[00865535]光栅连接的SPR传感实现生物量超快、长距离检测及湿度监测的应用研究

传统生物传感器很难对生物分子相互作用进行动态实时检测，而X射线光电子光谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)及次级离子质谱(SIMS)等技术存在设备复杂庞大、费用昂贵、实验条件苛刻等问题，另一些常用技术如荧光免疫测定需要标记，过程复杂，测试时间长。表面等离子共振(Surface plasmon resonance，SPR)传感器将生物学识别机制与光电装置相结合，把生物信号转化为光电信号，非常适合于对生物分子相互作用进行动态实时研究。SPR传感器已成为生物分子实时观测的主流技术手段和生物分子相互作用的重要检测工具。在大量的SPR生物量传感应用研究中采用的是波长指示型SPR传感器，特别是采用光谱仪直接扫描光谱进行解调的方案。这一方案光路简单，稳定性好；灵敏度不依赖于样品特征；适用于长时间大动态范围实验。典型工作的灵敏度达到200nmRIU-1。另一方面，其灵敏度受限于光谱仪分辨率；灵敏度与动态范围间存在制约关系；光谱仪的扫描时间较长，限制了其应用于反应动力学测量的能力。与之相比较，强度指示型方案解调速度更快，并可能获得更高的灵敏度。但对于固定波长的光强测量而言，样品光谱的大范围移动会导致灵敏度降低，因此只适用于存在性检测等动态范围小的领域。而角度指示型SPR传感器为提高精度，其耦合光路往往较复杂，且需要更多的后续处理，测量范围也受光路设计的影响。对于测量灵敏度、响应速度、动态范围同时有要求的应用领域，如化学反应动力学参数测量，尚缺乏针对性的系统设计。该项目研究的SPR传感系统通过优化光学结构设计和数据处理方法实现参数测量和湿度传感，具备了重要的科学意义和广泛的应用前景。 该项目研究主要完成内容：(1)设计金属纳米粒子增强的光栅式输入输出的SPR结构，确定结构参数。结构设计的要求包括：通过数值仿真得到器件的反射光谱与浓度变化的关系；确定针对待测的生物分子类型。(2)依据纳米粒子增强SPR设计要求，制定制作工艺路线，完成SPR器件的实验样品制作。(3)数值分析SiO₂薄膜的有效折射率随湿度变化关系，得到共振角与湿度变化对照数据库，完成SiO₂薄膜纳米粒子增强SPR传感器制作；制作光纤光栅连接的长距离传感增强SPR湿度传感系统，实现特殊条件下的湿度测试应用。 该项目研究达到预期目标，该项目难点在于湿度传感应用部分，寻找合适感湿材料的过程为今后开发更多表面等离子传感器提供了参考性经验。