本文设计了一种单端面长周期光栅透射模式折射率传感器。首先, 将2×2单模光纤耦合器输入端的一个光纤接头与光源相连接、输出端的两个光纤接头分别与光谱分析仪和长周期光栅的一个光纤接头相连接。然后, 在包含长周期光栅的光纤另一个端面溅射反射银膜。最后, 以一系列不同折射率的甘油水溶液为待测液体介质研究了直接透射模式与单端面镀银膜模式下长周期光栅的响应光谱的异同。实验结果表明: 单端面镀银膜的长周期光栅的响应光谱仍然以透射谱的形式出现。对于同一种液体, 单端面镀银膜的长周期光栅与直接透射模式的长周期光栅的响应光谱有着近乎相同的谐振波长值, 但它们的光损耗存在一定的差异。在0~80%的甘油溶液中, 直接透射模式下的光损耗从-1292 dB变为-1628 dB, 再逐渐变到-1322 dB; 单端面镀银膜模式下的光损耗从-1313 dB变为-1374 dB, 再逐渐变到-1145 dB。与直接透射模式相比, 单端面镀银膜的长周期光栅的相对光损耗与甘油浓度的线性关系更加良好。本研究设计的长周期光栅测量系统采用单端面探头的方式检测环境介质, 因而在测量中操作更加灵活方便, 非常适合于远距离、恶劣环境或深层液体环境中的折射率测量。

纳米金属颗粒及其与金属膜的耦合结构具有比单元结构更优越的物理性质。为了给实验研究纳米银立方体和银膜耦合结构在传感中的应用提供理论依据, 运用FDTD方法数值分析了纳米银立方体与银膜耦合体系在波长为514.5 nm的激光激发下的电场性质。结果表明, 耦合结构的电场分布与纳米银立方体的大小、及其与银膜间的介质层厚度有关; 纳米银立方体与银膜耦合结构局域电场比纳米银立方体的局域电场强; 当其间没有介质层时, 局域电场主要分布在纳米银立方体的上表面顶点; 当有介质层时, 局域电场会有部分转向高折射率介质层中。因此, 可根据需要, 通过调控纳米银立方体的大小及其与银膜间的介质厚度来获得理想的局域电场。

为了实现长周期光栅透射谱测量模式的远距离监测, 设计了单端面镀反射膜的测量装置系统, 对单端面镀银膜长周期光栅的传感原理做了分析,并从实验的角度分别对单端面镀银膜模式系统和直接透射模式系统的长周期光栅在不同折射率的环境介质中的响应进行了研究, 比较了它们的异同。首先, 采用2×2单模光纤耦合器分别连接光谱分析仪、光源、长周期光栅。然后, 在包含长周期光栅的光纤的另一个端面制备反射银膜。最后, 通过测量一系列不同折射率的环境介质, 比较了直接透射模式与单端面镀银膜模式下的长周期光栅的响应光谱。实验结果表明: 采用波长解调表达时, 对于同一种环境介质, 两种模式下长周期光栅的响应光谱的谐振波长基本相同; 采用功率/峰值解调表达时, 随着甘油浓度从水变为80%的甘油溶液, 直接透射模式下的光损耗从-6.05 dB变为-9.22 dB, 单端面镀银膜模式下的光损耗从-8.03 dB变为-11.33 dB。与直接透射模式相比, 单端面镀银膜的长周期光栅光谱中的相对光损耗明显增加, 谐振峰更尖锐, 更有利于谐振波长和谐振峰光损耗值的识别。本研究设计的单端面镀银膜的长周期光栅测量系统不仅保留了长周期光栅透射谱的感应模式, 而且使长周期光栅在对环境介质的测量中操作更加灵活方便, 尤其是在远距离、恶劣环境或深层液体的折射率测量中具有独特的优势。

采用重复性及生物兼容性较好的二维纳米银膜作为氧合血红蛋白表面增强拉曼散射光谱的(SERS)基底, 利用具有较好匹配的近红外激光作为激发光源, 通过引起共振拉曼效应分别对健康女性和女性乳腺癌患者的氧合血红蛋白进行SERS光谱研究。比较两组氧合血红蛋白平均SERS光谱, 发现存在差异。利用SPSS软件的主成分分析(PCA)方法和独立变量T检验统计分析方法, 发现两组光谱在659、813和1 122 cm-1拉曼频移处的谱峰有着极显著的区别。对主成分进行归属分析, 女性乳腺癌患者氧合血红蛋白分子中, 吡咯环的反对称变形振动、对称变形振动以及吡咯环的呼吸振动的强度、相对于健康女性显著减少, 从而造成图谱谱峰有明显差异。除此以外, SERS技术结合SPSS统计分析方法能够较好地区分健康女性和乳腺癌患者的氧合血红蛋白, 从而有望发展成为一种新型的乳腺癌临床诊断技术。

