光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器特性研究

发布时间：2020-04-06 19:36

【摘要】：光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)因其具有体积小、单模传输、包层空气孔设计灵活多样等特点,成为近几年光学传感领域的研究热点。表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感技术具有高灵敏度特性,广泛应用于物理、化学、生物等多个领域。本文以光子晶体光纤为载体,设计多种新型的光子晶体光纤表面等离子体共振(PCF-SPR)生物传感器。采用全矢量有限元法(Finite Element Method,FEM)对所设计的生物传感器进行数值仿真,研究各项传感特性,为以后PCF-SPR生物传感器的制作提供重要的理论依据。利用金属银作为SPR激发层,设计一种采用TiO_2薄膜增强传感特性的单通道PCF-SPR生物传感器。该传感器使用TiO_2薄膜以提高传感器的检测精度以及线性相关度,此外TiO_2薄膜可以将银膜与外界环境隔绝,阻止银膜氧化。利用有限元法分析传感器的色散特性以及银膜厚度、TiO_2薄膜厚度、空气孔大小等结构参数对传感器性能的影响,并合理配置传感器各结构参数以提高其灵敏度和检测精度,在此基础上分析待测物折射率与共振波长的关系。为了增强传感器的抗干扰能力,设计一种具有抗干扰功能的双介质通道PCF-SPR生物传感器,其中一个介质通道填充标准浓度的液体(其折射率恒定),作为参考通道;另一个介质通道注入待测液体,作为测量通道。利用有限元法分析结构参数对该传感器性能的影响,并采用差动测量方法,模拟外界干扰,详细讨论该传感器的抗干扰能力。在双通道抗干扰PCF-SPR生物传感器的基础上提出一种四通道的抗干扰PCF-SPR生物传感器,每两个通道组成一个测量单元。该传感器不但具有抗干扰功能,而且可同时测量两种介质。测量时,两个测量单元互不干扰。该传感器其中一个测量单元用于检测低折射率介质,另一测量单元检测高折射率介质,以此来扩大传感器的检测范围并提高传感器的线性相关度。
【图文】：

剖面示意图,表面等离子体共振

纤表面等离子体共振传感器虽然可实现远距离数据传输，且成本低、体积小样具有灵敏度低，易受交叉敏感影响，耦合损耗大等缺点[16,17]。并且，光纤SPR 结构产生表面等离子体共振的条件比较困难，这些缺点限制了光纤 SPR 发展[18]。 PCF-SPR 传感器991 年，Dougherty TJ[19]等人设计了纤芯是空气芯的光子晶体光纤。该光子晶结构包含一个中空的纤芯，包层由严格周期性排列的空气孔组成，这种光子纤依靠改变空气孔微结构的排列规则来从根本上改变波导的光学性质。光纤特性，如有效折射率、限制损耗、模式面积、色散等均可以通过改变光纤的列规则、孔间距、空气孔大小等结构参数来得到有效控制。因此，PCF 已方面表现出优于传统光纤的优势，并出现了许多新的应用[20]。过多年的发展，PCF 的设计多种多样，主要分为两种基本类型：折射率引晶体光纤(TIR-PCF)、光子带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)[21]。

曲线图,检测误差,干扰强度,曲线图

a) 未采用差动测量时的检测误差 b) 采用差动测量时的检测误差图 4-10 检测误差随干扰强度的变化曲线图由于外界扰动使得参考通道与测量通道的共振波长同时发生变化，因此可以采用差动测量方式来降低参考通道的检测误差。无补偿情况下，DCPCF-SPR 生物传感器测量误差如图 4-10a)所示，可以看出，随着待测介质折射率增大，测量误差增大。同一待测介质下，干扰强度越大，测量误差也越大。当待测介质折射率为 1.331，且k2=1.0005， n2=0.0007 时检测误差最小，其值为 0.36%。当待测介质折射率为 1.38，且 k2=1.0015，， n2=0.001 时，测量误差最大为 2.1%。当采用差动测量，使测量通道的共振波长得到补偿后，检测误差如图 4-10b)所示。图中检测误差出现负值是由于当出现干扰时，参考通道共振波长的漂移量大于测量通道共振波长的漂移量。传感器采用差动测量后，检测误差均小于 1.1%。对于折射率小于 1.35 的低折射率待测介质，测量误差小于 0.2%。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.3

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