感器性能增强效果比较

3．4．3探究优化结构表面电磁场分布

3．4．4基于石墨烯及双金属层结构波长适用性探究

3．5本章小结

4 SPR微流芯片制备及石墨烯转移技术

4．1引言

4．2．1 SPR微流芯片基本结构

4．2．2玻璃基板层制备

4．2．3微流层制备

4．2．4 SPR微流芯片封合

4．3石墨烯转移技术初探

4．4实验药品及仪器列表

4．5本章小结

5基于SPR效应的古斯汉森位移传感系统

5．1引言

5．2 SPR效应放大古斯汉森位移效应

5．3古斯汉森位移测量系统搭建

5．4测量系统自动化

5．5位移传感系统性能测试

5．5．1实验过程

5．5．2实验结果处理及分析

5．6实验药品及仪器列表

5．7本章小结

6总结与展望

参考文献

作者简历