發(fā)布時(shí)間：2017-03-25 12:08

  本文關(guān)鍵詞：基于微納結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的SPR成像傳感技術(shù)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(shù)具有無(wú)標(biāo)記、靈敏度高和易于實(shí)現(xiàn)高通量等優(yōu)勢(shì),在生物醫(yī)學(xué)、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái),隨著對(duì)SPR高通量檢測(cè)需求的增加,SPR成像(SPRi)傳感技術(shù)得到了快速的發(fā)展。但常規(guī)SPRi傳感器的圖像對(duì)比度較差,靈敏度普遍低于通道型SPR傳感器,無(wú)法滿足高通量高靈敏的檢測(cè)要求。本論文將圍繞“提高SPRi傳感器的性能”這一目標(biāo),設(shè)計(jì)高性能SPRi傳感器,并構(gòu)建SPRi傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在此基礎(chǔ)上,通過(guò)研究微納結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)特性,利用電磁場(chǎng)增強(qiáng)來(lái)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(duì)比度方法中影響SPR傳感靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)了偏振對(duì)比度型SPRi傳感器。構(gòu)建了SPRi傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)SPRi傳感器進(jìn)行性能測(cè)試,得到折射率分辨率為5.4×10-6 RIU,動(dòng)態(tài)范圍1.3316-1.3553 RIU。性能指標(biāo)優(yōu)于常規(guī)光強(qiáng)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(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)特性,并對(duì)共振峰產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了解釋,為后續(xù)利用微納結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)增強(qiáng)提高SPRi傳感器性能的研究打下了基礎(chǔ)。3.研究了微井結(jié)構(gòu)金膜內(nèi)由表面等離子體波(Surface Plasmon Wave, SPW)干涉引起的電磁場(chǎng)增強(qiáng),獲得了最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)制備的微井結(jié)構(gòu)金膜進(jìn)行SPR傳感性能的測(cè)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(guò)BSA生物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微井結(jié)構(gòu)金膜對(duì)SPR傳感信號(hào)的增強(qiáng)效果。4.研究了周期納米光柵中LSPR-SPR耦合引起的電磁場(chǎng)增強(qiáng),獲得了最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù),在微井結(jié)構(gòu)金膜內(nèi)制備了周期納米光柵形成微納結(jié)構(gòu)金膜,對(duì)其進(jìn)行SPR傳感性能的測(cè)試,在小折射率變化范圍內(nèi)(1.3315-1.3394 RIU),在普通微井結(jié)構(gòu)金膜的基礎(chǔ)上,將靈敏度又提高了183%。通過(guò)MUA分子實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了微納結(jié)構(gòu)金膜對(duì)SPR傳感信號(hào)的增強(qiáng)效果。5. 對(duì)偏振對(duì)比度方法進(jìn)行改進(jìn),提出了新型消光方法,即選擇厚金膜進(jìn)行背景消光。該方法具有圖像對(duì)比度高,對(duì)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(shì),具有進(jìn)一步提高SPRi傳感器性能的潛力。對(duì)該方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相一致。目前,本論文設(shè)計(jì)的微納結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的偏振對(duì)比度型SPRi傳感器可實(shí)現(xiàn)25個(gè)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè),相比平面金膜,在小范圍折射率變化(1.3315-1.3394 RIU)的檢測(cè)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(shí)現(xiàn)高通量高靈敏檢測(cè)的潛力。
【關(guān)鍵詞】：表面等離子體共振 SPRi傳感 偏振對(duì)比度 微納結(jié)構(gòu)金膜 局域表面等離子體共振 電磁場(chǎng)增強(qiáng)
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(shù)的優(yōu)勢(shì)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(shù)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(cè)生物分子的等效折射率模型23-24
• 1.4.4 SPR成像傳感技術(shù)24
• 1.5 SPRi傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)24-29
• 1.5.1 角度調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型SPRi傳感技術(shù)25
• 1.5.2 光強(qiáng)調(diào)制型SPRi傳感技術(shù)25-27
• 1.5.3 相位調(diào)制型SPRi傳感技術(shù)27-28
• 1.5.4 基于偏振對(duì)比度方法的SPRi傳感技術(shù)28-29
• 1.6 納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振及其應(yīng)用29-36
• 1.6.1 LSPR的基本原理30-31
• 1.6.2 LSPR的特點(diǎn)及應(yīng)用31-32
• 1.6.3 利用金屬納米顆粒增強(qiáng)SPR信號(hào)32-33
• 1.6.4 金屬周期納米結(jié)構(gòu)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(biāo)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(duì)比度方法的SPRi傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究39-67
