表面等離子體共振技術(shù)與聚合物光纖傳感應(yīng)用研究.pdf

1、本論文的研究工作是在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(No．2006CB302905)、國家自然科學(xué)基金重點項目(No．60736037)和面上項目(No．10704070)的資助下完成的。主要研究工作包括：表面等離子體共振技術(shù)傳感應(yīng)用研究以及聚合物光纖傳感應(yīng)用研究兩方面。 表面等離子體共振傳感器具有靈敏度高、免標記、非破壞性和實時檢測等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于研究生物分子間的相互作用及濃度測量。隨著研究的不斷深入，表面等離子體共振技術(shù)將在

2、疾病控制、藥物開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、食品安全以及國土安全等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是表面等離子體共振傳感器在實際應(yīng)用中，仍然存在一些急需解決的問題，如價格昂貴，在檢測低濃度小分子和大尺寸細胞方面受到限制、應(yīng)用方式單一、無法進行野外實時遠距離監(jiān)測等。 本論文中從傳感器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究傳感器的各個組成部分對總體性能的影響并且進行了參數(shù)的優(yōu)化；設(shè)計了一種金銀雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的芯片，并成功應(yīng)用于商品化儀器系統(tǒng)上；研制了能夠靈活應(yīng)用，且具有高靈敏

3、度的光纖SPR傳感器。 針對聚合物光纖應(yīng)用于傳感領(lǐng)域的問題，研究了偶氮摻雜聚合物光纖預(yù)制材料的光敏特性，并用雙頻光柵法在單模聚合物光纖上刻寫了雙折射長周期光纖光柵，討論了將其應(yīng)用于光纖SPR傳感器中的可能性。從理論上分析了聚合物光纖光柵在溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等環(huán)境下的傳感性能。建立了基于聚合物光纖的VCSEL自混合測速系統(tǒng)，分析了引入聚合物光纖后，對自混合信號產(chǎn)生的影響。 本論文獲得的成果主要有： 1、研究Krets

4、chmann耦合模型中，系統(tǒng)的各個組成部分對SPR傳感器性能的影響，用于指導(dǎo)設(shè)計高性能、實用化的SPR傳感器。提出了一種基于聚合物光纖的波長調(diào)制型SPR傳感器。 2、設(shè)計了一種基于金銀雙層金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)的SPR芯片，利用轉(zhuǎn)移矩陣方法，研究了金銀不同厚度比例對SPR傳感器性能的影響，并對芯片的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。加工了雙層金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)芯片，且將其成功應(yīng)用于BIAcore3000儀器上研究磺胺甲惡唑和其抗體的相互作用。從波導(dǎo)理論出發(fā)，對長

5、程表面等離子體的色散，損耗和場分布特征進行討論，對設(shè)計新型的SPR傳感芯片及其他光電子器件具有參考意義。 3、從理論上詳細討論了影響光纖SPR傳感器的因素，在理論的指導(dǎo)下構(gòu)建了光纖SPR傳感系統(tǒng)并進行了實驗研究。在折射率為n=1.3945時，光纖SPR傳感器的靈敏度指標為4778nm/RIU。從SPs場增強的角度，對待測樣品折射率和介質(zhì)保護膜影響SPR傳感器靈敏度的原因進行了解釋。分析了介質(zhì)層對SPR共振曲線的調(diào)節(jié)作用，并簡單討

6、論了可應(yīng)用于液體和氣體同時測量的雙通道SPR傳感器。 4、分析了偶氮摻雜聚合物光纖預(yù)制材料的雙折射弛豫過程和保留度問題，用于指導(dǎo)光敏聚合物光纖光柵纖芯材料的設(shè)計和篩選。用雙頻光柵法在單模聚合物光纖中刻寫出雙折射長周期光纖光柵，討論將其用于光纖SPR傳感器的可能性。從理論上分析了聚合物光纖光柵對溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的響應(yīng)特性。 5、建立了基于聚合物光纖的VCSEL自混合測速系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且易于調(diào)節(jié)。在38-193mm/s范

7、圍內(nèi)，實現(xiàn)了對流動液體內(nèi)部速度的測量，測量誤差小于1％。分析了聚合物光纖作為傳光介質(zhì)對VCSEL自混合測速信號的影響，首次觀測到自混合信號的波形畸變和頻譜展寬現(xiàn)象。 本文創(chuàng)新點和特色： 1、設(shè)計了金銀雙層金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)芯片，首次將其應(yīng)用于BIAcore3000儀器上用于研究生物分子間的相互作用。與傳統(tǒng)的單層金膜芯片相比，這種新型的傳感芯片能夠獲得更窄的共振峰和更高的靈敏度，同時仍具有金膜芯片的穩(wěn)定性。 2、研制了介

8、質(zhì)膜包覆的光纖SPR傳感器，并從理論性上對多層結(jié)構(gòu)的光纖SPR傳感器性能優(yōu)化進行分析。在折射率為n=1.3945時，獲得光纖SPR傳感器的靈敏度為4778nm/RIU。利用介質(zhì)膜對SPR共振波長的調(diào)制特性，理論設(shè)計了用于液體和氣體同時探測的雙通道SPR傳感器。 3、首次報道了偶氮共聚型摻雜聚合物光纖的雙折射效應(yīng)，在低摻雜濃度下獲得了72％的雙折射保留度。并詳細分析了濃度、間隔基和泵浦光功率等因素對該共聚材料雙折射特性的影響。用雙