传统表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感器灵敏度不高,无法实现对痕量生物标志物的高灵敏检测。然而对肿瘤等恶性疾病的早期阶段,其肿瘤标志物的浓度水平往往极低,因此亟需开发一种可有效检出痕量肿瘤标志物的新型SPR传感器。本文从石墨烯自身优势出发,将石墨烯薄膜用于SPR传感芯片,结合免疫分析方法,提出基于单层石墨烯覆膜增敏的SPR传感方法(Signal-layer graphene based SPR,SLG-SPR)。在SLG-SPR基础上,再次引入金纳米颗粒(Gold nanoparticles,Au NPs),通过以夹心免疫结构作为其载体,在检测的过程中将Au NPs的局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)效应展现,进一步增强SPR信号。最后,建立多层结构的SPR传感检测模型,提出多层结构SPR传感检测分析算法,对传感模型进行进一步完善与评估。本文的主要研究内容如下:(1)设计基于单层石墨烯增敏的SPR传感芯片,结合夹心免疫放大检测方法,对心血管疾病的生物标志物C反应蛋白(C-reaction protein,CRP)进行定量检测,确定最低检测限为5 pg/m L,且检测灵敏度是相同条件下使用传统金膜SPR(Au-SPR)传感器检测灵敏度的3.93倍。(2)对检测方法进行创新,提出采用Au NPs进一步动态增强SLG-SPR传感灵敏性的检测方法,对前列腺癌特异抗原标志物(Prostate specific antigen,PSA)进行定量检测,灵敏度是直接采用SLG-SPR检测方法的1.88倍。同时得到其最低检测限为5 pg/m L,相较于相同条件传统Au-SPR生物传感器检测得到的最低检测限(500 pg/m L),降低了2个数量级。(3)创新性的构建了多层结构的SPR传感检测模型,采集并进行数据处理,创建了包含大量光谱信息的SPR数据集,结合菲涅尔方程和布拉格曼等效折射率公式,编写了多层结构SPR传感检测分析算法,为SPR传感检测模型的建立、完善和评估提供了理论依据和应用保障。(4)利用多层结构SPR传感检测分析算法完成了对SPR传感检测模型的理论仿真和数值分析,并通过训练模型和参数调优完成对SPR传感检测模型的评估与优化,得到新型SLG-SPR传感器的灵敏度特性,进一步研究了分子吸附参数与分子体积占比的关系,并对动态消逝场增强效应的原理进行验证。