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终端反射式光纤表面等离子共振传感器的研究及其应用

作　者: 朱芮
导　师: 栗大超
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 终端反射光纤表面等离子共振局域表面等离子共振葡萄糖测量油品鉴别
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）测量技术应用领域广泛，具有很高的研究价值和广阔的市场应用前景。由于传统的棱镜型SPR传感器体积较大，不便于仪器小型化，而光纤SPR传感器体积小便于系统集成，尤其是与微流控芯片结合进行测量；它具有抗电磁干扰和抗腐蚀特性，可以应用于特殊环境检测；响应快，可实现在线实时连续检测。本论文旨在研究设计一种基于终端反射式光纤的SPR传感器。本课题主要对终端反射式光纤SPR传感器模型、结构进行分析研究，并开展了葡萄糖浓度测量和油品鉴别实验，最后对SPR信号增强方法进行了初步研究。完成的主要工作包括：1.根据SPR共振原理和光纤导光理论，建立了终端反射式光纤传感器模型，对光纤传感器各项结构参数进行了仿真计算，确定最优化值：光纤纤芯直径600μm、传感区域长度15mm、铬膜厚度5nm、金膜厚度50nm。2.基于模拟分析结果，采用真空蒸镀方式进行终端反射式光纤传感器的加工制作。设计了一整套光纤圆周面和端面镀膜的夹持机构，确保镀膜均匀。阐明了圆周面控制膜厚的方法，最后通过电镜表征验证该膜厚控制方法的合理性。3.以终端反射式光纤SPR传感器为核心，搭建了一套测量系统，分别进行了葡萄糖浓度测量和油品的鉴别实验。实验结果显示，在人体血糖检测范围0~200mg/dL内SPR共振波长和葡萄糖浓度符合二次曲线关系，拟合度达到0.95581，在重复性测量中共振波长值较为稳定，最大误差1.1nm，最小达到0.2nm。在油品鉴别实验中，光纤SPR共振波长对于每种油品区分度较好，只是由于油品的挥发等因素造成一定的误差。4.初步研究了基于局域表面等离子共振的SPR信号增强方法，模拟分析了两种LSPR增强结构，确定其最优化参数，为后续的加工制备提供指导。采用化学溶液法制作了光纤纳米颗粒传感器，并对颗粒直径和排布进行了SEM表征。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-17
  1.1 表面等离子共振技术  9-11
    1.1.1 表面等离子共振技术的发展  9-10
    1.1.2 表面等离子共振技术的应用  10-11
  1.2 光纤 SPR 传感器的研究现状  11-13
  1.3 表面等离子共振信号增强方法的研究现状  13-16
  1.4 选题的意义和论文完成的主要工作  16-17
第二章表面等离子共振的测量理论  17-26
  2.1 金属表面等离子体波和倏逝场理论  17-18
  2.2 表面等离子共振的产生  18-20
  2.3 表面等离子共振系统的结构分类  20-25
    2.3.1 表面等离子共振系统的调制方式  20-22
    2.3.2 表面等离子共振系统的结构类型  22-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章终端反射式光纤传感器的设计仿真  26-32
  3.1 终端反射式光纤传感器参数的理论计算  26-27
  3.2 终端反射式光纤纤芯直径的影响  27-28
  3.3 终端反射式光纤传感区域长度的影响  28-29
  3.4 终端反射式光纤铬层厚度的影响  29-30
  3.5 终端反射式光纤金膜厚度的影响  30
  3.6 外部介质对传感器的影响  30-31
  3.7 本章小结  31-32
第四章终端反射式光纤传感器的加工工艺  32-39
  4.1 加工前光纤的准备工作  32
  4.2 光纤镀膜夹具的设计  32-34
  4.3 光纤传感器的圆周面和端面镀膜  34-38
    4.3.1 真空镀膜的方法  34-35
    4.3.2 圆周面和端面的镀膜过程  35-38
  4.4 本章小结  38-39
第五章终端反射式光纤 SPR 传感器的应用  39-50
  5.1 光纤 SPR 传感器在葡萄糖浓度测量和油品鉴别中的意义  39-40
  5.2 测量系统  40-42
    5.2.1 终端反射式光纤探头  41
    5.2.2 光源  41
    5.2.3 传导光纤  41
    5.2.4 Y 型耦合器  41
    5.2.5 光谱仪  41-42
  5.3 终端反射式光纤传感器葡萄糖浓度的测量  42-45
    5.3.1 实验过程  42-43
    5.3.2 实验分析  43-45
  5.4 终端反射式光纤传感器油品的鉴别实验  45-49
    5.4.1 单油品的鉴别  45-47
    5.4.2 混合油品的鉴别  47-49
  5.5 本章小结  49-50
第六章基于局域表面等离子共振的 SPR 信号增强方法  50-70
  6.1 局域表面等离子共振的产生和分析模型  50-53
    6.1.1 局域表面等离子共振的产生  50-53
    6.1.2 等效折射率法  53
  6.2 无金膜耦合纳米颗粒型 LSPR 的模拟仿真  53-58
    6.2.1 颗粒直径的影响  54-55
    6.2.2 占空比的影响  55-58
  6.3 金膜耦合纳米颗粒型 LSPR 的模拟仿真  58-63
    6.3.1 颗粒直径的影响  58-59
    6.3.2 占空比的影响  59-61
    6.3.3 金膜厚度的影响  61-63
  6.4 两种颗粒型结构和普通光纤 SPR 的比较  63-64
  6.5 终端反射式光纤传感器纳米颗粒制备及其生长方法  64-69
    6.5.1 试剂器材及光纤传感器的准备  65-66
    6.5.2 制备生长过程  66-67
    6.5.3 纳米颗粒的评价  67-69
  6.6 本章小结  69-70
第七章总结与展望  70-72
参考文献  72-78
发表论文和参加科研情况说明  78-79
致谢  79

终端反射式光纤表面等离子共振传感器的研究及其应用

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