论文部分内容阅读
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。