表面等离子体(Surface Plasmon, SP)传感技术是一种先进的表面生化检测技术,因其具有免标记、灵敏度高、无损伤、无需接触、便捷实时等优点,近二十年来引起了广泛的研究兴趣,并在生物医学、药物筛选、环境监测、食品安全、国防军事等众多领域具有潜在的应用前景。同时它借助成熟完善的光纤技术实现了传感器件的微型化和集成化,特别是新型光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)的引入使该项传感技术成为当前研究的热点。本论文在国家科技部国际联合研究项目的支持下,以PCF为光学传感载体,围绕当前SP传感领域极具应用价值的两项技术——表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)生化传感技术和表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)光谱分析技术展开了全面系统的理论与实验研究,取得了一系列研究成果：(1)针对目前光纤SPR传感器普遍存在的两个问题——较大折射率测量范围内折射率传感响应的非线性性和测量精度的非稳定性,提出从结构设计的角度来解决这两个问题。设计了一种液芯PCF-SPR传感器,通过在纤芯中引入样品通道对纤芯导模的有效折射率进行动态调节,大幅提升了折射率响应曲线的线性度,使传感器性能得到均衡与优化。(2)基于SPR传感器未来的发展趋势——高通量和微型化的SPR传感器,首次提出利用PCF的多孔结构在光纤内集成多个SPR传感通道的设想。利用车轮结构的PCF设计了一种并联多通道的SPR传感器,可实现两种样品或两种参量的并行检测。该传感器的折射率探测范围是1.33～1.36,两种样品的探测灵敏度分别达到1535nm/RIU和1550nm/RIU。(3)研究了实芯PCF气孔内壁金纳米颗粒的多层硅烷偶联自组装工艺,利用这种工艺沉积金纳米颗粒薄膜制备了光纤SERS探针。对比研究了激光的两种入射方式(纤芯中心入射和包层偏入射)对SERS探针性能的影响。实验表明偏入射激发的包层模能增大SERS效率并将探针的浓度极限降低到100nM。(4)根据偏入射法对SERS信号的增强机理提出了基于缺陷纤芯PCF的SERS探针结构。采用单层化学自组装工艺分别在该光纤与实芯PCF气孔内壁制备了具有相同颗粒分布密度的SERS基底。定量分析了光纤微结构对SERS探针性能的影响。实验结果表明采用缺陷纤芯PCF作为传感载体能将SERS信号强度提高32倍。(5)研究了自组装工艺对金纳米颗粒分布密度的影响。通过调节金纳米颗粒的分布密度对缺陷纤芯PCF-SERS探针的性能进行了优化,将SERS增强因子提高至121。利用优化后的SERS探针实现了1pM超低浓度的样品探测,实验结果表明该探针已达到单分子探测水平,比目前报道的用PCF-SERS探针检测到的最低浓度还低两个量级。另外还利用缺陷纤芯PCF制备了超长SERS探针并提出了远程探测方案。探针在远程测量模式下分别实现了低浓度DNA分子的指纹识别和水污染物的痕量分析。