基于回音壁模式的微盘谐振腔生物传感特性研究

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1、摘要摘要随着近年来光学传感技术的发展，无标记光学生物传感器因其具有无需荧光标记、灵敏度高、结构紧凑、集成成本低等优点，逐渐成为光学传感研究的主流。本文旨在实现高性能的无标记光学生物传感器，设计了一种基于回音壁模式的微盘形光学生物传感结构，然后对其生物传感特性进行了深入研究分析，并设计出一种新型的微流体递送通道。本论文的工作从以下几个方面展开：首先，利用FDTD方法设计了一种基于回音壁模式的微盘谐振腔传感结构。并优化实现了较高的传感性能。在此基础上，提出了两种对称和非对称的缺陷微盘谐振腔结构，研究了缺陷尺寸和缺陷位置对微盘各阶谐振模式的影响。随后分析了微盘边缘粗糙损耗对

2、谐振模式的影响，通过FDTD仿真，观察到了谐振模式的分裂。接着对微盘与直波导的耦合器进行研究，分析了波导耦合理论，研究了波导曲率与耦合系数的关系。本文还提出了两种新型内嵌微盘结构的谐振腔模型，并以此实现了对工作波长的筛选。其次，从表面分子吸附和体折射率传感的角度，实现了对回音壁微盘生物传感特性的分析。详细剖析了折射率传感原理，具体研究了折射率传感的两种形式：体折射率传感和表面吸附传感。通过体折射率传感的FDTD仿真，确定了最佳传感波长、计算出了微盘传感器的灵敏度和探测极限。在表面传感分析中，详细阐述了微盘表面的分子吸附原理，并基于Comsol对表面分子吸附进行了仿真研

3、究，实现了生物传感中分子吸附与淬灭的反应过程。通过对表面吸附传感响应的仿真，探测到了分子层级别的折射率扰动，有效验证了微盘传感器生物传感性能。最后，为了消除外部干扰，设计了一种差分双微盘结构的传感器。从干扰来源考虑，将两个参考盘和传感盘在单直波导上级联，以达到消除共模干扰信号的目的。基于FDTD法对差分双微盘进行传感仿真，得出了消除干扰的差分修正量。并对微盘传感器的灵敏度进行了差分修正。接着利用有限元法，仿真了差分双盘表面的分子吸附作用。并对表面分子吸附的传感响应进行了差分修正。此外，为了探究流体通道集成的微盘传感器，设计了一种可供待测液传递的X形微通道结构。分析了待

4、测液体的对流理论，并对通道内的待测液流动以及分子浓度扩散过程进行了仿真分析，得到了集成流体通道设计的优化参数，最后，提出了微盘传感器和X形流体通道集成阵列的构想，为后续工作做好铺垫。关键词：无标记生物传感器，回音壁模式，微盘传感特性，差分传感，流体通道IABSTRACTABSTRACTRecently,withthedevelopmentofopticalsensingtechnology,label-freeopticalbiosensorisbecomingmainstreamofopticalsensingresearch,becauseofitsspecial

5、advantagesofdispensationfromfluorescentlabeling,highsensitivity,compactstructureandlowcostinintegration.Thisarticleaimstoachievehigh-performanceopticallabel-freebiosensor,wehavedesignedamicrodisk-shapedopticalbiosensorwhichisbasedonwhisperinggallerymode,andcarriedoutresearchandanalysiso

6、fitsbiologicalsensingproperties.Thispapermainlyincludesthefollowingseveralaspects:Firstly,wedesignamicrodiskresonatorsensorwhichisbasedonwhisperinggallerymodebyusingFDTDmethod.Onthisbasis,weproposetwosymmetricandasymmetricdefectmicrodiskresonatorstructure,byFDTDsimulation,theinfluenceof

7、microdiskroughedgesLossonresonantmodesisanalyzed.Then,wealsostudiedtherelationshipbetweenthecurvatureofthewaveguideandcouplingcoefficient.Inthisthesis,twonovelstructuresofembeddedmicrodiskresonatorarepresented,themodelisusedtoselecttheoperatingwavelength.Secondly,thebiosensingp