近年来,随着恐怖主义活动的日益猖獗和局部地区冲突的逐步加剧,生物化学武器袭击的可能性逐渐增大,对生物化学传感技术的要求越来越高。除此之外,食品安全领域、医疗诊断领域、环境监测领域都需要对生物化学物质实现超低浓度、快速即时、高稳定性、高准确性和大规模的检测。但目前的生物化学现场检测方法存在灵敏度较低、成本较高等不足,因此,开展周期纳米结构的生物化学传感技术研究具有重要的现实意义。目前生物化学检测的方法有很多种,其中基于表面增强拉曼散射效应(SERS)的生物化学传感技术由于其单分子检测灵敏性,分子识别特异性等特性,适用于在复杂环境中低浓度生物化学物质的检测。然而,目前高强度SERS效应的拉曼基底制备工艺还不很成熟。针对以上制造、检测问题,本文通过时域有限差分算法设计高强度SERS基底,通过纳米球光刻工艺制备了周期纳米半球壳体结构,实现了三硝基甲苯分子的高灵敏、低成本检测;通过内嵌周期纳米结构的新型叉指电极实现了促甲状腺技术的高灵敏检测。论文的主要研究内容如下:1、分析了SERS效应的增强原理,对其电磁学基础理论和时域有限差分仿真理论进行了研究,为实现高灵敏生化传感技术提供理论基础。针对生化传感技术高灵敏检测的需求,通过研究SERS效应的增强机理,将SERS效应用于生化传感,其灵敏度高、特异性强。针对SERS效应电磁场分析难题,基于电磁学基础理论,通过自由电子气模型,分析了等离子波在金属表面的产生原理及特性。针对SERS效应仿真分析难题,通过研究时域有限差分算法理论,推导了时域有限差分方程,为SERS效应的电磁场仿真分析提供理论支撑。2、建立了周期纳米半球壳体结构的优化设计方法,并通过电磁增强特性仿真,获得了周期纳米结构的尺寸参数对电磁场增强特性的影响规律。针对高灵敏生化传感技术对高强度SERS基底的需求,选择周期纳米半球壳体结构作为SERS基底,具有灵敏度高、稳定性强、加工简便等优点。针对SERS基底优化设计问题,利用电磁场时域有限差分仿真方法,通过仿真分析得到了周期纳米半球壳体结构的间距、直径、膜厚、个数等参数对电磁场增强特性的影响规律,对其表面电磁场增强特性进行优化设计,达到较高的电磁场增强效果。3、针对高性能SERS基底难以低成本、批量化大面积可控制备的问题,建立了周期纳米结构的制造工艺方法,实现了周期纳米半球壳体结构的可控制备。针对周期纳米结构的制备问题,设计了周期纳米结构的制造工艺方法,采用纳米球光刻工艺实现了周期纳米结构的制备,该方法操作简单,成本低廉,可批量化大面积制备。针对影响周期纳米半球壳体结构电磁场增强效果的参数进行调控,基于聚苯乙烯纳米球旋涂工艺,实现了间距参数的调控;基于等离子体刻蚀工艺,实现了直径参数的调控;基于真空蒸发镀膜工艺,实现了膜厚参数的调控。基于以上工艺,建立了周期纳米半球壳体结构的制造工艺方法,实现了周期纳米半球壳体结构的可控制备,提高了纳米加工的控制精度。4、建立了周期纳米半球壳体结构的SERS性能测试方法,在固态SERS基底上实现了三硝基甲苯分子的高灵敏传感,其重复性高、稳定性强。针对周期纳米结构性能的拉曼性能表征问题,以罗丹明6G为拉曼增强试剂,用拉曼光谱仪完成了SERS性能的测试,其拉曼增强因子约为3.6×106,优于一般的商用SERS基底。针对基于胶体纳米金银颗粒的三硝基甲苯检测重复性低、稳定性差的问题,采用周期纳米半球壳体结构固态SERS基底,实现了三硝基甲苯分子的高灵敏检测,其重复性高、稳定性强,检测极限可以达到1ng/m L。5、提出了内嵌周期纳米结构的新型叉指电极,突破了高灵敏叉指电极传感基底制备的关键技术,基于该基底实现了促甲状腺素的高灵敏生化传感,其灵敏度提高了3倍。叉指电极生化传感技术的灵敏度取决于叉指电极间隙,针对叉指电极间隙受到工艺限制难以进一步缩小的问题,提出了内嵌周期纳米结构的叉指电极,该结构可以大大缩小电极间隙,提高生化传感灵敏度。针对周期纳米结构和叉指电极制备工艺不兼容的问题,提出了两层铬/金双金属膜的结构,将纳米球光刻工艺和微机电光刻工艺结合,成功实现了内嵌周期纳米结构的叉指电极的制备,提高了工艺精度和电极质量。基于内嵌周期纳米结构的叉指电极实现了促甲状腺素的高灵敏检测,其检测极限达到0.015m IU/L,与一般叉指电极结构相比,其灵敏度提高了3倍。