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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 光纤表面等离子体波共振传感系统及应用研究 姓名：胡耀明 申请学位级别：硕士 专业：仪器科学与技术（智能监测与控制） 指导教师：梁大开 20080101 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 光纤 SPR 传感器是一种将光纤纤芯作为激发 SPR 效应基体的新型传感器。 这种传感器不仅具有 SPR 高灵敏度的特点，而且发挥了光纤本身的诸多优点， 如体积小及可远程遥测等，可推广应用于诸如基因突变检测、生物分子反应动力 学测定、结构与活性研究和核酸研究以及工业废水废气监控等众多领域。 首先，本文对光纤 SPR 传感器的结构及工作原理进行了研究，讨论了光纤 探头芯径、
2、探头长度，金属膜厚度等系统参数对光强反射率的影响，为基于反射 光强度调制的光纤 SPR 传感器系统的研制提供了理论依据。 其次，针对表面等离子体共振效应及其强度调制原理，设计出一套基于共振 光强度调制技术的光纤表面等离子体传感器系统， 通过 Labview 直观的图形化界 面对共振信号进行采集。利用此系统针对不同折射率的溶液进行测试，得到光强 与折射率关系，为进一步扩展光纤 SPR 传感器的应用和仪器的小型化提供了参 考。 最后，根据共振波长随金属/溶液界面折射指数而变化，研制出一种基于表 面等离子体共振技术的光纤生物传感器。 并且利用分子自组装技术将 5端巯基修 饰的寡核苷酸固定在探头金膜表
3、面。构建了可识别特定序列的光纤 SPR 核酸生 物传感器，并将其用于寡核苷酸探针的杂交实验。 关键词：表面等离子体共振，强度调制，折射率，光纤生物传感器，生化检测 光纤表面等离子体波共振传感系统及应用研究 II ABSTRACT An optical-fiber sensor based on surface plasmon resonance (SPR) effect is a novel sensor which surface plasmons are optically excited base on optical fiber core. This design possesses
4、not only the characteristic of high sensitivity of SPR, but also many advantages of optical fiber, e.g,small size and suitable for remote telemetering,it may be a useful sensor device in many areas, especially in gene mutation detection, biological determination of molecular reaction dynamics, the r
5、esearch of structure and activity, nucleic acid research and industrial wastewater emission control and so on. Firstly, the configuration design of optical fiber SPR sensor system and principle of light Intensity modulation are discussed in detail. The factors which affect light reflectivities are a
6、nalyzed, such as the fibers their diameters, length, metallic film thickness. The analytical results provided the theory foundation for making the optical fiber SPR sensor system based on reflect light intensity modulation. Secondly, Through making the optical fiber SPR sensor system based on reflec
7、t light intensity modulation, singles from electrical measurement are acquired based on visible interface of Labview. Using it, the relationship between refractive index and light intensity are analyzed by measuring different refractive index of liquid mediums. Thereby, provided support to instrumen
8、t miniaturization. Finally, Resonant wavelength changes when refractive index changes between metal and solution. According to this theory, a novel optic-fiber biosensor based on surface plasmon resonance (SPR) is made and developed. Thiolated oligonucleotide is immobilized on the surface of gold-fi
