实时宽谱光子晶体生物传感器的研究

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1、硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION论文题目实时宽谱光子晶体生物传感器的研究作者姓名苑海川学科专业检测技术与自动化装置指导教师童凯教授2016年5月中图分类号：O433.4学校代码：10216UDC：621.3密级：公开工学硕士学位论文实时宽谱光子晶体生物传感器的研究硕士研究生：苑海川导师：童凯教授申请学位：工学硕士学科专业：检测技术与自动化装置所在单位：电气工程学院答辩日期：2016年5月授予学位单位：燕山大学ADissertationinDetectionTechnologyan

2、dAutomaticEquipmentRealTimeAndWideBandPhotonicCrystalBiosensorByYuanHaichuanSupervisor:ProfessorTongKaiYanshanUniversityMay,2016燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《实时宽谱光子晶体生物传感器的研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研

3、究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日燕山大学硕士学位论文使用授权书《实时宽谱光子晶体生物传感器的研究》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可

4、以公布论文的全部或部分内容。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上相应方框内打―√‖）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要摘要随着医疗卫生问题的凸显，对快速、准确、便捷的传感检测技术的要求也更加迫切。光子晶体生物传感器，能够通过纳米尺度的度量并结合光谱分析来表征生物分子量级发生的变化，受到业界极大关注。本文提出了一种基于硅材质二维三角晶格光子晶体的生物传感器，能够实时监测待测物的浓度变化，具备易用、重用、快速实时等特点。根据推导得出的反射模型优化了二维光子晶体

5、的结构参数，并设计了制备工艺流程。设计并实施了葡萄糖溶液检测实验，对生物传感器的性能进行了验证。进而提出了一种宽谱寻峰算法，对实验得出的光谱数据进行处理，利用此算法能够实时、准确且自动的测量底物的浓度。首先，根据麦克斯韦方程组推导出二维光子晶体的主方程，基于此研究了简单晶格二维光子晶体和波导光子晶体的能带结构；利用严格耦合波法(RCWA)推导出光子晶体结构的反射模型。其次，根据理论模型，研究了晶格周期、占空比等结构参数对生物传感器特性的影响，并结合现有的纳米材料制作工艺水平，确定出二维光子晶体生物传

6、感器的结构参数，并对该结构进行理论仿真分析。设计工艺流程制作了二维光子晶体模板，通过扫描电子显微进行了形貌特征的鉴定，同时利用光谱成像系统对其光学性能进行验证。最后，搭建了二维光子晶体生物传感器光谱成像测试系统平台。设计并实施了测量实验，获得不同浓度的葡萄糖溶液在生物传感器中的宽谱反射光谱。将得到的实验光谱数据整理分析，并与理论模型比较，同样对浓度变换有线性反映。结合平滑滤波、希尔伯特变换以及高斯拟合，提出了一种自动快速寻峰的算法，为光子晶体生物传感器的实际应用，探索了便捷可行的方案。关键词：光子晶

7、体；生物传感器；成像系统；光谱采集；光谱寻峰-I-燕山大学工学硕士学位论文AbstractWiththeimprovementofmedicalandhealthissues,therequirementsforfast,accurateandconvenientdetectiontechnologyaremoreurgent.Photoniccrystalbiosensors，whichcanreflectchangesofbiologicalmolecularweightbynanoscalem

8、easurementandspectralanalysis,haveattractedalotofattention.Thispaperpresentsanewmodelofbiosensor,basedontwo-dimensionaltriangularlatticephotoniccrystalwhichismadeofsilicon.Thismodelisabletomonitorthechangeoftheconcentrationoftheanalytei