前言

传感检测技术作为“人类五官”的有效延伸，是现代社会获取信息的主要手段，在推动社会进步和经济发展中起着重要作用。目前，传感检测技术已在工业生产、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、药物开发、生命科学、宇宙开发、国防军事、文物保护等领域普遍应用于复杂工程系统、危险环境探测及信息传输。在诸多传感检测技术中，光学传感检测技术具有光谱响应范围大、可测量物体光学特征参量多、设备集成度高等特点，可以实现对力学、热力学、电磁学、化学、生物学等诸多类别检测量的快速检测。与基于标记法和发光法的光学传感检测技术相比，以表面等离子共振（SPR）为代表的无标记检测技术具有无接触、无损伤、无污染、操作简单及可实时检测的优点，在高通量筛查、成分鉴定、海关缉私和人体安检等领域有广阔的应用前景。

作为一种无标记、高灵敏度、可实时检测的光学生物传感器，SPR生物传感器已被广泛应用于食品健康与安全、医学诊断、药物开发和环境监测等领域。根据检测光学特征的参量分类，基于 SPR 传感器的检测方法可分为基于强度测量的检测方法、基于角度测量的检测方法、基于波长测量的检测方法和基于相位测量的检测方法。上述检测方法在检测性能上各有所长，其中基于强度测量的表面等离子共振成像（SPRi）检测方法以其原理简单和可高通量检测的优势被大量研究和广泛应用。随着高时间、空间分辨率成像和痕量，甚至单分子检测需求的日益增加，SPRi 技术的研究分为理论研究部分和工程应用部分。

在理论研究部分，SPRi技术的原理注定其无法像基于强度测量的检测方法、基于角度测量的检测方法、基于波长测量的检测方法和基于相位测量的检测方法一样，通过增加检测设备和分析技术的复杂度来提高检测灵敏度，因此需要在传感芯片结构、功能材料、调制方法和数据分析技术等方面开展提高检测灵敏度的研究。①在传感芯片结构方面，传统SPRi传感芯片通常采用单层金薄膜作为功能层，通过优化薄膜厚度难以有效提高检测灵敏度，这就要求研究人员在此基础上研发多层芯片结构，通过优化各层薄膜参数来实现检测灵敏度的提高。②在功能材料方面，金作为化学性能稳定的贵金属材料是 SPRi 传感芯片的主要材料选项，然而该材料价格昂贵、反射率高，在光学性能和技术推广两个方面存在一定的局限性，因此如何选择化学性能稳定、价格低廉、光学特性和薄膜黏附力良好的材料，并将其作为金材料之外的选项成为研究人员需要解决的问题。③在调制方法方面，传统基于强度测量的 SPRi 检测方法容易受噪声的干扰而难以有效提高信噪比，通过与外场调制和扫描相结合有望提高 SPRi 检测方法的抗噪声干扰能力，但是选择何种外场、如何调制和扫描是上述研究的重点和难点。④在数据分析技术方面，选取合适的光学入射角是强度检测技术的关键，因此如何计算 SPRi 传感芯片的共振角度以确保实验的准确性、如何选取合适的入射角以确保检测动态范围和灵敏度足够大，也是有待解决和明确的科学问题。

在工程应用部分，SPRi技术以高通量检测和工作原理简单的优势在复杂模式检测、检测结果自动化处理，以及设备小型化和智能化方面具有较大的研发空间。①在复杂模式检测方面，将 SPRi 技术的高通量检测优势和其他高灵敏度光学检测技术相结合，有望实现空间分辨率和检测极限等技术参数的提高，工程人员需要开展不同光学检测技术与 SPRi技术的结合。②在检测结果自动化处理方面，由于SPRi技术通常与微阵列技术结合使用，即微阵列里的每个样点为一个独立检测通道，这就需要研究人员开发准确度高、速度快、鲁棒性强的检测通道自动识别技术，对每个检测通道的 SPRi 信号进行同时处理，从而提高分析效率。③在设备小型化和智能化方面，为便于SPRi技术在移动互联网时代的推广，研究人员需要将制备的传感芯片微阵列及检测设备进行小型化设计，以增强 SPRi 传感器的可移动性，同时借助物联网和边缘计算等技术实现对上述设备的操作自动化和数据终端的可视化。

