从表面波的原理、测量技术分类及关键性技术等多方面进行论述,概括了基于全内反射、表面等离子体共振、石墨烯等多种光学表面波的折射率传感的历史发展,进一步探讨了表面波折射率传感成像的技术优点。研究表明表面波传感成像作为一种高精度定量化的无标记显微成像技术,在医学光学精准诊疗方面具有重要价值。

研究了一种基于马赫-曾德尔结构的相差表面等离子体共振(SPR)传感器系统。和传统的相位型SPR传感系统相比，该系统采用了p偏振光与s偏振光各自干涉后再相位相减来提取样品折射率信息的方法，从而显著降低了环境噪声的影响，提高了分辨率。系统最小可区分0.01°的相差，对应的分辨率为10-5RIU(折射率单位)。应用此系统进行了生物大分子结合反应的测量，分辨率可达每平方微米160个IgG分子。研究结果为表面等离子体共振传感器在生物医学的应用提供了一定的参考。

表面等离子体共振(SPR)生物传感器应用于生物大分子结合反应的实时测量时，为满足高通量检测的要求，SPR 传感器应具有宽场成像检测的能力。建立了适用于以马赫曾德尔结构为基础的差分干涉SPR成像系统，该结构能够有效降低环境噪声，并对其提取相差的算法进行研究。在信号光与参考光合束之后，通过沃拉斯顿棱镜将p光与s光分开，经透镜聚焦后进入CCD，通过互相关运算使两光斑对准，相位从p光与s光干涉光强的若干变化周期中提取，同时通过取平均减小噪声影响，进行点对点相减得到相变值，并以此方法进行扫描得到相变图。系统通过时间轴提取相位信息，不损失空间分辨率，每10秒探测1次数据，空间分辨率为31.25 μm×20.83 μm，折射率分辨率为10-5RIU。

分析了影响相位调制的表面等离子体共振(SPR)传感器灵敏度及动态范围的各种因素。搭建了差分干涉SPR相位检测系统, 使用matlab软件模拟了若干因素对该类传感器的灵敏度和动态范围的影响, 并使用3种厚度的金膜进行了实验验证, 同时实时测量了牛血清白蛋白与其抗体之间的反应过程。结果显示, 入射角度对于灵敏度和动态范围没有影响, 而入射光波长、所选金属的介电常数和金膜厚度这3个因素是起作用的。这3个因素中, 金膜厚度是比较重要且最易调节的一个。选定金膜后, 通过调节入射角和反应物浓度, 将抗原抗体反应导致的相位变化限制在系统的线性范围内进行了实时检测。结果表明, 对于波长为633 nm的光源, 在测量牛血清白蛋白与其抗体之间的反应过程中, 兼顾灵敏度和动态范围的最优金膜厚度为48 nm, 此时动态范围为0.013 6RIU, 灵敏度为6.67×10-7RIU/0.01°。