癌症发病率逐年上升,癌症的检测与治疗引起了人们的广泛关注。癌症早期的检测和治疗对于提高癌症患者的治愈率极为重要。基于折射率检测的方法对癌细胞/正常细胞的区分具有快速、免标记、实时等优点。相比于经典的折射率传感结构,基于共振光隧穿效应的传感结构具有更高的分辨力,能够在低细胞浓度下实现癌细胞/正常细胞的区分。首先,通过传输矩阵法推导了多层介质结构的反射谱公式,并分别对共振光隧穿(ROTE)谐振腔和法珀(FP)谐振腔的传感性能进行了仿真分析,验证了ROTE结构和FP结构的折射率敏感特性,表征并比较了两种结构的灵敏度、品质因数和分辨力。结果表明,尽管ROTE结构的品质因数略低于FP,但是ROTE结构的折射率灵敏度大约是FP的20倍。在相同腔长的情况下,ROTE结构的分辨力高于FP。利用仿真分析了耦合损耗、材料吸收对两种传感结构中品质因数的影响。然后,根据仿真结果制备了ROTE多层敏感结构,搭建了实验测试系统。利用制备的传感结构表征了传感器的品质因数(600)与折射率灵敏度(19,200 nm/RIU)。设计了区分癌细胞与正常细胞的实验方案,实现了对三组人体正常细胞(人体胃细胞、人体肝细胞、人体皮肤细胞)与其对应癌细胞的区分,各反射光谱保持良好的区分度,并对实验结果进行了数学统计分析。最后,为了进一步提高传感器的性能,将共振光隧穿结构与马赫—泽德(MZ)干涉结构相结合,设计了干涉型共振光隧穿折射率传感器。通过与ROTE结构反射谱比较的结果表明,MZ干涉结构在保持原折射率高灵敏特性的基础上,大幅提高了传感器的分辨能力。本文设计与制备的ROTE折射率传感器在生物医学、药物筛选和早期癌症诊断中具有广阔的应用前景。