基于一维金属光栅等离子体双参数生物传感特性研究

作     者：刘军 

作者单位：中南林业科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗建花

授予年度：2024年

学科分类：0710[理学-生物学] 071010[理学-生物化学与分子生物学] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：一维金属光栅 温度传感 表面等离子体共振 折射率传感 有限元法 

摘      要：本论文基于一维金属光栅等离子体双参数生物传感器特性设计了两种高度先进的双参数自参考生物传感器,用于同时监测折射率和温度,以满足生物医学和环境监测领域中对高灵敏度和精确度的需求。这两种传感器分别是在玻璃基板和在D型光子晶体光纤(PCF)上沉积的一维金属光栅生物温度折射率双参数自参考传感器。这些传感器的设计结合了表面等离子体共振(SPR)和光子晶体光纤(PCF)技术的优势,以实现对生物化学过程中关键参数的连续和实时监测。主要研究内容如下: 一、设计了直接沉积在玻璃基板上的一维金属光栅传感器,实现了在折射率检测上的高灵敏度,达到564 nm/RIU,其温度灵敏度为每摄氏度-50 pm。这种传感器的设计基于精确调制的金属光栅结构,能够有效地激发表面等离子体共振,从而对折射率的微小变化进行灵敏检测。同时,金属光栅的特性也使得传感器对温度变化具有良好的响应能力,适用于需要监控温度依赖性生物化学反应的场景。 二、设计了沉积在D型光子晶体光纤上的一维金属光栅传感器,显示出更高的折射率检测灵敏度,达到3300 nm/RIU,并且在温度检测上的灵敏度为每摄氏度-92 pm。该传感器采用D型光子晶体光纤结合一维金属光栅,增强了SPR效应,极大提升了对折射率和温度的检测能力。该设计不仅提高了灵敏度,还扩展了传感器的应用范围,使其能在更宽的折射率和温度范围内进行精确监测。 本文的研究重点在于通过有限元方法对这些传感器进行仿真模拟,并通过仿真结果验证理论分析的准确性。研究结果表明,所设计的传感器能够提供高灵敏度的测量结果,非常适合于复杂的生物医学应用和环境监测中,如蛋白质相互作用分析和环境污染监测。 此外,这项研究还探讨了传感器设计中的关键参数如光栅周期、光栅宽度和材料选择对其性能的影响,为未来的传感器设计提供了重要的设计准则和优化方向。通过持续优化这些参数,可以进一步提高传感器的灵敏度和适用性,以更好地满足特定应用需求。 总之,本研究成功设计的两种双参数自参考传感器具有良好的实际应用和科研价值,其高灵敏度和宽检测范围预示着它们在未来生物传感和环境监测领域中的广泛应用。