• 2.1 偏振對(duì)比度方法39-42
• 2.1.1 偏振對(duì)比度方法的基本原理39-41
• 2.1.2 偏振對(duì)比度方法的特點(diǎn)41-42
• 2.2 偏振對(duì)比度型SPRi的參數(shù)仿真和優(yōu)化42-46
• 2.2.1 入射波長(zhǎng)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(duì)比度型SPRi傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建46-60
• 2.3.1 偏振對(duì)比度型SPRi傳感器46-55
• 2.3.2 微流芯片55-56
• 2.3.3 進(jìn)樣系統(tǒng)56-58
• 2.3.4 上位機(jī)軟件58-60
• 2.4 SPRi傳感器的性能指標(biāo)60-65
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)試劑和實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)范圍64
• 2.4.5 一致性64-65
• 2.5 本章小結(jié)65-67
• 第3章 幾種納米結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)特性研究67-86
• 3.1 有限差分時(shí)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(jié)構(gòu)和初步結(jié)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(diǎn)73-74
• 3.3 紅外區(qū)周期性納米陣列的電磁場(chǎng)特性74-85
• 3.3.1 研究背景74
• 3.3.2 仿真結(jié)構(gòu)和初步結(jié)果74-76
• 3.3.3 電磁場(chǎng)分布和電磁場(chǎng)響應(yīng)76-78
• 3.3.4 共振峰產(chǎn)生的機(jī)理78-83
• 3.3.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證83-85
• 3.4 本章小結(jié)85-86
• 第4章 微井結(jié)構(gòu)金膜增強(qiáng)SPR傳感信號(hào)的研究86-107
• 4.1 微井結(jié)構(gòu)金膜的表面電磁場(chǎng)86-91
• 4.1.1 仿真結(jié)構(gòu)和初步結(jié)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(jié)構(gòu)金膜的制備91-96
• 4.2.1 掩膜設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)金膜的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備96-97
• 4.3.1 傳感芯片的裝載和檢測(cè)點(diǎn)的成像96-97
• 4.3.2 進(jìn)樣速度的優(yōu)化97
• 4.4 折射率樣品實(shí)驗(yàn)97-103
• 4.4.1 實(shí)驗(yàn)試劑和實(shí)驗(yàn)方法97-98
• 4.4.2 SPR響應(yīng)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(shí)驗(yàn)102-103
• 4.5 BSA生物實(shí)驗(yàn)103-106
• 4.5.1 實(shí)驗(yàn)試劑103-104
• 4.5.2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果104-106
• 4.6 本章小結(jié)106-107
• 第5章 微納結(jié)構(gòu)金膜增強(qiáng)SPR傳感信號(hào)的研究107-125
• 5.1 微井金膜內(nèi)周期納米結(jié)構(gòu)的表面電磁場(chǎng)107-114
• 5.1.1 仿真結(jié)構(gòu)和初步結(jié)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(shí)驗(yàn)117-120
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)試劑和實(shí)驗(yàn)方法117
• 5.3.2 SPR響應(yīng)曲線和靈敏度117-119
• 5.3.3 檢測(cè)噪聲和折射率分辨率119-120
• 5.4 MUA分子實(shí)驗(yàn)120-122
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)試劑120
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果120-122
• 5.5 微納結(jié)構(gòu)金膜增強(qiáng)SPR信號(hào)存在的問(wèn)題分析122-123
• 5.6 本章小結(jié)123-125
• 第6章 偏振對(duì)比度方法的改進(jìn)125-136
• 6.1 SPR成像傳感技術(shù)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(shí)現(xiàn)126-127
• 6.2.2 存在的問(wèn)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(shí)現(xiàn)128-129
• 6.3.2 優(yōu)點(diǎn)和存在的問(wèn)題129-130
• 6.4 使用厚金膜進(jìn)行背景消光130-134
• 6.4.1 基本思路130-131
• 6.4.2 消光的實(shí)現(xiàn)131
• 6.4.3 厚金膜背景消光方法的優(yōu)勢(shì)131-134
• 6.4 厚金膜背景消光方法的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)134-135
• 6.5 本章小結(jié)135-136
• 第7章 結(jié)論136-139
• 7.1 研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)136-137
• 7.2 問(wèn)題與展望137-139
• 參考文獻(xiàn)139-146
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果146-147

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

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2 李海波;徐抒平;劉鈺;菅曉光;徐蔚青;;波長(zhǎng)型SPR檢測(cè)儀的靈敏度探討[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報(bào);2010年11期

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

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 黃子昊;點(diǎn)陣SPR成像傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[D];浙江大學(xué);2014年

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本文編號(hào)：267171