基于波长检测的多孔薄膜增敏SPR及多孔光波导共振传感器研究

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1、作者姓名：指导教师：学位类别：学科专业：研究所：中国科学院大学UniversjtyofChineseAcademyofSciences博士学位论文垂王遮益捡捌的墨丑堕腿埴筮S￡B丛墨丑堂越昱基亟篮璧墨班窒丞菡iE盔差班基茧王望蝗±蛔墨生王堂主国整堂医里王堂班嚣压2013年5月舢舢ⅧⅢⅢ00川洲1㈣舢Y2382164By【ZheZhang】ADissertationSubmittedtoTheUniVersi锣ofChineseAcademyofSciencesInpartialfulnllmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhysicaIEl

2、ectronicsInstituteofEIectronicsChineseAcademyofSciencesMay'2013研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：掀锸日期：为易．土扣关于学位论文使用权的说明本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文

3、的规定，其中包括：①电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复制并保存学位论文；③电子所可允许学位论文被查阅或借阅；④电子所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤电子所可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签名：导师签名：日期：如A上专驴日期：)o吸上写。摘要摘要常规SPR传感器灵敏度不足，仅适合探测DNA、蛋白质等生物大分子而不能直接探测小分子，然而现实生活中常见的有毒有害物质如农药、氰化物、TNT、三聚氰胺、亚硝酸盐、重金属离子、氨氮、挥发性有机化合物、易燃易爆气体等均为小分子，严重影响着空气、

4、水体以及食品安全。因此，研究开发能够探测小分子的SPR传感器具有重要的实际应用价值。本文从SPR消逝场传感原理出发，提出利用纳米多孔薄膜扩展消逝场与小分子靶标的作用深度，从而增大SPR对小分子灵敏度。主要研究内容包括：(1)设计搭建了结构紧凑、入射角灵活可调，可精确定位起始角，线偏振宽带平行光束入射的衰减全反射光学测量平台，为开展实验研究奠定了基础。(2)融合波导理论、菲涅耳公式和BmggemaIl介电常数近似方程，建立了多层膜SPR传感器仿真算法，为优化多孔膜增敏的SPR芯片提供了手段。(3)采用分子模板法制备了Si02介孔薄膜覆层的SPR芯片，测试了芯片在可见及近红外波段对氨基酸、表面活

5、性剂、重金属离子等小分子的敏感特性。实验结果指出70m厚的Si02介孔薄膜可使SPR灵敏度提高6至8倍；仿真结果进一步指出当Si02介孔薄膜厚度大于600IlIll时，SPR对小分子的灵敏度将达到极大值而对大分子的灵敏度将趋于零。(4)提出溅射腐蚀两步法制备数纳米至数十纳米厚的纳米多孔金薄膜，克服了相关研究工作中所采用市售金银合金箔片制备纳米多孔金膜时厚度不可调控的缺点。优化制备的纳米多孔金膜SPR芯片对L．谷胱甘肽的灵敏度是常规SPR传感器的7倍，对L．半胱氨酸的检测下限达1IlIll01／L。(5)首次制备出低成本金银合金薄膜SPR芯片，其共振波长灵敏度比常规SPR芯片高出至少2倍。(6

6、)采用浸渍提拉法从Ti02纳米粒子悬浮液中制备出Ti02纳米多孔薄膜光波导芯片，对芯片的导模共振传感特性进行了测试和仿真，获得了Ti02纳米多孔薄膜多孔度及吸附分子的体积分数。基于波长检测的多孔薄膜增敏SPR及多孔光波导共振传感器研究关键词：表面等离子体共振，光波导共振，纳米多孔薄膜，金银合金薄膜，灵敏度，小分子IIAbs廿actAbstractConVentionalSPRsensorsaresuitablefordetectingbigbiomoleculessuchasDNAalldproteinsandtheycallllotdirectlydetectsmallmoleculesd

7、uetoinsu伍cientsensitiVi何HowtomakeaSPRsensortllatisresponsive011lytosmaJlmolecules?Suchdilemmahascurrently撇tedconsiderableattention．AimingtosolVethisdilemma，weproposedintheworktousenanoporousthinfilmstoenhan