围绕上述理论研究，本书从传感芯片结构、功能材料、调制方法和数据分析技术4个方面对作者及其团队的研究成果进行了详细介绍。本书以采用多层结构 SPRi 生物传感器实现高灵敏度的强度检测方法为出发点，分别对多层介质和金属结构的 SPRi 传感器和多层金属结构的SPRi传感器展开理论和实验研究。在多层介质和金属结构的SPRi传感器方面，基于具有电光效应的波导耦合表面等离子共振（WCSPR）传感器提出基于差分强度检测的电压调制方法，同时首次将WCSPR传感器应用于SPRi技术来实现灵敏度的提高，并介绍了优化计算SPR共振角度模型的研究工作。在多层金属结构的SPRi传感器方面，通过对银-金双金属层SPRi传感器结构进行改进，显著提高了传感器的长期稳定性，并首次实现了对基于银功能材料 SPRi 传感器的高灵敏度成像检测。在对波导耦合表面等离子共振成像（WCSPRi）技术和银功能材料SPRi传感器结构的性能测试研究工作中，对如何选择光学入射角来实现检测灵敏度、探测极限和动态范围的优化也进行了系统介绍。

此外，针对上述工程应用中的需求，本书从SPRi传感器在复杂模式检测、检测结果自动化处理，以及设备小型化和智能化3个方面对作者及其团队的研究成果进行了详细介绍。在复杂模式检测方面，将SPRi技术、具有电光效应的长程表面等离子共振（LRSPR）结构及电压调制技术相结合，实现了检测深度可调的SPRi技术，可以对样品进行不同深度的分层检测；将SPRi技术、WCSPR结构及LRSPR结构相结合，实现了波导耦合长程表面等离子共振WCLRSPR成像技术，利用两种结构的SPR峰深度和半高宽度的比值优于单层金薄膜SPR结构的SPR峰深度和半高宽的比值的特点，来提高SPRi技术的灵敏度；将WCSPRi技术与荧光技术相结合，实现了WCSPR结构的表面等离子增强荧光（WCSPEF）成像技术，利用WCSPR结构在金属-样品界面的高电场增强系数，实现了对荧光信号的有效放大；将银-金双金属SPRi结构和LRSPR结构相结合，组成了双金属LRSPR结构，在有效提高LRSPR传感器灵敏度的同时，还可以增强银薄膜LRSPR传感器的稳定性；将SPRi技术、LRSPR结构和电压调制技术相结合，实现了电压调谐LRSPR成像技术，可以在减少机械装置移动的同时实现对共振角度的准确测量；在WCSPEF成像基础上引入了LRSPR结构，实现了波导耦合长程表面等离子增强荧光（WCLRSPEF）成像技术，利用LRSPR结构进一步提高了WCSPR结构在金属-样品界面的电场增强系数，以及荧光信号的放大倍数。在传感器检测结果自动化处理方面，将开源计算机视觉（OpenCV）技术和图像增强算法相结合，在不同规模微阵列和检测样品条件下，实现了SPRi视频数据高准确率、快速响应的样点自动识别。在设备小型化和智能化方面，用手机App控制嵌入式系统的方法实现了对多个波长发光二极管的控制，在此基础上提出了小型化、多波长紫外光交联仪，可用于对SPRi传感芯片表面的微阵列进行快速、高效固定；基于微阵列打印后的图像和SPRi信号的空间对应关系，在嵌入式系统中实现了样点自动识别，在此基础上进一步实现了对样点信号均匀、自动化程度高和集成度高的小型化SPRi设备的研制。

本书的出版得到了“湖南省光电健康检测工程技术研究中心”的资助，以及“湖南省自然科学基金（编号：2023JJ60499）”等基金的支持，大部分研究成果已形成十余篇论文，发表并申请、授权了多项国家发明专利。本书涉及的研究始于作者在中国科学院大学国家纳米科学中心的博士研究课题，作者衷心感谢博士导师朱劲松研究员、北京航空航天大学郑铮教授和美国Linfield 学院J.J.Diamond教授的悉心指导，感谢长沙学院朱培栋、刘光灿、刘安玲、陈艳、许焰、周远、陈英教授，桂林电子科技大学胡放荣教授，中南大学胡忠良、汪炼成教授，湖南大学王玲玲、项元江教授及肖德贵、肖成卓副教授的关心支持，感谢国家纳米科学中心王坤、王艳梅、宋炉胜、程志强、杨墨、周文菲博士及马欣、周大苏、王瑞硕士，北京大学范江峰博士，北京航空航天大学万育航、赵欣、卞雨生、刘磊、苏亚林博士，以及中国人民大学侯瑞博士的帮助。作者还特别感谢爱人杨雪女士、儿子汪炳旭、女儿汪俐君的理解和支持。

本书可作为光学信息处理、传感检测与显微成像等领域的科研工作者、技术人员及相关专业老师及博士生、硕士生、本科生的参阅资料。

由于作者学识和实践水平有限，书中难免有疏漏之处，敬请广大读者批评指正！