本文關鍵詞：基于微納結構增強的SPR成像傳感技術研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)傳感技術具有無標記、靈敏度高和易于實現(xiàn)高通量等優(yōu)勢,在生物醫(yī)學、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領域得到了廣泛應用。近年來,隨著對SPR高通量檢測需求的增加,SPR成像(SPRi)傳感技術得到了快速的發(fā)展。但常規(guī)SPRi傳感器的圖像對比度較差,靈敏度普遍低于通道型SPR傳感器,無法滿足高通量高靈敏的檢測要求。本論文將圍繞“提高SPRi傳感器的性能”這一目標,設計高性能SPRi傳感器,并構建SPRi傳感實驗平臺,在此基礎上,通過研究微納結構的電磁場特性,利用電磁場增強來提高SPRi傳感器的靈敏度。本論文的主要內(nèi)容和成果包括：1. 分析了偏振對比度方法中影響SPR傳感靈敏度和動態(tài)范圍的參數(shù)并進行優(yōu)化,設計了偏振對比度型SPRi傳感器。構建了SPRi傳感實驗平臺,對SPRi傳感器進行性能測試,得到折射率分辨率為5.4×10-6 RIU,動態(tài)范圍1.3316-1.3553 RIU。性能指標優(yōu)于常規(guī)光強調(diào)制型SPRi傳感器。2.利用FDTD仿真軟件研究了Au NPs和金膜的LSPR-SPR耦合用于提高SPR傳感的靈敏度的影響因素,研究了紅外區(qū)Au和Ge的周期納米結構的電磁場特性,并對共振峰產(chǎn)生的機理進行了解釋,為后續(xù)利用微納結構的電磁場增強提高SPRi傳感器性能的研究打下了基礎。3.研究了微井結構金膜內(nèi)由表面等離子體波(Surface Plasmon Wave, SPW)干涉引起的電磁場增強,獲得了最優(yōu)化的結構參數(shù),對制備的微井結構金膜進行SPR傳感性能的測試,靈敏度比平面金膜提高了157%,折射率分辨率為1.7×10-6RIU,比平面金膜提高了約4倍。通過BSA生物實驗驗證了微井結構金膜對SPR傳感信號的增強效果。4.研究了周期納米光柵中LSPR-SPR耦合引起的電磁場增強,獲得了最優(yōu)化的結構參數(shù),在微井結構金膜內(nèi)制備了周期納米光柵形成微納結構金膜,對其進行SPR傳感性能的測試,在小折射率變化范圍內(nèi)(1.3315-1.3394 RIU),在普通微井結構金膜的基礎上,將靈敏度又提高了183%。通過MUA分子實驗初步驗證了微納結構金膜對SPR傳感信號的增強效果。5. 對偏振對比度方法進行改進,提出了新型消光方法,即選擇厚金膜進行背景消光。該方法具有圖像對比度高,對于小范圍折射率變化的靈敏度高,不受背景干擾和消光易調(diào)節(jié)等優(yōu)勢,具有進一步提高SPRi傳感器性能的潛力。對該方法進行了簡單的實驗驗證,實驗結果與仿真結果相一致。目前,本論文設計的微納結構增強的偏振對比度型SPRi傳感器可實現(xiàn)25個點同時檢測,相比平面金膜,在小范圍折射率變化(1.3315-1.3394 RIU)的檢測靈敏度最大可提高287%,最優(yōu)折射率分辨率為1.7× 10-6 RIU,具有實現(xiàn)高通量高靈敏檢測的潛力。
【關鍵詞】：表面等離子體共振 SPRi傳感 偏振對比度 微納結構金膜 局域表面等離子體共振 電磁場增強
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 緒論14-39
• 1.1 表面等離子體共振(SPR)概述14-15
• 1.2 SPR傳感技術的優(yōu)勢15-16
• 1.3 SPR的基本原理16-19
• 1.3.1 金屬的介電方程16
• 1.3.2 表面等離子體及其色散16-18
• 1.3.3 表面等離子體共振的激發(fā)18-19
• 1.4 SPR傳感技術19-24
• 1.4.1 SPR傳感的多層膜反射模型20-22
• 1.4.2 SPR傳感的調(diào)制方式22-23
• 1.4.3 SPR檢測生物分子的等效折射率模型23-24
• 1.4.4 SPR成像傳感技術24
• 1.5 SPRi傳感技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)24-29
• 1.5.1 角度調(diào)制型和波長調(diào)制型SPRi傳感技術25
• 1.5.2 光強調(diào)制型SPRi傳感技術25-27
• 1.5.3 相位調(diào)制型SPRi傳感技術27-28
• 1.5.4 基于偏振對比度方法的SPRi傳感技術28-29
• 1.6 納米結構的表面等離子體共振及其應用29-36
• 1.6.1 LSPR的基本原理30-31
• 1.6.2 LSPR的特點及應用31-32
• 1.6.3 利用金屬納米顆粒增強SPR信號32-33
• 1.6.4 金屬周期納米結構作為傳感基底33-36
• 1.7 本論文的研究工作36-39
• 1.7.1 研究目標和意義36-37
• 1.7.2 本論文的內(nèi)容介紹37-39
• 第2章 基于偏振對比度方法的SPRi傳感實驗平臺的研究39-67
• 2.1 偏振對比度方法39-42
• 2.1.1 偏振對比度方法的基本原理39-41
• 2.1.2 偏振對比度方法的特點41-42
• 2.2 偏振對比度型SPRi的參數(shù)仿真和優(yōu)化42-46
• 2.2.1 入射波長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 偏振對比度型SPRi傳感實驗平臺的構建46-60
• 2.3.1 偏振對比度型SPRi傳感器46-55