9、lm probe with self-assembly. A novel optical fiber SPR nucleic acid biosensor which can recognize special pilot sequence is developed. And it is also used to hybridization experiment of oligonucleotide probe. Keywords: surface Plasmon resonance, Intensity modulation, refractive index, fiber-optic Bi
10、osensor, biochemical detection 南京航空航天大学硕士学位论文 3 图表目录 图 1.1 棱镜耦合模型.3 图 1.2 光栅耦合.4 图 1.3 光波导耦合.4 图 1.4 测量方式的原理图.6 图 2.1 倏逝波场示意图.8 图 2.2 (a)TE 波 (b)TM 波入射至单一界面处的电场及磁场方向10 图 2.3 金属薄膜界面.13 图 2.4 非辐射表面等离子体波的色散曲线.13 图 2.5 SPW 传播和 m 、 d 示意图.14 图 2.6 表面等离子体波的色散曲线.15 图 2.7 棱镜 Kretschmann 模型结构.15 图 2.8 TM 波入射至
11、三层结构界面处的电场及磁场方向.17 图 3.1 (a) 子午光线在光纤中传播路线 (b)空间光线在光纤中传播路线 20 图 3.2 在线式光纤表面等离子体波传感器.21 图 3.3 终端反射式光纤 SPR 传感器 .22 图 3.4 终端反射型光纤 SPR 传感器结构 .22 图 3.5 光强反射率与入射角和金膜厚的关系曲线.24 图 3.6 反射率与金膜厚度 d2和介质折射率 n3的关系.25 图 3.7 不同探头芯径的理论光强反射率.26 图 3.8 不同探头长度的理论光强反射率.26 图 3.9 不同金属膜层厚度的理论 SPR 光谱 .27 图 3.10 光纤 SPR 传感器的归一化光
12、强 .27 图 4.1 检测系统总体模块结构图.29 图 4.2 光纤 SPR 传感器制备过程 .30 图 4.3 蒸发炉内结构.30 图 4.4 光纤 SPR 探头 .30 图 4.5 HL-2000 的光谱输出31 图 4.6 Y 型光纤耦合器结构示意图和实物照片32 图 4.7 USB2000 型光纤光谱仪.32 图 4.8 光电信号转换简易电路图.33 图 4.9 程序流程图.35 图 4.10 操作界面.36 光纤表面等离子体波共振传感系统及应用研究 4 图 4.11 程序框图.36 图 4.12 波长调制模式下不同浓度的绝对反射光谱.37 图 4.13 强度调制模式下不同浓度的响应
13、曲线.38 图 4.14 波长调制模式下不同试剂的绝对反射光谱.38 图 4.15 强度调制模式下不同试剂的响应曲线.39 图 4.16 实验数据点和拟合曲线.39 图 5.1 SPR 生物传感器原理示意图 43 图 5.2 表面等离子体波共振光纤生物传感器探头结构.44 图 5.3 光纤表面等离子体波检测系统.44 图 5.4 反应原理图46 图 5.5 探头经过处理后的 SPR 响应图 .48 图 5.6 不同时刻自组装的 SPR 共振波长 .49 图 5.7 寡核苷酸在金膜表面吸附的动力学曲线.49 图 5.8 寡核核酸杂交动力学曲线.50 表 1.1 角度、波长和强度检测型 SPR 传
14、感器灵敏度和分辨率的比较 .5 表 4.1 常见宽带光源.31 表 4.2 YSPD618 型同轴探测器技术指标 .33 表 4.3 DAQ6024 性能参数.34 表 4.4 不同配比乙二醇溶液折射率.37 表 4.5 不同类型化学试剂及空气的折射率.38 表 5.1 生物功能物质的固定化方法45 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有
15、权保留送交论文的复印件， 允 许论文被查阅和借阅,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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 1900年，Wood发现光波通过光栅后，光谱发生了小区域损失，这是关于表 面等离子体共振 （surface Plasmon resonance, SPR） 这一电磁场效应的最早记载1。 1941年，Fano2根据金属和空气界面上表面电磁波的激发解释了这一现象。随后 有人提出体积等离子体子的概念，认为这是金属中体积电子密度
16、的一种纵向波 动。Ritchie3注意到，当高能电子通过金属薄片时，不仅在体积等离子体子频率 处有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关4。1958年，Turbader首先对 金属薄膜采用光的全反射激励的方法，观察SPR现象5。1960年，Sern和Farrell6 首次提出了表面等离子体波（suface Plasmon wave ,SPW）的概念。 1968年，德国物理学者Otto研究认为表面等离子体波共振效应实际上是光学 全反射的一种现象既衰减全反射 （Attenuate Total Reflection, ATR） ， 据此给出SPR 激发条件并设计了以棱镜为基体的Otto模型7。1971年，另一位德国物理学者 Kretschmann采用将几十纳米厚的金属薄膜直接覆盖在棱镜底部的设计即 Kretschmann模型，实现了SPR效应激发8。该模型的加工和使用较Otto模型均更 为方便实用，因而也为表面等离子体波传感器的深入研究与应用奠定了基础。 Liederg9等于1983年首次将表面等离子体共振技术用于
