倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器

论文摘要

表面等离子体共振（SPR）传感器是一种基于金属与电介质界面表面等离子波的传播常数对外界环境折射率敏感原理的光学传感器。基于体型光学器件（如棱镜）的SPR传感器早已商品化,目前此类传感器研究的热点在于利用光波导尤其是光纤器件实现传感器的小型化及微型化。本文在回顾总结光纤耦合型SPR传感器的研究历史与现状之后提出了一种新型的基于倾斜光纤光栅（TFBG）的传感器结构设计,随后利用制作的TFBG-SPR传感器进行一系列生物传感实验研究,验证了其作为生物传感器的可能性。倾斜光纤光栅与普通光纤布拉格光栅（FBG）同属短周期光纤光栅,两者的不同之处在于倾斜光纤光栅的栅平面与光纤横截面并不平行,而是成一夹角。这一结构特点使得TFBG能够将纤芯模式耦合进入包层传播,在布拉格谐振峰的下游形成一系列离散的反向传播的包层模式。这些包层模式可以作为表面等离子波的激励光,因此TFBG非常适合作为SPR传感器的光耦合器件。使用真空溅射的方法在TFBG的包层表面镀一层厚度在纳米级的SPR活性金属膜就制成了表面等离子体共振传感器。TFBG的包层模式中满足一定条件的光子能够在金属镀膜的外表面激起表面等离子体共振,这一共振对金属膜外表面的电介质折射率十分敏感——这就是TFBG-SPR传感器的传感原理。与其它之前报道的基于光纤器件的SPR传感器相比,基于TFBG的SPR传感器无需对光栅进行结构上的修饰因而不会损害传感器的结构强度,同时大大降低了传感器制作的难度。在对上述TFBG-SPR传感器的金属薄膜加装生物敏感膜后就可以制成基于倾斜光纤光栅的表面等离子体共振生物传感器。本文详细阐述了在金属薄膜表面加装生物敏感膜的步骤,之后用制成的TFBG-SPR生物传感器分别进行了抗原一抗体免疫反应实验和DNA分子杂交实验,实验证明该传感器可以对生物分子间的特异性结合进行检测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 SPR传感技术简介
• 1.2 SPR生物传感技术及其发展趋势
• 1.3 论文结构和内容
• 第2章 表面等离子体共振物理学
• 2.1 表面等离子体共振简介
• 2.1.1 等离子体与等离子体振荡
• 2.1.2 表面等离子波与表面等离子体共振
• 2.2 表面等离子体共振的理论基础
• 2.2.1 表面等离子波的电磁理论
• 2.2.2 表面等离子波的特性
• 2.2.3 表面等离子波的激发
• 2.2.4 表面等离子体共振
• 2.2.5 三层结构总反射率的计算
• 2.3 小结
• 第3章 表面等离子体共振传感技术
• 3.1 表面等离子体共振传感器及其分类
• 3.1.1 按耦合方式分类
• 3.1.2 按调制方式分类
• 3.2 光纤耦合型表面等离子体共振传感器
• 3.2.1 多模光纤耦合型SPR传感器
• 3.2.2 单模光纤耦合型SPR传感器
• 3.2.3 光纤光棚耦合型SPR传感器
• 3.2.4 其它耦合形式的光纤SPR传感器
• 3.3 表面等离子体共振生物传感器
• 3.3.1 分子识别元件
• 3.3.2 分子识别元件的固定
• 3.4 小结
• 第4章 TFBG-SPR传感器设计
• 4.1 TFBG简介
• 4.1.1 TFBG的结构
• 4.1.2 TFBG的光谱
• 4.1.3 TFBG的传感特性
• 4.2 TFBG-SPR传感器的设计
• 4.2.1 TFBG-SPR传感器的结构设计
• 4.2.2 TFBG-SPR传感器材料及结构参数的选择
• 4.3 TFBG-SPR传感器的制作
• 4.3.1 TFBG的写制
• 4.3.2 金属镀膜
• 4.4 小结
• 第5章 TFBG-SPR传感器实验研究
• 5.1 溶液折射率测量实验
• 5.1.1 蔗糖溶液配制
• 5.1.2 裸TFBG折射率实验结果
• 5.1.3 TFBG-SPR折射率实验结果
• 5.2 抗原—抗体免疫反应实验
• 5.2.1.抗原的固定
• 5.2.2 抗体—抗原反应的检测
• 5.3 DNA分子杂交实验
• 5.3.1 DNA探针的固定
• 5.3.2 DNA杂交实验
• 5.4 小结
• 第6章 总结与展望
• 致谢
• 攻读硕士期间的工作和成果
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 攻读硕士期间申请的专利
• 攻读硕士期间参加的科研项目
• 参考文献
• 学位论文评阅及答辩情况表