倾斜光纤布拉格光栅（Tilted Fiber Bragg Grating,TFBG）是一种特殊的光纤布拉格光栅,其折射率调制的栅平面与光纤轴向具有一定夹角,能够有效的将纤芯模式耦合至包层,在光谱上产生一系列的包层模式共振峰。除具有光纤布拉格光栅温度压力等传感特性外,TFBG包层模式共振峰可以直接感知外界折射率变化,实现与折射率有关参量高灵敏检测,同时TFBG能够通过与物质相互作用激发多微纳光学效应。表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）技术具有高灵敏、样品免标记和快速动态实时监测等优点,正在被广泛应用于环境监测、医学诊断、疾病防治等领域。近年来,随着SPR及光纤布拉格光栅传感技术的发展及融合,光纤布拉格光栅SPR生物传感技术在近红外波段展现了良好的生物相容性和高品质因数,已经成为生物医学检测技术新的研究热点。TFBG高阶包层模式可与光栅表面金属纳米薄膜材料相互作用激发SPR,实现高灵敏度、小型化、通信波段的生化折射率传感。针对目前TFBG-SPR表面均匀镀膜实现SPR存在光谱信息少、传感器灵敏度依赖镀膜均匀性等问题,本文提出了利用结构非对称金膜在不同光栅栅平面角度下的SPR激发及模式耦合机制,构建新型非对称TFBG-SPR传感技术,重点研究了具有丰富光谱信息的非对称单面镀膜TFBG-SPR传感器特性及其在矢量检测中的应用。面向生化传感领域及医疗临床领域应用需求,通过功能化传感表面实现了对糖类及其衍生物、重金属离子的特异性识别和定量检测,提出了一种高灵敏、低成本、快速实时、可用于复杂环境检测的通信波段全光纤集成式生化传感系统。论文的主要工作如下:1.采用有限元波导解算器FIMMWAVE求解TFBG模式矢量解,研究了 TFBG模式耦合的特性。以表面等离激元理论为基础,从理论上阐述了 TFBG在金属纳米薄膜条件下的SPR效应,建立了 TFBG-SPR理论模型,分析了高阶包层模特性,优化了金属纳米薄膜参数,探索了偏振态变化对TFBG-SPR高阶包层模的影响。2.针对均匀镀膜TFBG-SPR光谱信息少、灵敏度依赖于金膜一致性等现存问题,开展了 TFBG栅平面与非对称金膜耦合机制的研究,在实验上分析了非对称单面金膜TFBG-SPR传感特性。非对称单面金膜TFBG-SPR传感器具有共振波长可调谐、可进行多参量检测的独特特性。利用其同时具有纤芯模、截止模和SPR共振包层模多重模式特征,与磁性纳米粒子磁场特性结合实现了磁场大小和方向的检测辨别。3.TFBG-SPR生化传感器具有窄带宽梳状光谱,品质因数高,有利于生物分子检测极限的突破。本文利用长链烷基硼酸分子功能化TFBG-SPR传感表面,通过高性能强度解调优势实现了糖蛋白分子特异性检测,检测极限为15.6 nM;结合金纳米粒子信号增强效应,将短链硼酸分子功能化TFBG-SPR传感系统用于痕量葡萄糖分子检测,检测范围为1 nM-10 mM,检测极限低至0.3 nM。通过对模拟人工唾液样本中葡萄糖的检测,验证了传感器的实用价值,实现了稳定、低成本、痕量非血液样品葡萄糖检测光纤生物传感系统。4.设计了靶向识别DNA与金纳米粒子信号放大结合的表面修饰技术,利用TFBG-SPR感知平台实现了对重金属汞离子的可再生及超痕量（10-12）检测,完成了血清样品以及自来水样品的分析。汞离子可特异性的与DNA片段上两个胸腺嘧啶（T）进行结合,利用DNA杂交T-T错配机理实现重金属汞离子的特异性识别。此外,由于碘离子与汞离子结合可将汞离子从双链DNA T-Hg2+-T错配体系中竞争替换形成更稳定的配合物,利用该特性实现了传感表面再生;实验结果表明重金属汞离子的检测限为3 pM,传感表面可循环再生3次。与已报道的光纤汞离子传感器相比,TFBG-SPR-DNA体系重金属汞离子传感器检测极限降低两个数量级,并具有可再生检测功能。5.利用DNA剪切酶和金纳米粒子研制了 TFBG-SPR铅离子传感器,实现了超痕量重金属铅离子检测。在铅离子激活作用下,DNA剪切酶可切断含有RNA磷酸酯（rA）位点的互补DNA序列,将绑定在传感表面的金纳米粒子从DNA序列顶端释放,引起TFBG-SPR共振波长和强度变化。TFBG-SPR-DNA剪切酶体系重金属离子传感器实现了对铅离子fM量级的特异性检测（最低检测极限为3fM,为目前已报道光纤式铅离子传感器最低检测限）。此外,通过对铅离子超痕量检测技术的临床样本验证,证实了 DNA靶向分子技术及TFBG-SPR光纤传感技术结合的平台技术优势,为临床无痛诊疗及离子动力学信息分析提供了一项先进的潜在临床快检技术方案。最后,总结了全文工作,阐述了本文创新点,并对未来研究工作进行了展望。