提高平面光波导模式光谱生物传感器（OWLS）传感性能的研究

论文摘要

本文基于平面光波导理论,在简要介绍光波导模式光谱生物传感器(OWLS)的基础上,为提高其传感特性做了以下研究: 一、在分析经典消逝波光波导生物传感器的基础上,探讨用更为直观的截止特性来进行生化传感,分别对三层及四层平板波导进行了研究,指出了作为基于截止特性的生化传感器三层波导结构存在的局限性。在理论上研究了可以在四层波导中使用变折射率材料来进行基于截止特性的生物传感,并给出了由空气隙、极化聚合物、高折射率薄膜、待测物组成的传感器结构示意图。用数值分析的方法绘出了此装置的灵敏度与高折射率薄膜厚度的关系曲线并与经典消逝波传感器灵敏度相对比,结果表明这种新型的传感器理论上可以在较厚的薄膜结构中达到很高的灵敏度。 二、深入研究了反对称模光波导结构,采用精确公式,证明了反对称模光波导传感器比正对称模光波导传感器的灵敏度更高;为使反对称模光波导生物传感器能在测试的动态过程中始终保持高的灵敏度,提出了一套新的设计框架。首先提出用杜邦公司的折射率为1.29的Teflon AF树脂作为衬底,这种材料是目前有报道的一种折射率小于纯水折射率并有良好光学性质的物质。通过理论分析及计算,得出了在已定波导层材料下的最大可测覆盖层折射率及导波层制造精度。及在己定最大可测覆盖层折射率情况下,确定了最小可用的波导层折射率及波导层制造精度。通过计算机模拟,给出了两个范例。所有设计都可使传感器的动态测试过程中保持灵敏度在0.2到0.9之间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概论
• 1.1 现代生物科学仪器的发展现状与趋势
• 1.2 典型的光学生物仪器
• 1.2.1 光谱仪
• 1.2.2 激光扫描共聚焦显微镜系统
• 1.2.3 光学生物传感器
• 1.2.3.1 简介
• 1.2.3.2 OB的性能评价
• 1.2.3.3 OWLS的现状及发展
• 1.3 本论文的工作
• 第二章：介质平面波导基础理论
• 2.1 引言
• 2.2 平面波导的线光学模型
• 2.2.1 平面波导的模式
• 2.2.2 平面波导的导模
• 2.2.3 古斯—汉欣（Goos-Hanchen）位移和波导有效厚度
• 2.3 平面波导的电磁理论
• 2.3.1 麦克斯韦方程和边界条件
• 2.3.2 平面波导的波动方程
• 2.3.3 模式的定性分析
• 2.3.4 TE导模
• 2.3.5 TM导模
• 2.4 四层非对称平面波导
• 2.5 本章小节
• 第三章：基于消逝波的OWLS与基于截止厚度的新型传感器的研究
• 3.1 基于消逝波的OWLS结构、原理
• 3.1.1 基于消逝波的OWLS结构
• 3.1.2 测试的生物学原理
• 3.1.3 基于消逝波的测试方法
• 3.1.4 OWLS光学部分的数学模型
• 3.1.5 OWLS的性能评价指标
• 3.2 OWLS基于截止厚度的新测试方法的研究
• 3.2.1 截止厚度的定义
• 3.2.2 正对称模、反对称模、对称模和它们的截止厚度
• 3.2.3 利用三层平板波导中导波在特定情况下截止的性质进行传感的技术性探讨
• 3.2.4 四层平板波导中导波截止分析
• 3.2.5 四层波导用作生化传感器应用讨论
• 3.3 灵敏度分析
• 3.4 本章小结
• 第四章：反对称模式OWLS的特性研究及设计
• 4.1 正、反对称模生化传感器特性对照
• 4.2 反对称模的衬底
• 4.3 动态设计过程
• 4.3.1 波导材料已定时的设计
• 4.3.2 可测覆盖层折射率范围已定时的设计
• 4.3.3 设计示例
• 4.4 本章小结
• 第五章：总结及今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