近年来,为满足科研与商业市场的实际应用需求,各种类型的生物传感器研究相继开展,其中,光学生物传感器的研究获得了广泛地关注。相比较于其他类型的生物传感器,光学生物传感器具有快速响应、高灵敏度、高稳定等优点。目前,基于Kretschmann结构的表面等离子体共振（Surface plasmon resonance,SPR）的生物传感器凭借其免标签、实时检测的特性被广泛应用于生命科学、电化学、环境安全以及医学诊断等不同应用领域。存在于金属介质表面的表面等离激元（SPP）通过耦合棱镜以及偏振光束的激发形成表面等离子体波（Surface plasmon wave,SPW）,这种表面波对外界环境折射率的变化异常灵敏。传感层折射率的改变最终可转化为反射光谱的光学量的显著变化,以此对分析物进行检测。传统的SPR生物传感器芯片和生物分子结合的能力较差,极大地限制了传感器的灵敏度与品质因子等性能。因此,我们在传统SPR生物传感器的基础上不断优化其性能,获得新型的高灵敏度的生物传感芯片。随着材料科学的快速发展,通常增强生物传感器灵敏度的方法是将传感技术与功能化的二维材料相结合,例如:石墨烯（Graphene）、黑鳞（Black phosphorus）、过渡金属化合物（TMDCs）等。其次,不同结构的模式间强耦合同样可提高灵敏度。两种方法相互补充,为生物传感器的发展带来了更多可能性性。本论文主要对一系列由新型二维材料以及不同模式结构组成的传感芯片的灵敏性能展开研究,所取得的研究成果如下:（1）设计了一种基于拓扑绝缘体—碲化铋（Bi2Te3）的SPR折射率生物传感器。在角度调制和波长调制下,通过不断优化碲化铋的厚度选出其最佳厚度值,传感器的角度灵敏度以及波长灵敏度均能得到提高,最高角度灵敏度可达到175°/RIU。相关研究成果发表在Results in physics上。（2）设计了一种特殊波导模式—基于石墨烯的损耗模式共振（Lossy mode resonance,LMR）的生物传感器。其中,石墨烯的上表面覆盖cytop层,一种易成膜的低损耗含氟聚合物,石墨烯较大的表面积可加强与生物分子的吸附性,提高检测灵敏度和品质因子,选择合适的厚度优化值可改变不同模式下的共振强度。与SPR传感器相比,这种LMR生物传感器可在横电（transverse electric,TE）和横磁（transverse magnetic,TM）模式下激发共振,且品质因子（Figure of merit）大幅度提升,是普通SPR传感器的近十倍。相关研究成果发表在Plasmonics上。（3）设计了一种基于硒化锗（Ge Se）半导体二维材料的SPR生物传感器,通过在金片上旋涂不同层数的硒化锗,对不同折射率的乙二醇溶液的检测灵敏度会逐渐增加,然后随之下降,旋涂四次时其品质因子为14.37RIU-1,灵敏度为3581nm/RIU,在传统的SPR传感器的基础上灵敏度提升了近80%。同时,这种传感器用于金属铅离子检测的灵敏度以及分辨率大大提高。相关研究成果发表在Nanophotonics上。