微纳机制光学表面等离子激元生化传感技术的研究
发布时间：2021-07-15 20:58
表面等离子激元是一种由金属表面自由电子的集体振荡而引起的表面电磁波,利用其局域增强效应、光传输被限制在小于波长的空间范围内等特征可以突破传统衍射极限,实现光的近场局域增强和纳米尺寸下的电磁场调谐,成为微纳加工和集成光学领域重要的前沿技术。随着微纳制造技术的不断提高,基于表面等离子激元理论的金属表面光学检测、计量和调控技术迅速向其他领域交叉渗透,被广泛应用于生物化学、纳米光子学和光电子学等诸多领域。表面等离子激元共振传感技术具有灵敏度高、分辨率高、可实时监测、样品无需纯化和标记等优点,适用于抗体选择、疾病防控、药物发明等生化测试和分析领域,近年来随着表面等离子激元及微纳领域理论和技术的发展,正在成为最具发展前景的生化传感技术之一。本论文主要围绕微纳机制表面等离子激元传感技术及其在生化传感领域的应用展开研究。以表面等离子激元理论作为基础,通过对微纳结构表面等离子激元传感模型的理论分析和仿真模拟,设计并制作了多种用于不同生物分子检测的微纳机制表面等离子激元传感元件。为提高微纳结构表面等离子激元传感器件生化测试技术的灵敏度和稳定性等关键技术指标,研究了微纳金属传感层的材质、结构及组装方式对传感...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１棱镜式ＳＰＲ传感技术（３）〇？０结构和（１３）１＜如５（：１１１１１３１１１１结构的衰减全反射示意图??Ｆｉｇ．?１．１?（ａ）?Ｏｔｔｏ?ａｎｄ?（ｂ）?Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ?ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ａｎ?ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ?ｔｏｔａｌ?ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ?ｓｅｔｕｐ??
（１）棱镜式ＳＰＲ传感技术??棱镜式ＳＰＲ检测技术采用传播型棱镜耦合模式，通常使用Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ和Ｏｔｔｏ两??种结构进行光耦合，其结构如图１．１所示。Ｏｔｔｏ模型在棱镜和金属膜之间存在波长数量??级的空气间隙，当表面等离子体波与入射光波相匹配时，表面等离子波在空气与金属界??面传播；这种结构的空气层厚度很难实现准确控制，因此其ＳＰＲ信号的稳定性较差，实??现难度较高。而Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构不需要空气层的存在，表面等离子波可以在金属与介??质界面传播，提高了?ＳＰＲ信号的稳定性，迄今为止仍然是应用最为普遍的棱镜式ＳＰＲ??传感耦合方法。??＃－［｝?＞??ＢＪ￣￣－？－ｉ??Ｉｌｓ?ｄ??ｆ??ＰＳＦ?Ｍａｓｓ＊?ＳＰＲ??Ｉｎ?Ｍ?Ｍ?ＰＭ??＾?ｇｐ，／ＬＢ?ｇｉ?Ｔ：ｐ．．??ＰＭ?Ｇ＊？?ＢＳ?＾??ＭＭ??图１．２角度调制棱镜式ＳＰＲ传感系统Ｍ??Ｆｉｇ．?１．２?Ａｎｇｌｅ?ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅｄ?ｐｒｉｓｍ－ｂａｓｅｄ?ＳＰＲ?ｓｅｎｓｉｎｇ?ｓｙｓｔｅｍ｜３６ｌ??另外，根据检测方法的不同，ＳＰＲ传感技术的解调方式主要有角度调制、波长调制、??强度调制和相位调制。目前，角度调制、波长调制和强度调制的发展较
波长调制ｉ４Ｍ７］ＳＰＲ传感技术采用固定入射角度的宽带光源，通过监测反射光强随入??射波长的变化情况，获取反射光强最小的波长（共振波长）；通过对不同介质折射率下的??共振波长进行检测，实现ＳＰＲ的波长调制传感。如图１．３所示，是基于Ｋｔｅｔｓｃｈｍａｎｎ结??构的波长调制传感系统，该系统结构较角度调制法更为简单，测试的实时性更强、信号??更稳定。因此，波长调制ＳＰＲ系统在实时生化测量中的使用也较为普遍。??此外，强度调制和相位调制的ＳＰＲ传感系统如图１．４所示。强度调制采用固定??入射角度和入射光波长，通过测定共振强度随测量折射率的变化关系，实现ＳＰＲ的共振??传感。这种调制方法简单易行，但系统稳定性和灵敏度较差，抗千扰能力较弱。相位调??制需要首先确定一定折射率下的共振角度，而后根据相位跳跃原理，对共振相位进??行确定。相位调制法的测量灵敏度高，信噪比较低，但由于其测量装置较为复杂、调制??难度较高
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于表面等离子体共振原理的小型化实时在线海上溢油监测系统（英文）[J]. 郑妍,孙玉锋,邢砾云,代广斌,常天英,夏良平,王敏,郎金鹏,崔洪亮. 红外与激光工程. 2015(11)
[2]相位表面等离子体共振传感系统中的相差信号处理技术[J]. 王斌,荆振国,彭伟,刘云. 中国激光. 2015(06)
[3]用于食品安全检测的便携式表面等离子体共振生物传感器[J]. 齐攀,钟金钢,李莹,陈江韩,张冠文. 光电工程. 2014(03)
[4]基于相位测量的角漂移自适应结构表面等离子体共振气体折射率测量系统[J]. 陈强华,罗会甫,王素梅,王锋,陈新华. 光学学报. 2012(12)
[5]烟嘧磺隆分子印迹聚合物表面等离子共振传感器的制备与分析应用[J]. 赵楠,陈长宝,周杰,范加金. 化学学报. 2011(10)
[6]金属纳米颗粒LSPR光纤生物传感DDA方法研究[J]. 陈雯菁,元秀华. 光学与光电技术. 2006(04)
[7]激光诱导沉积银膜制备光纤SERS传感器[J]. 贾少杰,徐抒平,郑先亮,赵冰,徐蔚青. 高等学校化学学报. 2006(03)
[8]A TRANSMITTING BOUNDARY FOR TRANSIENT WAVE ANALYSES[J]. 廖振鹏,黄孔亮,杨柏坡,袁一凡. Science in China,Ser.A. 1984(10)
本文编号：3286454
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１棱镜式ＳＰＲ传感技术（３）〇？０结构和（１３）１＜如５（：１１１１１３１１１１结构的衰减全反射示意图??Ｆｉｇ．?１．１?（ａ）?Ｏｔｔｏ?ａｎｄ?（ｂ）?Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ?ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ａｎ?ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ?ｔｏｔａｌ?ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ?ｓｅｔｕｐ??
