基于纳米结构化修饰的光纤spr微传感器

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1、基于纳米结构化修饰的光纤SPR微传感器FiberSPRmicrosensormodifiedwithnanostructures工程领域：仪器仪表工程作者姓名：鲁冰玉指导教师：栗大超教授企业导师：赵丕城天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年六月万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中

2、作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据万方数据摘要人体血糖连续监测对糖尿病的诊断、治疗有重要意义。目前，市场上商用的血糖连续监测仪器普遍基于植入式酶电极

3、传感器。然而植入式酶电极传感器有两个缺陷：酶电极传感器的电信号易受到人体生物电的影响；酶与葡萄糖反应会消耗部分葡萄糖，这会使得低血糖检测不准确。表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)传感器可以克服这两个缺陷，但是传统SPR传感器体积大无法植入，能够使传感器小型化的光纤SPR微传感器又面临灵敏度不高的问题，因此需要对光纤SPR微传感器进行表面修饰，而光纤的微米级圆周表面又给表面修饰带来了挑战。本文设计了纳米结构化修饰的SPR光纤传感器，提出以超声处理传感器金膜表面，使其形成纳米结构，激发局域表面等离子体共

4、振(LocalSurfacePlasmonResonance,LSPR)效应，提高灵敏度；使用化学方法和液相转移方法分别将石墨烯氧化物和CVD石墨烯修饰于传感器表面以增强信号和提升灵敏度。本文所提出的修饰方法成功解决了光纤SPR传感器微米级圆周表面的修饰难题。本论文工作主要包括以下几个方面：(1)光纤SPR微传感器原理与灵敏度增强机制。阐述了SPR和LSPR的基本原理和二者之间的区别，阐述了超声粗糙化传感器表面以激发LSPR效应的机制，二维材料吸附葡萄糖分子和提升金属表面电子迁移率的机制。(2)光纤SPR微传感器设计与加工。提出传感器的结

5、构设计，根据相关计算模型，利用MATLAB对传感器的关键参数进行了仿真优化，确定了传感器的主要结构参数。详细描述了光纤上的镀膜工艺并和传感器封装过程。(3)光纤SPR微传感器的纳米结构化的修饰方法。利用超声空化效应对已完成镀膜的光纤传感器表面进行处理，在其表面构建纳米结构以激发LSPR，提升灵敏度；采用层层自组装方法和液相转移方法在传感器上分别修饰石墨烯氧化物和石墨烯，增强对葡萄糖分子的吸附，提升金表面的电子迁移率，提升灵敏度。(4)传感器的性能测试与评价。搭建了传感器测试系统，开展了超声处理时间、石墨烯氧化物层数、石墨烯层数优化等实验。

6、将优化之后的两种结构的传感器与空白对照传感器进行性能对比。实验结果表明，经过超声处理和石墨烯氧化物修饰的传感器灵敏度可达到2706nm/RIU(折射率单位)，线性度为0.86，是对照组灵敏度873nm/RIU的3倍，低于对照组的线性度0.92。经过超声处理和CVD石墨烯修饰的传感器灵敏度可达到3113nm/RIU，线性度为0.98，是对照组的3.6倍，线性度高于对照组。关键词：光纤传感器，表面等离子体共振，超声空化，石墨烯氧化物，石墨烯I万方数据II万方数据ABSTRACTNowadaysmostcontinuousglucosemoni

7、toringsystems,whichareessentialfordiabetestreatmentarebasedonimplantableenzymeelectrodes.However,enzymeelectrodesensorhasdisadvantagesofhypoglycemiainformationlossduetocurrentsignaldriftcausedbybioelectricityandirreversibleglucoseconsumptionduetoenzymecatalysis,whichcould

8、leadtoinaccuratemeasurement.ThefiberSPRsensorconstructedaflexibleandenzyme-freeopticalsystemtoov