采用一种高活性的纳米银膜作为表面增强拉曼散射（SERS）基底, 以近红外激光（785 nm）作为激发光源, 对胞嘧啶核苷（胞苷）水溶液（10－2～10－8 mol·L-1）进行了近红外表面增强拉曼散射（NIR-SERS）光谱检测。 实验结果表明, 当胞苷水溶液浓度等于或低于10－7 mol · L-1时, 可在300～2　000 cm-1范围内获得信噪比较好的NIR-SERS光谱。 将胞苷水溶液（10－2～10－5 mol · L-1）分别滴在10片不同的纳米银薄膜上进行检测, 结果表明该纳米银膜体现出了较好的光谱重现性。 通过对纳米银膜表面形貌进行表征发现聚乙烯醇（PVA）包覆的纳米银颗粒在铝片表面形成“草状”结构。 并通过对吸附了胞苷分子的纳米银膜进行紫外-可见光反射光谱检测, 发现在800 nm处出现等离子共振峰。 因此采用785 nm的近红外激光作为激发光时, 该体系能够体现出强烈的表面等离子共振（surface plasmon resonance, SPR）特性。 同时采用DFT-B3LYP/6-311G对胞苷分子进行了拉曼光谱计算, 计算所采用入射光波长为785 nm, 通过计算结果与实验测得的胞苷固体的拉曼光谱对比发现在300～2　000 cm-1范围内两者匹配得较好, 进而对其振动进行了归属。 最后通过比较胞苷的拉曼光谱和NIR-SERS光谱对胞苷分子在纳米银膜上的可能吸附方式进行了分析。 分析结果表明胞苷分子主要为其核糖部分吸附纳米银颗粒上, 同时该分子的17NH2基团可能靠近局域电磁场增强区域。

通过化学浴沉积的方法制备了一种高SERS活性和重复性的银薄膜衬底。分别采用扫描电子显微镜和拉曼光谱研究了沉积时间对银薄膜微观形貌和SERS活性的影响, 优化的沉积时间为120分钟。利用优化的银薄膜衬底, 可以检测到10-9 M 的罗丹明分子的SERS谱图, 表明该银薄膜衬底具有很高的SERS活性。相同实验条件下, 在一片银薄膜衬底上任意选择16个点测试R6G的SERS谱图。分别计算了R6G的8个特征峰16次检测的相对标准偏差, 最大相对标准偏差小于13% 。实验结果表明, 该衬底具有很好的重复性, 可应用于SERS 的定量分析。采用优化的银薄膜衬底检测了不同浓度的芥子气及其水解产物硫二甘醇。分别结合芥子气和硫二甘醇的常规拉曼光谱和文献报道, 对它们的SERS谱图进行了指认和归属。20分钟内, 对芥子气和硫二甘醇的检测限可分别达到320 ppm和1 ppm (g/g)。

在恒温条件下, 采用静电自组装技术在玻璃表面制备了一种具有宽等离子吸收带的纳米银膜。 使用扫描电镜(SEM)观察其表面形貌发现该纳米银膜表面由粒径为18～200 nm的纳米球组成。 同时从紫外可见光谱检测结果发现该纳米银膜在400～850 nm间有较宽的等离子吸收带。 分别以强荧光分子(结晶紫)和生物大分子(健康人血清)作为探针分子, 在近红外激发光(785 nm)下检测出了质量较好的SERS光谱。 同时, 分析了该纳米银膜对两种分子检测的重复性。

基于压电驱动器的 Bimorph变形镜是 10.6 μm系统的一个重要元件。为了镀制薄膜, 本文首先利用有限元软件对两种镀膜夹持方式与沉积温度进行了计算, 对热应力产生的热变形进行了分析, 选择了合适的镀膜夹持方式。为了预测 bimorph变形镜受激光辐照后的温升, 对单晶硅与石英玻璃制作的 bimorph变形镜有限元模型进行了计算与分析。最后, 利用光度计对镀制的薄膜进行了反射率测量。试验结果显示反射率测量值大于 99.5%, 满足实际系统的需要。

在直流10 V电压下电解聚乙烯醇和硝酸银的混合液3 h制备纳米银胶, 将经过半胱氨酸修饰后的载玻片浸入银胶24 h制得纳米银膜。用紫外可见分光光度计对银胶进行了观测, 由于其吸收峰半高宽较窄可知银胶中纳米银颗粒粒径分布较为均匀。同时, 使用扫描电镜对银膜进行了表征。通过对半胱氨酸分子SERS信号的分析得出了纳米银粒子在玻璃表面上可能的组装方式。以结晶紫(Crystal Violet)和孔雀石绿(Malachite Green)作为探测分子, 采用便携式拉曼光谱仪测得两种分子不同浓度下的SERS谱。发现该方法所制得的纳米银膜有很好的表面增强效果。最后分析了半胱氨酸分子SERS信号对探针分子光谱的影响。