（１）棱镜式ＳＰＲ传感技术??棱镜式ＳＰＲ检测技术采用传播型棱镜耦合模式，通常使用Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ和Ｏｔｔｏ两??种结构进行光耦合，其结构如图１．１所示。Ｏｔｔｏ模型在棱镜和金属膜之间存在波长数量??级的空气间隙，当表面等离子体波与入射光波相匹配时，表面等离子波在空气与金属界??面传播；这种结构的空气层厚度很难实现准确控制，因此其ＳＰＲ信号的稳定性较差，实??现难度较高。而Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构不需要空气层的存在，表面等离子波可以在金属与介??质界面传播，提高了?ＳＰＲ信号的稳定性，迄今为止仍然是应用最为普遍的棱镜式ＳＰＲ??传感耦合方法。??＃－［｝?＞??ＢＪ￣￣－？－ｉ??Ｉｌｓ?ｄ??ｆ??ＰＳＦ?Ｍａｓｓ＊?ＳＰＲ??Ｉｎ?Ｍ?Ｍ?ＰＭ??＾?ｇｐ，／ＬＢ?ｇｉ?Ｔ：ｐ．．??ＰＭ?Ｇ＊？?ＢＳ?＾??ＭＭ??图１．２角度调制棱镜式ＳＰＲ传感系统Ｍ??Ｆｉｇ．?１．２?Ａｎｇｌｅ?ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅｄ?ｐｒｉｓｍ－ｂａｓｅｄ?ＳＰＲ?ｓｅｎｓｉｎｇ?ｓｙｓｔｅｍ｜３６ｌ??另外，根据检测方法的不同，ＳＰＲ传感技术的解调方式主要有角度调制、波长调制、??强度调制和相位调制。目前，角度调制、波长调制和强度调制的发展较
波长调制ｉ４Ｍ７］ＳＰＲ传感技术采用固定入射角度的宽带光源，通过监测反射光强随入??射波长的变化情况，获取反射光强最小的波长（共振波长）；通过对不同介质折射率下的??共振波长进行检测，实现ＳＰＲ的波长调制传感。如图１．３所示，是基于Ｋｔｅｔｓｃｈｍａｎｎ结??构的波长调制传感系统，该系统结构较角度调制法更为简单，测试的实时性更强、信号??更稳定。因此，波长调制ＳＰＲ系统在实时生化测量中的使用也较为普遍。??此外，强度调制和相位调制的ＳＰＲ传感系统如图１．４所示。强度调制采用固定??入射角度和入射光波长，通过测定共振强度随测量折射率的变化关系，实现ＳＰＲ的共振??传感。这种调制方法简单易行，但系统稳定性和灵敏度较差，抗千扰能力较弱。相位调??制需要首先确定一定折射率下的共振角度，而后根据相位跳跃原理，对共振相位进??行确定。相位调制法的测量灵敏度高，信噪比较低，但由于其测量装置较为复杂、调制??难度较高
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于表面等离子体共振原理的小型化实时在线海上溢油监测系统（英文）[J]. 郑妍,孙玉锋,邢砾云,代广斌,常天英,夏良平,王敏,郎金鹏,崔洪亮. 红外与激光工程. 2015(11)
[2]相位表面等离子体共振传感系统中的相差信号处理技术[J]. 王斌,荆振国,彭伟,刘云. 中国激光. 2015(06)
[3]用于食品安全检测的便携式表面等离子体共振生物传感器[J]. 齐攀,钟金钢,李莹,陈江韩,张冠文. 光电工程. 2014(03)
[4]基于相位测量的角漂移自适应结构表面等离子体共振气体折射率测量系统[J]. 陈强华,罗会甫,王素梅,王锋,陈新华. 光学学报. 2012(12)
[5]烟嘧磺隆分子印迹聚合物表面等离子共振传感器的制备与分析应用[J]. 赵楠,陈长宝,周杰,范加金. 化学学报. 2011(10)
[6]金属纳米颗粒LSPR光纤生物传感DDA方法研究[J]. 陈雯菁,元秀华. 光学与光电技术. 2006(04)
[7]激光诱导沉积银膜制备光纤SERS传感器[J]. 贾少杰,徐抒平,郑先亮,赵冰,徐蔚青. 高等学校化学学报. 2006(03)
[8]A TRANSMITTING BOUNDARY FOR TRANSIENT WAVE ANALYSES[J]. 廖振鹏,黄孔亮,杨柏坡,袁一凡. Science in China,Ser.A. 1984(10)
本文编号：3286454
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