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科技进步推动社会的发展,面对日益恶化的生活环境,食品污染、工业雾霾、水质恶化等问题导致的疾病多样化引起了广泛的关注,随时随地跟踪身体健康状况也成为亟待攻克的生物医学课题。因此现代医学中实时的健康监测以及便捷的医疗保障面临着巨大的挑战,同时也对生物医疗保健系统提出了更高的要求。人体健康的现场即时快速检测(Point-of-Care-Testing,PoCT)逐渐成为广大群众的迫切需要。PoCT是指在采样现场或者实时进行的、利用便携式分析仪器及配套试剂快速得到检测结果的一种检测方式。根据课题调研开展了应用于PoCT(Point-of-CareTest)的表面等离子体生物传感器研究。本论文主要工作从两个方向开展研究:第一类结合较为前沿的THz技术和超材料理论设计的表面等离子体激元传感芯片,应用于生物大分子的传感检测;第二类为较常见的微波毫米波频段的表面等离子体激元生物传感器设计,应用于微小介电常数检测、皮肤癌检测和生物组织水含量检测等方面的传感检测。具体研究内容及成果如下:在生物分子的超灵敏传感方面,太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)在无标记,非接触,非侵入和无害检测领域的超强性能被入选为极具潜力的代表。而且大多重要的构造信息都可以通过THz-TDS获得。与此同时,基于THz-TDS的太赫兹超材料或超表面传感芯片因在场-检测物的强局部场加强而被用于提高检测灵敏度。本文提出了基于伪表面等离子体激元(SSPPs)的太赫兹传感超材料和超表面,用于DNA/RNA的检测。计算结果显示在DNA/RNA的生物传感上超材料和超表面结构能得到的最大频率灵敏度分别可达2.52 THz/RIU和2.23THz/RIU。而且,当生物材料厚度小于4μm时超材料和超表面生物传感器的薄膜厚度灵敏度分别高于71.1GHz/μm and 79.2 GHz/μm。在THz频段的超灵敏生物分子检测,健康监测,医学薄膜传感和安全检查上,所有优越的性能都能用超材料和超表面生物传感器实现。同时提出了一类在THz频段用于不同类型病毒检测的伪表面等离子体激元(SSPPs)耶稣十字架超材料吸收器生物传感器。由于超材料吸收器生物传感器局部场加强,在吸收光谱上可得到强约束的SSPPs模。与此同时,计算得到了用于病毒检测的不同类型病毒和蛋白质浓度的等效复折射率(N)模型。而且,用超材料吸收器生物传感器数值计算得到了在不同病毒类型的等效复折射率(不同N值)的检测。尤其针对三类典型的禽流感(AI)病毒(H5N2,H1N1,H9N2)的检测计算,通过提取检测中传感器芯片的谐振峰的频移(ΔF)和最大吸收峰值的变化(ΔA)可展现出超高的灵敏度和分辨率。所有这些结果对疾病诊断的快速实时检测,尤其是极具传染性和敏感性的目标病毒的检测具有极其重大的意义。此外,本文还提出了三类微波毫米波频段的伪表面等离子体激元(SSPPs)平面等离子体波导生物传感器,可用于实时精准的癌症诊断和体内水含量检测。(a)第一类是用于检测微小介电常数变化的基于表面等离子体激元的镜像对称微带超材料生物传感器。(b)计算并加工了第二类SSPPs微带参考线生物传感器,用于皮肤癌的生物传感检测。同时还理论计算了不同皮肤水含量的等效复介电常数。传感检测结果显示在区分癌化情况时具有极高的分辨率。(c)加工并用矢量网络分析仪测试真实手指模型的第三类SSPPs交错栅传感器。在测试有无手指皮肤和纯水模型时的实验和仿真结果具有良好的一致性。综上,这三类SSPPs生物传感器在人体皮肤癌,局部含水量,早期肿瘤如恶性黑色素瘤和淋巴癌诊断和肿瘤切除指导等医学领域有潜在的应用。