基于微纳结构增强的SPR成像传感技术研究

发布时间：2017-03-25 12:08

  本文关键词：基于微纳结构增强的SPR成像传感技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)传感技术具有无标记、灵敏度高和易于实现高通量等优势,在生物医学、药物筛选、环境监测和食品安全等领域得到了广泛应用。近年来,随着对SPR高通量检测需求的增加,SPR成像(SPRi)传感技术得到了快速的发展。但常规SPRi传感器的图像对比度较差,灵敏度普遍低于通道型SPR传感器,无法满足高通量高灵敏的检测要求。本论文将围绕“提高SPRi传感器的性能”这一目标,设计高性能SPRi传感器,并构建SPRi传感实验平台,在此基础上,通过研究微纳结构的电磁场特性,利用电磁场增强来提高SPRi传感器的灵敏度。本论文的主要内容和成果包括：1. 分析了偏振对比度方法中影响SPR传感灵敏度和动态范围的参数并进行优化,设计了偏振对比度型SPRi传感器。构建了SPRi传感实验平台,对SPRi传感器进行性能测试,得到折射率分辨率为5.4×10-6 RIU,动态范围1.3316-1.3553 RIU。性能指标优于常规光强调制型SPRi传感器。2.利用FDTD仿真软件研究了Au NPs和金膜的LSPR-SPR耦合用于提高SPR传感的灵敏度的影响因素,研究了红外区Au和Ge的周期纳米结构的电磁场特性,并对共振峰产生的机理进行了解释,为后续利用微纳结构的电磁场增强提高SPRi传感器性能的研究打下了基础。3.研究了微井结构金膜内由表面等离子体波(Surface Plasmon Wave, SPW)干涉引起的电磁场增强,获得了最优化的结构参数,对制备的微井结构金膜进行SPR传感性能的测试,灵敏度比平面金膜提高了157%,折射率分辨率为1.7×10-6RIU,比平面金膜提高了约4倍。通过BSA生物实验验证了微井结构金膜对SPR传感信号的增强效果。4.研究了周期纳米光栅中LSPR-SPR耦合引起的电磁场增强,获得了最优化的结构参数,在微井结构金膜内制备了周期纳米光栅形成微纳结构金膜,对其进行SPR传感性能的测试,在小折射率变化范围内(1.3315-1.3394 RIU),在普通微井结构金膜的基础上,将灵敏度又提高了183%。通过MUA分子实验初步验证了微纳结构金膜对SPR传感信号的增强效果。5. 对偏振对比度方法进行改进,提出了新型消光方法,即选择厚金膜进行背景消光。该方法具有图像对比度高,对于小范围折射率变化的灵敏度高,不受背景干扰和消光易调节等优势,具有进一步提高SPRi传感器性能的潜力。对该方法进行了简单的实验验证,实验结果与仿真结果相一致。目前,本论文设计的微纳结构增强的偏振对比度型SPRi传感器可实现25个点同时检测,相比平面金膜,在小范围折射率变化(1.3315-1.3394 RIU)的检测灵敏度最大可提高287%,最优折射率分辨率为1.7× 10-6 RIU,具有实现高通量高灵敏检测的潜力。
【关键词】：表面等离子体共振 SPRi传感 偏振对比度 微纳结构金膜 局域表面等离子体共振 电磁场增强
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 绪论14-39
• 1.1 表面等离子体共振(SPR)概述14-15
• 1.2 SPR传感技术的优势15-16
• 1.3 SPR的基本原理16-19
• 1.3.1 金属的介电方程16
• 1.3.2 表面等离子体及其色散16-18
• 1.3.3 表面等离子体共振的激发18-19
• 1.4 SPR传感技术19-24
• 1.4.1 SPR传感的多层膜反射模型20-22
• 1.4.2 SPR传感的调制方式22-23
• 1.4.3 SPR检测生物分子的等效折射率模型23-24
• 1.4.4 SPR成像传感技术24
• 1.5 SPRi传感技术的研究现状和发展动态24-29
• 1.5.1 角度调制型和波长调制型SPRi传感技术25
• 1.5.2 光强调制型SPRi传感技术25-27
• 1.5.3 相位调制型SPRi传感技术27-28
• 1.5.4 基于偏振对比度方法的SPRi传感技术28-29
• 1.6 纳米结构的表面等离子体共振及其应用29-36
• 1.6.1 LSPR的基本原理30-31
• 1.6.2 LSPR的特点及应用31-32
• 1.6.3 利用金属纳米颗粒增强SPR信号32-33
• 1.6.4 金属周期纳米结构作为传感基底33-36
• 1.7 本论文的研究工作36-39
• 1.7.1 研究目标和意义36-37
• 1.7.2 本论文的内容介绍37-39
• 第2章 基于偏振对比度方法的SPRi传感实验平台的研究39-67
• 2.1 偏振对比度方法39-42
• 2.1.1 偏振对比度方法的基本原理39-41
• 2.1.2 偏振对比度方法的特点41-42
• 2.2 偏振对比度型SPRi的参数仿真和优化42-46
• 2.2.1 入射波长43
• 2.2.2 入射角43-44
• 2.2.3 金膜厚度44-45
• 2.2.4 起偏器角度45-46
• 2.3 偏振对比度型SPRi传感实验平台的构建46-60
• 2.3.1 偏振对比度型SPRi传感器46-55
• 2.3.2 微流芯片55-56
• 2.3.3 进样系统56-58
• 2.3.4 上位机软件58-60
