表面等離子體共振技術與聚合物光纖傳感應用研究.pdf

1、本論文的研究工作是在國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(No．2006CB302905)、國家自然科學基金重點項目(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傳感應用研究以及聚合物光纖傳感應用研究兩方面。 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域具有廣闊的應用前景。但是表面等離子體共振傳感器在實際應用中，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構出發(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；設計了一種金銀雙層復合結構的芯片，并成功應用于商品化儀器系統(tǒng)上；研制了能夠靈活應用，且具有高靈敏

3、度的光纖SPR傳感器。 針對聚合物光纖應用于傳感領域的問題，研究了偶氮摻雜聚合物光纖預制材料的光敏特性，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、應力、應變等環(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，用于指導設計高性能、實用化的SPR傳感器。提出了一種基于聚合物光纖的波長調制型SPR傳感器。 2、設計了一種基于金銀雙層金屬復合結構的SPR芯片，利用轉移矩陣方法，研究了金銀不同厚度比例對SPR傳感器性能的影響，并對芯片的結構進行了優(yōu)化。加工了雙層金屬復合結構芯片，且將其成功應用于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，在理論的指導下構建了光纖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。分析了介質層對SPR共振曲線的調節(jié)作用，并簡單討

6、論了可應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制材料的雙折射弛豫過程和保留度問題，用于指導光敏聚合物光纖光柵纖芯材料的設計和篩選。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、應力和應變的響應特性。 5、建立了基于聚合物光纖的VCSEL自混合測速系統(tǒng)，系統(tǒng)結構簡單且易于調節(jié)。在38-193mm/s范

7、圍內，實現(xiàn)了對流動液體內部速度的測量，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、設計了金銀雙層金屬復合結構芯片，首次將其應用于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、質膜包覆的光纖SPR傳感器，并從理論性上對多層結構的光纖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。利用介質膜對SPR共振波長的調制特性，理論設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，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