• 2.3.2 微流芯片55-56
• 2.3.3 進樣系統(tǒng)56-58
• 2.3.4 上位機軟件58-60
• 2.4 SPRi傳感器的性能指標60-65
• 2.4.1 實驗試劑和實驗方法60-61
• 2.4.2 靈敏度61-62
• 2.4.3 分辨率和檢出限62-64
• 2.4.4 動態(tài)范圍64
• 2.4.5 一致性64-65
• 2.5 本章小結65-67
• 第3章 幾種納米結構的電磁場特性研究67-86
• 3.1 有限差分時間域方法67-69
• 3.2 金納米顆粒與金膜間的LSPR-SPR耦合69-74
• 3.2.1 研究背景69-70
• 3.2.2 仿真結構和初步結果70-71
• 3.2.3 Au NPs的參數(shù)優(yōu)化71-73
• 3.2.4 該方法的優(yōu)缺點73-74
• 3.3 紅外區(qū)周期性納米陣列的電磁場特性74-85
• 3.3.1 研究背景74
• 3.3.2 仿真結構和初步結果74-76
• 3.3.3 電磁場分布和電磁場響應76-78
• 3.3.4 共振峰產(chǎn)生的機理78-83
• 3.3.5 實驗驗證83-85
• 3.4 本章小結85-86
• 第4章 微井結構金膜增強SPR傳感信號的研究86-107
• 4.1 微井結構金膜的表面電磁場86-91
• 4.1.1 仿真結構和初步結果86-88
• 4.1.2 微井形狀的優(yōu)化88-89
• 4.1.3 微井尺寸的優(yōu)化89
• 4.1.4 背景金膜厚度的優(yōu)化89-91
• 4.2 微井結構金膜的制備91-96
• 4.2.1 掩膜設計91-92
• 4.2.2 光刻加工成型92-94
• 4.2.3 傳感芯片的切割和表征94-96
• 4.3 微井結構金膜的實驗準備96-97
• 4.3.1 傳感芯片的裝載和檢測點的成像96-97
• 4.3.2 進樣速度的優(yōu)化97
• 4.4 折射率樣品實驗97-103
• 4.4.1 實驗試劑和實驗方法97-98
• 4.4.2 SPR響應曲線和靈敏度98-101
• 4.4.3 折射率分辨率101-102
• 4.4.4 低濃度NaCl溶液實驗102-103
• 4.5 BSA生物實驗103-106
• 4.5.1 實驗試劑103-104
• 4.5.2 實驗方法與結果104-106
• 4.6 本章小結106-107
• 第5章 微納結構金膜增強SPR傳感信號的研究107-125
• 5.1 微井金膜內(nèi)周期納米結構的表面電磁場107-114
• 5.1.1 仿真結構和初步結果107-109
• 5.1.2 光柵周期的優(yōu)化109-110
• 5.1.3 頂層金膜寬度的優(yōu)化110-111
• 5.1.4 頂層金膜和底層金膜厚度的優(yōu)化111-112
• 5.1.5 周期納米光柵周期數(shù)的優(yōu)化112
• 5.1.6 周期納米光柵在微井中的仿真112-114
• 5.2 微井金膜內(nèi)周期納米光柵的制備114-117
• 5.2.1 周期納米光柵的制備114-115
• 5.2.2 周期納米光柵的表征115-117
• 5.3 折射率樣品實驗117-120
• 5.3.1 實驗試劑和實驗方法117
• 5.3.2 SPR響應曲線和靈敏度117-119
• 5.3.3 檢測噪聲和折射率分辨率119-120
• 5.4 MUA分子實驗120-122
• 5.4.1 實驗試劑120
• 5.4.2 實驗方法與結果120-122
• 5.5 微納結構金膜增強SPR信號存在的問題分析122-123
• 5.6 本章小結123-125
• 第6章 偏振對比度方法的改進125-136
• 6.1 SPR成像傳感技術的要求125-126
• 6.2 使用傳感金膜作為消光區(qū)域126-128
• 6.2.1 消光的實現(xiàn)126-127
• 6.2.2 存在的問題分析127-128
• 6.3 使用玻璃基板作為消光區(qū)域128-130
• 6.3.1 消光的實現(xiàn)128-129
• 6.3.2 優(yōu)點和存在的問題129-130
• 6.4 使用厚金膜進行背景消光130-134
• 6.4.1 基本思路130-131
• 6.4.2 消光的實現(xiàn)131
• 6.4.3 厚金膜背景消光方法的優(yōu)勢131-134
• 6.4 厚金膜背景消光方法的驗證性實驗134-135
• 6.5 本章小結135-136
• 第7章 結論136-139
• 7.1 研究成果和創(chuàng)新點136-137
• 7.2 問題與展望137-139
• 參考文獻139-146
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果146-147

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 劉巍;陳義;;表面等離子體共振成像法用于糖蛋白分析[J];高等學校化學學報;2008年09期

2 李海波;徐抒平;劉鈺;菅曉光;徐蔚青;;波長型SPR檢測儀的靈敏度探討[J];高等學�；瘜W學報;2010年11期

3 李峰杰;郝鵬;吳一輝;;金納米棒對SPR生物傳感器靈敏度的增強效應[J];傳感器與微系統(tǒng);2011年07期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 黃子昊;點陣SPR成像傳感器設計及應用研究[D];浙江大學;2014年

  本文關鍵詞：基于微納結構增強的SPR成像傳感技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：267171