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自1990年世界上首台商业化表面等离子体共振(SPR)生物传感器问世以来,SPR传感技术以其高灵敏度、无需标记、可实时监测以及对待测物无损伤等特点成为近年来研究的热点,其应用已经渗透至生命科学、医疗检测、食品安全、环境监测等诸多领域。本论文介绍了表面等离子体共振传感技术发展历程,并对上世纪九十年代以来国内外SPR传感器的研究现状以及发展趋势做了概括。详细阐述了表面等离子体波的基本性质和满足等离子体共振的激发条件,列举了SPR传感器几种耦合结构,并对这些耦合方式的工作原理做了介绍。
SPR传感器具有波导型、光纤型、光栅型、棱镜型多种耦合结构。棱镜耦合结构的SPR传感器具有结构简单、易实现,且灵敏度高的优点,但其伺服系统复杂,传感器体积较大。光纤型SPR传感器可以做到小型化,同时可实现远距离检测,不足之处在于灵敏度不高。而光栅型结构由于数学模型的建立与理论计算复杂,并且要求被测样品必须透明,应用受到很大的限制。较之其他耦合结构,以聚合物为材料的波导耦合结构SPR传感器具有易实现、小型化、可集成等特点,受到广泛关注。
本论文将SU-8光刻胶作为芯层材料,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为下包层材料,设计了一款聚合物波导型SPR传感器。根据Drude模型和多层膜反射率计算方法对传感器金属种类与厚度的选择做了分析,详细讨论了芯层折射率变化对共振曲线的影响。理论分析结果表明,金属薄膜厚度对SPR共振曲线的锋锐程度、峰值深度产生较大影响,对共振峰位置影响较小。对于同一SPR传感器,在可测试范围内,被测物折射率越大,灵敏度越高;芯层折射率影响可检测范围,芯层折射率减小,共振峰向长波方向移动,检测范围整体向被测物折射率小的方向偏移。
本论文的实验部分主要包括聚合物波导型SPR传感芯片的制备以及传感测试平台的搭建两个部分。首先根据理论分析的结果设定了器件的参数,并通过光刻、溅射和反应离子刻蚀等一系列微电子工艺,制作了一款倒脊型结构的波导表面等离子体共振传感芯片,并对波导的形貌进行了表征。而后设计和搭建了波导型表面等离子体共振传感光学系统,获得了良好的通光效果。
本论文设计的聚合物波导型SPR传感芯片,可使用标准的微电子工艺在硅片上制作,在硅基器件的平面集成应用方面前景十分看好。该传感器具有易实现,易操作、取样少等特点,可应用于生物医疗、环境检测、食品安全等诸多领域。