水体痕量污染物表面等离子体检测技术研究与实验

论文摘要

水体痕量污染物质表面等离子体检测技术是一个多学科高度交叉的研究领域,它涉及光学表面等离子体谐振技术、微弱信号检测技术、光学系统设计、金属膜层生长、小信号处理与分析等诸多方面。便携式现场表面等离子体污染检测设备是一种新颖的光学传感系统,解决了传统表面等离子体传感器体积庞大、使用环境苛刻等问题,使得表面等离子体传感设备不再仅仅是实验室内的分析检测手段,而成为一种实用的现场在线检测设备。 论文理论创新主要包括:提出并研究了一种Ag-Au双金属层传感结构,分析计算表明,通过优化设计的新结构有效地提高了检测灵敏度和线性度指标,同时也解决了金属膜层与玻璃基底附着性差的不足,大大提高了传感器的稳定性和寿命;研究了表面等离子体增强型Mach-Zehnder（MZ）干涉传感器,在传统MZ干涉结构的基础上利用表面等离子体实现增强辅助,大大提高了检测灵敏度;研究了负折射材料表面波的机理和传感特性,通过优化设计给出了具体的传感器结构,得到了高信噪比的检测结果;设计了完整的小型化表面等离子体痕量水体污染物传感检测系统,完成了光学系统及相关软硬件的设计,其理论测量精度达到10-6（RIU）量级。 论文完成实验成果主要有:完成了表面等离子体痕量水体污染物传感检测系统的搭建,包括光学系统设计与搭建、控制电路制作以及相关软件的编写;利用搭建的实验装置进行了实际物质浓度的检测实验并对实验测量数据进行了处理与分析;最终的系统测量范围达到1.18-1.35（RIU）;针对数据特点研究了不同数据分析方法的优劣对比;研究了光学表面大面积粘合工艺,以及双金属层薄膜的生长参数和工艺流程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 水质监测的意义与现状
• 1.1.1 中国水环境的现状
• 1.1.2 水质监测的意义
• 1.1.3 水环境监测的现状
• 1.1.4 水环境监测的发展趋势
• 1.2 表面等离子体传感技术的发展
• 1.2.1 SPP传感器简介
• 1.2.2 SPP传感器在环境检测中的应用
• 1.2.3 结语
• 1.3 论文研究的内容和目标
• 1.3.1 论文研究的内容
• 1.3.2 工作的创新点
• 参考文献
• 第二章 表面等离子体谐振传感原理及数值分析
• 2.1 浓度与折射率的关系
• 2.2 表面等离子体
• 2.2.1 简介
• 2.2.2 表面等离子体的存在
• 2.2.3 表面等离子体激发的衰减全反射（ATR）理论
• 参考文献
• 第三章 光学表面等离子体传感技术改进
• 3.1 双金属层表面等离子体传感技术
• 3.1.1 理论基础与分析
• 3.1.2 结构设计与优化
• 3.1.3 基因优化算法及优化结果
• 3.2 MACH-ZEHNDER干涉型表面等离子体传感检测技术
• 3.2.1 器件的原理与结构
• 3.2.2 金属膜层对场分布的影响
• 3.2.3 器件的数值分析与优化设计
• 3.2.4 制作工艺
• 3.3 负折射材料表面波传感技术
• 3.3.1 表面波的存在条件
• 3.3.2 表面波的激发
• 3.3.3 利用表面波实现传感
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 系统研制及实验研究
• 4.1 系统方案的确定
• 4.2 SPP传感芯片的制备
• 4.2.1 敏感膜的选择
• 4.2.2 金膜的制备
• 4.2.3 薄膜特性
• 4.3 传感器系统的具体设计与制作
• 4.3.1 传感系统设计
• 4.3.2 硬件系统设计
• 4.3.3 软件系统设计
• 4.3.4 数据处理方法
• 4.3.5 系统搭建
• 4.4 实验结果及数据分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.1.1 已完成的主要研究工作
• 5.1.2 进一步的研究工作
• 5.2 前景展望
• 附录
• 发表（含录用）的论文及发明专利
• 致谢