终端反射式光纤表面等离子共振传感器的研究及其应用

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表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)测量技术应用领域广泛,具有很高的研究价值和广阔的市场应用前景。由于传统的棱镜型SPR传感器体积较大,不便于仪器小型化,而光纤SPR传感器体积小便于系统集成,尤其是与微流控芯片结合进行测量;它具有抗电磁干扰和抗腐蚀特性,可以应用于特殊环境检测;响应快,可实现在线实时连续检测。本论文旨在研究设计一种基于终端反射式光纤的SPR传感器。本课题主要对终端反射式光纤SPR传感器模型、结构进行分析研究,并开展了葡萄糖浓度测量和油品鉴别实验,最后对SPR信号增强方法进行了初步研究。完成的主要工作包括:1.根据SPR共振原理和光纤导光理论,建立了终端反射式光纤传感器模型,对光纤传感器各项结构参数进行了仿真计算,确定最优化值:光纤纤芯直径600μm、传感区域长度15mm、铬膜厚度5nm、金膜厚度50nm。2.基于模拟分析结果,采用真空蒸镀方式进行终端反射式光纤传感器的加工制作。设计了一整套光纤圆周面和端面镀膜的夹持机构,确保镀膜均匀。阐明了圆周面控制膜厚的方法,最后通过电镜表征验证该膜厚控制方法的合理性。3.以终端反射式光纤SPR传感器为核心,搭建了一套测量系统,分别进行了葡萄糖浓度测量和油品的鉴别实验。实验结果显示,在人体血糖检测范围0~200mg/dL内SPR共振波长和葡萄糖浓度符合二次曲线关系,拟合度达到0.95581,在重复性测量中共振波长值较为稳定,最大误差1.1nm,最小达到0.2nm。在油品鉴别实验中,光纤SPR共振波长对于每种油品区分度较好,只是由于油品的挥发等因素造成一定的误差。4.初步研究了基于局域表面等离子共振的SPR信号增强方法,模拟分析了两种LSPR增强结构,确定其最优化参数,为后续的加工制备提供指导。采用化学溶液法制作了光纤纳米颗粒传感器,并对颗粒直径和排布进行了SEM表征。
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