旋转式SPR检测调制机理研究

作     者：韦柳夏 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苑立波

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 070204[理学-等离子体物理] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：SPR传感器 旋转调制法 分辨率 LRSPR传感器 

摘      要：表面等离子体共振（SPR）是由入射光子和自由电子在金属和介质界面上的能量交换引起的耦合共振效应,是一门多学科交叉的新兴科学技术,其在生物学、医学、化学、物理学、电子信息科学技术等领域具有巨大的潜在应用价值。近十年来,基于SPR技术的传感装置凭借其高可靠性、高灵敏度以及实时分析等突出优点,已广泛应用于生物化学检测、临床医学、食品安全检测、药物分析、环境监测等,为人类提供了不可替代的便利并创造了巨大的经济价值。随着SPR相关技术的深入研究以及纳米技术的飞速发展,人们获得SPR效应的途径也越来越多,如棱镜耦合、纳米级金属微结构、微米尺度金属颗粒等,其中,基于Otto和Kretschmann结构的棱镜耦合是目前研究最为成熟也是商业化SPR传感器中最广泛采用的技术,而Kretschmann棱镜耦合式SPR传感器更是凭借其简单的结构设计成为目前研究和应用的热点。然而,传统Kretschmann棱镜耦合式SPR传感器只具备较低的灵敏度,因此,相关研究人员通常采用增加传感器结构配置或在传统SPR激发膜结构的技术上添加二维材料的方式来提升SPR传感器的性能。不可否认,提高SPR传感器灵敏度和检测分辨率的研究是其发展和商业化应用的必然趋势,然而,上述改善方式均是以更加复杂的加工技术以及更加高昂的生产成本为代价的。因此,本文在角度调制的基础上提出了一种采用旋转调制法的新型SPR传感器,其是在不增加传感器结构配置及激发膜结构的前提下,通过提升入射角度调制分辨率的来改善传感器的性能,该方法与传统入射角度调制方法的根本区别在于使棱镜基底垂直旋转轴的方式进行旋转,而非使棱镜平行入射面的方式进行旋转。基于上述方案,本文的主要研究为以下几点:（1）采用三维矢量计算法分析了本文提出的旋转调制法的入射角度调制机理,并发现其调制分辨率是传统入射角度调制方法的数倍。（2）采用三维矢量计算结合菲涅尔定律的分析方法研究了旋转调制法对TM偏振光的影响,并确定了最佳的入射光偏振方向。（3）开展了基于传统入射角度调制方法和旋转调制法的SPR传感器的对比实验,实验结果证明,本文提出的新型SPR传感器的折射率测量分辨率是传统SPR传感器的6倍左右。（4）提出了旋转调制法与长程表面等离子体共振传感器（LRSPR）相结合的方案,理论仿真证明,与上述基于SPR传感器的传统方案相比,旋转调制法与LRSPR传感器的结合不仅解决了由该方法所导致的测量精度低的问题,还使LRSPR传感器摆脱了价格昂贵的高性能旋转装置的束缚,实现了两者的优势互补,获得了更佳效果。总之,本文所提出的方案能够有效解决SPR传感器在商业应用中所普遍存在的结构复杂、精度有限、价格昂贵等问题,进而使得SPR传感器在化学检测、医学诊断、生物检测等诸多领域获得更加广泛的推广及应用。