• 2.4 SPRi传感器的性能指标60-65
• 2.4.1 实验试剂和实验方法60-61
• 2.4.2 灵敏度61-62
• 2.4.3 分辨率和检出限62-64
• 2.4.4 动态范围64
• 2.4.5 一致性64-65
• 2.5 本章小结65-67
• 第3章 几种纳米结构的电磁场特性研究67-86
• 3.1 有限差分时间域方法67-69
• 3.2 金纳米颗粒与金膜间的LSPR-SPR耦合69-74
• 3.2.1 研究背景69-70
• 3.2.2 仿真结构和初步结果70-71
• 3.2.3 Au NPs的参数优化71-73
• 3.2.4 该方法的优缺点73-74
• 3.3 红外区周期性纳米阵列的电磁场特性74-85
• 3.3.1 研究背景74
• 3.3.2 仿真结构和初步结果74-76
• 3.3.3 电磁场分布和电磁场响应76-78
• 3.3.4 共振峰产生的机理78-83
• 3.3.5 实验验证83-85
• 3.4 本章小结85-86
• 第4章 微井结构金膜增强SPR传感信号的研究86-107
• 4.1 微井结构金膜的表面电磁场86-91
• 4.1.1 仿真结构和初步结果86-88
• 4.1.2 微井形状的优化88-89
• 4.1.3 微井尺寸的优化89
• 4.1.4 背景金膜厚度的优化89-91
• 4.2 微井结构金膜的制备91-96
• 4.2.1 掩膜设计91-92
• 4.2.2 光刻加工成型92-94
• 4.2.3 传感芯片的切割和表征94-96
• 4.3 微井结构金膜的实验准备96-97
• 4.3.1 传感芯片的装载和检测点的成像96-97
• 4.3.2 进样速度的优化97
• 4.4 折射率样品实验97-103
• 4.4.1 实验试剂和实验方法97-98
• 4.4.2 SPR响应曲线和灵敏度98-101
• 4.4.3 折射率分辨率101-102
• 4.4.4 低浓度NaCl溶液实验102-103
• 4.5 BSA生物实验103-106
• 4.5.1 实验试剂103-104
• 4.5.2 实验方法与结果104-106
• 4.6 本章小结106-107
• 第5章 微纳结构金膜增强SPR传感信号的研究107-125
• 5.1 微井金膜内周期纳米结构的表面电磁场107-114
• 5.1.1 仿真结构和初步结果107-109
• 5.1.2 光栅周期的优化109-110
• 5.1.3 顶层金膜宽度的优化110-111
• 5.1.4 顶层金膜和底层金膜厚度的优化111-112
• 5.1.5 周期纳米光栅周期数的优化112
• 5.1.6 周期纳米光栅在微井中的仿真112-114
• 5.2 微井金膜内周期纳米光栅的制备114-117
• 5.2.1 周期纳米光栅的制备114-115
• 5.2.2 周期纳米光栅的表征115-117
• 5.3 折射率样品实验117-120
• 5.3.1 实验试剂和实验方法117
• 5.3.2 SPR响应曲线和灵敏度117-119
• 5.3.3 检测噪声和折射率分辨率119-120
• 5.4 MUA分子实验120-122
• 5.4.1 实验试剂120
• 5.4.2 实验方法与结果120-122
• 5.5 微纳结构金膜增强SPR信号存在的问题分析122-123
• 5.6 本章小结123-125
• 第6章 偏振对比度方法的改进125-136
• 6.1 SPR成像传感技术的要求125-126
• 6.2 使用传感金膜作为消光区域126-128
• 6.2.1 消光的实现126-127
• 6.2.2 存在的问题分析127-128
• 6.3 使用玻璃基板作为消光区域128-130
• 6.3.1 消光的实现128-129
• 6.3.2 优点和存在的问题129-130
• 6.4 使用厚金膜进行背景消光130-134
• 6.4.1 基本思路130-131
• 6.4.2 消光的实现131
• 6.4.3 厚金膜背景消光方法的优势131-134
• 6.4 厚金膜背景消光方法的验证性实验134-135
• 6.5 本章小结135-136
• 第7章 结论136-139
• 7.1 研究成果和创新点136-137
• 7.2 问题与展望137-139
• 参考文献139-146
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果146-147

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 刘巍;陈义;;表面等离子体共振成像法用于糖蛋白分析[J];高等学校化学学报;2008年09期

2 李海波;徐抒平;刘钰;菅晓光;徐蔚青;;波长型SPR检测仪的灵敏度探讨[J];高等学校化学学报;2010年11期

3 李峰杰;郝鹏;吴一辉;;金纳米棒对SPR生物传感器灵敏度的增强效应[J];传感器与微系统;2011年07期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 黄子昊;点阵SPR成像传感器设计及应用研究[D];浙江大学;2014年

  本文关键词：基于微纳结构增强的SPR成像传感技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：267171