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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(No．2006CB302905)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No．60736037)和面上項(xiàng)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?jī)煞矫妗?表面等離子體共振傳感器具有靈敏度高、免標(biāo)記、非破壞性和實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于研究生物分子間的相互作用及濃度測(cè)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(cè)、食品安全以及國(guó)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(shí)際應(yīng)用中，仍然存在一些急需解決的問題，如價(jià)格昂貴，在檢測(cè)低濃度小分子和大尺寸細(xì)胞方面受到限制、應(yīng)用方式單一、無法進(jìn)行野外實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)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(gè)組成部分對(duì)總體性能的影響并且進(jìn)行了參數(shù)的優(yōu)化；設(shè)計(jì)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(duì)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(zhǎng)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(cè)速系統(tǒng)，分析了引入聚合物光纖后，對(duì)自混合信號(hào)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(gè)組成部分對(duì)SPR傳感器性能的影響，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)高性能、實(shí)用化的SPR傳感器。提出了一種基于聚合物光纖的波長(zhǎng)調(diào)制型SPR傳感器。 2、設(shè)計(jì)了一種基于金銀雙層金屬?gòu)?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(duì)SPR傳感器性能的影響，并對(duì)芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。加工了雙層金屬?gòu)?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(duì)長(zhǎng)

5、程表面等離子體的色散，損耗和場(chǎng)分布特征進(jìn)行討論，對(duì)設(shè)計(jì)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(xì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在折射率為n=1.3945時(shí)，光纖SPR傳感器的靈敏度指標(biāo)為4778nm/RIU。從SPs場(chǎng)增強(qiáng)的角度，對(duì)待測(cè)樣品折射率和介質(zhì)保護(hù)膜影響SPR傳感器靈敏度的原因進(jìn)行了解釋。分析了介質(zhì)層對(duì)SPR共振曲線的調(diào)節(jié)作用，并簡(jiǎn)單討

6、論了可應(yīng)用于液體和氣體同時(shí)測(cè)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(jì)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(zhǎng)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(duì)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(cè)速系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于調(diào)節(jié)。在38-193mm/s范

7、圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流動(dòng)液體內(nèi)部速度的測(cè)量，測(cè)量誤差小于1％。分析了聚合物光纖作為傳光介質(zhì)對(duì)VCSEL自混合測(cè)速信號(hào)的影響，首次觀測(cè)到自混合信號(hào)的波形畸變和頻譜展寬現(xiàn)象。 本文創(chuàng)新點(diǎn)和特色： 1、設(shè)計(jì)了金銀雙層金屬?gòu)?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(shí)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(duì)多層結(jié)構(gòu)的光纖SPR傳感器性能優(yōu)化進(jìn)行分析。在折射率為n=1.3945時(shí)，獲得光纖SPR傳感器的靈敏度為4778nm/RIU。利用介質(zhì)膜對(duì)SPR共振波長(zhǎng)的調(diào)制特性，理論設(shè)計(jì)了用于液體和氣體同時(shí)探測(cè)的雙通道SPR傳感器。 3、首次報(bào)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(xì)分析了濃度、間隔基和泵浦光功率等因素對(duì)該共聚材料雙折射特性的影響。用雙