生物传感器是一种基于多学科交叉的检测平台,主要涵盖了物理学、化学、生物、微电子学以及机械学等相关学科。其工作原理是生物传感器表面的敏感元件与待测物发生相互作用后会产生一系列化学或物理信号,通过对该信号的放大、接收、转换、过滤以及输出,即可完成对待测物进行定量或定性分析。由于生物传感器相比于传统检测手段,具有检测精度高、检测速率快以及成本低等巨大优势,因此在医疗诊断、环境监测、食品卫生等领域均有广泛的应用。在生物传感器的相关应用中,通过对生物传感器表面进行不同的功能化修饰,即可对不同种类的病毒、抗体、抗原、以及其它有害物质进行检测,检测结果的精度与表面功能化的质量有关。近年来,随着国内外诸如埃博拉病毒、SARS病毒、H1N1禽流感病毒等关乎民生安全的问题的频繁发生,社会对于生物传感器的要求也越来也高。传统的生物化学检测方法对于这些病毒的检测通常需要数天、数周,甚至更长的时间才能获得结果。此外,在相关疫苗的制备研究中,还需更多的时间,因此如何提供一种兼具实时、精确、快速的检测平台,已成为目前国内外亟需解决的问题。近年来,随着电子技术和微加工手段的不断改进与发展,生物传感器进入微型化、便携化和智能化的新时期。这些技术的不断改进与发展,为解决上述问题奠定了技术基础。目前,压电式生物传感器和表面等离子体共振光学生物传感器因其具有极高的检测灵敏度和极好的信号响应,如石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance, QCM)可达ng级,表面等离子体共振传感器(Surface Plasmon Resonance, SPR)可达pg级,已成为目前生物传感器的研究热点。因此,开展对压电式生物传感器和表面等离子体共振传感器表面功能化的研究,不仅可以满足生物传感器在病毒防疫、环境监测、食品安全、海洋环境保护等领域的检测要求,同时还能进一步推进生物传感器的产业化的进程,为社会创造更大的价值。本文基于两种传感器检测技术深入研究了传感器表面功能化的影响因素,并在该基础上,结合分子键裂技术、分子动力学原理、麦克斯韦电磁波传播方程以及有限元分析方法,为两种传感器在进一步检测灾害性物质的应用中提供了有效的检测手段和有力的理论支持。本文的主要研究内容包括以下四个方面：1.基于分子键裂传感器以及蒙特卡罗随机算法研究了硫醇分子在不同固化时间和不同固化温度的条件下,QCM金电极表面硫醇分子的吸附频率响应并建立了基于硫金相互作用的吸附模型,得出温度在60℃,固化时间为2小时的条件下,硫醇分子具有最好的固化效率。2.基于分子动力学原理,研究了混合硫醇对于免疫球蛋白G固化效率的影响,得出在长链硫醇与短链硫醇的浓度比为1：7时,能够固化最多数量的免疫球蛋白。该结构中自组装分子的倾角为29°,分子层厚度为21.765A,界面吸附能为-182.42KJ/mol。基于该结果,通过实验对其进行了验证,得出浓度配比1：7时,谐振频率的变化量最大,为243Hz,与理论结果一致。在修饰有IgG的QCM芯片表面,进一步固化了蛋白质A和蛋白质G,得出其谐振频率的平均变化量分别为464Hz和870Hz。通过分子键裂过程,获得了蛋白质G与IgG的特异性结合断裂电压点为2V,而蛋白质A与IgG的非特异性结合断裂电压点为0.5V,完成了对免疫物质特异性和非特异性的区分,从而为分子键裂传感器在医药,环境、食品安全等相关领域的进一步应用奠定了基础。3.采用Winspall光学仿真软件建立了一种基于菲涅尔公式的SPR模型,并得出了SPR激发结构中的不同部位最优尺寸参数。在此基础上,基于麦克斯韦电磁波传播理论并结合有限元分析方法,进一步建立了计算结果更为精确的模型,并通过实验进行了验证,得出有限元模型与实验结果的相对误差为0.1°,从而提供了一种能够准确描述电磁波传播过程的理论平台。4.建立了3D SPR模型并研究了混合硫醇在SPR表面共振曲线和共振角的变化,得出长链硫醇与短链硫醇浓度比为1：1,1：3,1：5和1：7时实验结果和理论结果共振角误差值分别为-0.3°,-0.3°,0.1°和0°,分析其原因主要是由于不同浓度配比的硫醇形成的结构会导致表面的粗糙度不同,从而使得共振角发生偏移,同时也说明了该理论平台的正确性。5.通过密度泛函理论研究了六种不同结构的碳纳米管介电常数中电磁波损耗因子与波长的关系,并在该结果的基础上,利用SPR电磁波传播模型分析研究了电磁波在碳纳米管材料中传播时不同卷曲形式对于电磁波损耗程度以及能量吸收的影响,得出结构为(9,0)的非手性碳纳米管最有利于电磁波在SPR传感器表面传播,在波长为632nm时,最佳的碳纳米管管束尺寸为116nm,其最大电磁波吸收功率为1.42×10-6W。该理论的研究,不仅拓宽了SPR电磁波传播模型的应用范围,也为后续对于生物大分子的研究奠定了基础。综上所述,本文通过对两种传感器表面功能化的研究,分别建立了两种理论模型,为后续提高传感器功能化表面的质量提供了理论支持。此外,基于传感器的功能化表面对免疫物质、有机小分子以及超分子的测量、识别和研究,以及为两种传感器在医疗诊断、环境卫生、食品安全等相关领域的进一步应用奠定了基础。