表面等离激元共振传感器作为一种最有前途的光学生化传感器之一,具有无标签、无损性、即时检测的优势。由于局域表面等离激元共振（Localized surface plasmon resonance,简称LSPR）的近场光学特性,表面等离激元波的电场能量可以被限制在纳米尺寸中,突破衍射极限。这种纳米量级的电磁热点可以产生强烈的局域电磁场增强效应,在近场光学成像、表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman scattering,简称SERS）、生化传感等领域中有着广泛的应用。但是,LSPR传感器的商业化应用仍存在诸多问题的限制,例如由于传统的入射光源无法提供纳米量级的光源,从而导致检测分辨率低、传感信号较弱、灵敏度低等问题。本论文首先开展基于LSPR原理生化传感增敏机理的研究,通过设计、优化和制备了不同纵横比与形状的金微米结构来提高LSPR传感器的灵敏度。其次,采用时域有限差分算法进行结构的优化设计,从而得到传感器最优的LSPR效果,解决了传统LSPR传感器无法提供纳米量级激发光源的问题。最后,对LSPR传感器的应用场景进行研究,可作为基于LSPR吸收光谱、SERS光谱、荧光光谱等光学信号的生化传感器。主要内容和研究如下:1.设计一种基于金微米柱形阵列结构的生化传感器。针对LSPR传感器高灵敏度、高精度的需求,利用金损耗低、不易氧化、耐化学腐蚀、延展性好、密度高等特点,设计LSPR传感器的结构并研究其光场分布。采用重离子径迹技术制备大面积、均匀分布的金微米柱形阵列结构,该结构可实现纳米量级的表面等离激元会聚现象,可作为基于光学信号的生化传感器。首先,从数值仿真到实验验证,证明了该微米结构能够对光子能量产生较强的吸收约束作用,通过近场扫描光学显微镜观察到结构表面产生强电磁“热点”,其尺度用其光强度轮廓曲线的半高全宽表示约为100 nm。其次,基于这种光学特性,利用光学信号实现了对折射率与分子的传感。由此可见,该结构为可切换功能的生化传感器提供了一种研究思路。2.研究高纵横比金微米锥形阵列结构的LSPR灵敏度优化机制。为提高传感灵敏度,基于时域有限差分算法进行仿真模拟,通过改进结构设计、颗粒间距、分布周期、光源类型等不同方面,选择LSPR效果最优的方案进行制备加工。制备了纵横比为26.7的金微米锥形阵列结构,该结构能够在532 nm的入射光的激发下,入射光子与金属表面的自由电子形成共振,产生纳米量级的电磁“热点”。这种电磁“热点”可作为传感过程中的微小激发光源,不仅提高了检测分辨率,而且提高了检测灵敏度。通过近场实验验证,在结构的尖端产生光斑半高全宽约86 nm的高能量电磁“热点”。3.设计一种基于金微米锥形结构的LSPR传感器用于温度与入射角度的检测。由于金微米锥形阵列结构能够产生高能量的电磁场“热点”,可作为纳米量级的激发光源,从而提高温度、入射角度的传感灵敏度。对于温度检测,由于LSPR吸收光谱对周围介质环境折射率的改变非常敏感,通过光谱实验,得到当环境温度为308.15 K～318.15 K（35℃～45℃）时,LSPR吸收光谱峰值的波长位移最佳灵敏度约为5.80 nm/K,吸收率的最佳灵敏度约为5.58×10-3 K-1。同时,根据实验结果提出了近似的数值模型。对于光源的入射角度检测,得到当入射光角度为10°～20°时,其吸收峰值波长位移的最高灵敏度约为22.37 nm/deg,吸收率的最高灵敏度约2.24×10-2 deg-1。由此可见,该传感器可实现对温度、入射角度的高灵敏度检测。4.应用基于LSPR增敏机制的金微米锥形阵列结构对SERS性能的提升。为了验证LSPR结构广泛的应用场景,基于金微米锥形阵列能够产生强烈的LSPR现象,该光学性质作为一种SERS的电磁增强机理。提出该结构可作为SERS基底,检测分子吸附到传感器表面引起局域的介电常数或折射率变化,应用于提高SERS的灵敏度与信号强度。采用苯硫酚作为目标分子,通过对比常用的SERS基底,发现金微米锥形阵列的分析增强因子比金薄膜和银薄膜高了10~2倍。此外,进行检测极限测试,由于LSPR的电磁增强作用,该结构对SERS信号具有更明显的增强效果。可检测到10-8 mol/L浓度的苯硫酚溶液,分析增强因子可达到10~9。通过对高纵横比的金微米结构设计与优化,基于LSPR效应有效地提高电磁能量的吸收与会聚,从而提高检测灵敏度。从仿真计算到实验研究,探讨了电磁“热点”对传感灵敏度的影响。结合光谱实验,分别对其电场分布、LSPR吸收光谱、荧光光谱以及SERS进行研究。研究结果表明,该结构可应用于生物化学传感以及生物成像等领域。