论文摘要
作为一种新型生物传感技术,表面等离子体共振（Surface plasmon resonance,简称SPR）传感器因其灵敏度高、动态性能好、检测无需标记物、安全可靠、受环境影响小等独特优势,被广泛应用于生物化学、免疫技术、环保、制药等多个领域的开发研究,具有广阔的应用前景。本文在系统分析表面等离子体共振传感原理的基础上,研制了一套Kretschmann型波长调制表面等离子体共振传感器,并对其进行了优化设计。本论文详细介绍了SPR传感技术的历史背景和发展趋势,分析了SPR传感器的传感原理,阐述了表面等离子体共振波（Surface plasma wave,简称SPW）的产生机理,讨论了表面等离子体共振的激发条件,其中重点分析了衰减全反射方法激发表面等离子体共振的基本原理。利用Matlab模拟仿真对SPR传感器进行了优化设计,选择在半柱面棱镜上依次镀2nm的铬膜和50nm的金膜。设计了Kretschmann型波长调制SPR传感器的光路系统。搭建了实验光路,利用该光路系统测量空气折射率,实验结果验证了这套装置检测气体折射率方法的可行性。利用该光路系统测量了不同浓度NaCl溶液的折射率。实验结果表明,随着NaCl溶液折射率的增大,共振波长向长波方向移动,且两者存在较好的线性关系,传感器的灵敏度达到5562.0nm/RIU。提出了利用同频率下p偏振光的反射光强除以s偏振光反射光强来获取共振曲线的方法,实验证明,该方法能有效提高SPR传感器的性能。建立了传感器系统中整形光路和探测光斑直径与会聚角关系的理论模型。分析了探测光束会聚角对SPR传感器共振波长、共振曲线半高全宽和共振峰深度的影响。随着探测光束会聚角的减小,共振波长增大,共振曲线的半高全宽减小,共振峰深度增大,传感器的抗干扰能力增强,系统分辨率提高。通过实验对此进行了验证,考虑会聚角时实验与仿真结果符合的较好,会聚角从0.8?减小到0?时,共振波长从662nm减小到623nm,共振曲线半高全宽从157nm减小到117nm,共振峰深度从70.5%增大到93.3%。提出了一种利用光栅-棱镜复合结构提高SPR传感器分辨率的方法。利用有限元分析方法进行模拟仿真,仿真结果表明,光栅-棱镜复合结构能有效提高SPR传感器分辨率,且光栅周期越小,传感器的分辨率越高,在金膜上刻蚀周期为50nm、深度为20nm的光栅时,传感器的分辨率比传统的Kretschmann结构波长调制SPR传感器增大了43.3%。
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标签：传感器论文; 表面等离子体共振论文; 结构论文; 波长调制论文;