一种光纤SPR传感器的设计及实现

论文摘要

表面等离体激元共振传感器是一种新型的高精度传感器,主要用于生物学检测、药物筛选、环境监测等领域,具有检测过程方便迅速、无需标记、检测前后保持生物分子活性以及检测精度高等优点,配合适当的耦合介质和检测方法可以实现实时监测。表面等离体激元共振传感器根据调制量的不同可以分为角度调制型、波长调制型和相位调制型;根据耦合介质的不同可以分为棱镜型、光纤型和光栅型。根据课题要求,本文主要研究波长调制的光纤表面等离体激元共振传感器及由其构建的检测分析系统。文章首先简要介绍等离体激元共振传感器的相关概念,从理论上分析产生表面等离体共振的条件,引出棱镜型表面等离体激元共振传感器的结构及工作原理,在此基础上介绍光纤表面等离体激元共振传感器的结构及其特点。分析现有光纤表面等离体激元共振传感器的不足,提出改进方案,并根据理论分析确定传感器结构参数,对光纤结构进行加工重塑。采用这种传感器建立检测系统,包括光学匹配系统和相关软硬件测试系统,以及后续的MATLAB数据处理等,通过获取的光谱对环境介质进行检测。光学匹配系统主要实现将光源的杂乱光调整并耦合到光纤中;软件测试系统主要实现控制检测系统中各部件有序规范的工作,并对数据进行初步处理,包括噪声滤除、信息提取、曲线绘制以及数据存储;硬件测试系统主要用于控制各个硬件设备,包括卤钨灯、蠕动泵和光谱仪,以及相关的硬件电路;MATLAB数据处理主要用于对SPR数据的滤波分析等工作。文章对光纤表面等离体激元共振传感器及其检测系统进行了研究,为此种传感器的改进、具体应用以及产品化奠定了一定的基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 光纤SPR 传感器简介
• 1.1.1 光纤SPR 传感器原理
• 1.1.2 光纤SPR 传感器特点
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 光纤SPR 传感器分类
• 1.2.2 光纤SPR 传感器及相关检测设备发展
• 1.3 论文工作目标、内容及意义
• 1.3.1 论文工作目标及内容
• 1.3.2 论文工作意义
• 1.4 本章小结
• 2 表面等离体激元共振原理
• 2.1 表面等离体激元共振（SPR）简介
• 2.2 表面等离体波
• 2.2.1 等离子体
• 2.2.2 表面等离体波
• 2.3 表面等离体激元共振原理
• 2.3.1 倏逝波理论
• 2.3.2 衰减全反射
• 2.3.3 表面等离体激元共振
• 2.4 本章小结
• 3 光纤表面等离体激元共振传感器理论分析模型
• 3.1 棱镜型SPR 传感器理论分析模型
• 3.1.1 棱镜型SPR 传感器简介
• 3.1.2 棱镜型SPR 传感器理论模型
• 3.2 光纤SPR 传感器理论分析模型
• 3.2.1 光纤结构
• 3.2.2 光纤内光传播特点
• 3.2.3 光纤内光传播模型
• 3.2.4 传感器结构设计辅助分析
• 3.2.5 光纤SPR 理论模型
• 3.3 本章小结
• 4 光纤表面等离体激元共振实验平台
• 4.1 硬件模块介绍
• 4.1.1 光源设计
• 4.1.2 光路设计
• 4.1.3 传感器制作
• 4.1.4 其他硬件及相关电路
• 4.2 软件模块介绍
• 4.2.1 光谱仪控制
• 4.2.2 光谱数据处理
• 4.2.3 串口通讯
• 4.3 平台整合
• 4.3.1 硬件部分
• 4.3.2 软件部分
• 4.3.3 软硬件联合试验
• 4.4 本章小结
• 5 实验及数据分析
• 5.1 MATLAB 滤波
• 5.1.1 滤波方法简介
• 5.1.2 MATLAB 滤波实现
• 5.2 实验研究
• 5.2.1 不同浓度NaCl 水溶液实验
• 5.2.2 不同浓度甘油水溶液实验
• 5.2.3 多次水的SPR 实验结果对比
• 5.3 MATLAB 与VC++联合编程
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 不足与展望
• 6.2.1 不足与改进
• 6.2.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录