CN103063619A - 基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器 - Google Patents

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倪振华
南海燕
梁铮
丁荣
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Abstract

本发明涉及一种基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器，包括光源系统、透明金属纳米颗粒薄膜系统、石墨烯分子吸附系统、探测系统。当分子吸附在石墨烯表面后，石墨烯中的载流子浓度和介电常数发生变化，进而影响透明金属纳米颗粒薄膜系统的局域表面等离子体共振频率，从而对分子的类型和浓度进行检测。该传感器制备工艺非常简单，成本低廉，操作方便，且石墨烯可以有效防止金属被腐蚀和钝化，保证系统的使用寿命，还可以防止金属与分子接触导致的毒性或发生相关化学反应，系统的稳定性好，灵敏度高。

Description

基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器
技术领域
本发明涉及化学型传感器，尤其是基于石墨烯的局域表面等离子体的分子传感器。
背景技术
局域表面等离子体共振是存在于金属纳米颗粒或不连续的金属纳米结构中的电荷震荡受入射光子激发所产生的共振现象。金属纳米结构表面的局域电磁场被极大增强,展现出强烈的表面等离子体共振吸收。金、银、铂等贵金属纳米粒子均具有很强的局域表面等离子体共振效应, 它们在紫外和可见光波段展现出很强的光学吸收。 该吸收光谱的峰位取决于材料的微观结构和特性，如成分、形状、大小、局域传导率。获得局域表面等离子体共振吸收光谱并对其进行分析,可以研究纳米粒子的微观组成,同时还可以作为化学和生物分子传感器, 利用运用光学手段来检测生化分子的种类和浓度。这种技术在光电子器件、传感技术、生命科学等领域具有广泛的应用前景。
目前，基于表面等离子体共振的传感器已经得到迅猛发展，但是该类型的传感器工艺复杂，同时普遍存在着金属（特别是银）在空气中极易被腐蚀而钝化，一些分子在金属表面容易失去活性或者和金属接触之后会有毒性反应等问题。常规的方法是在金属表面施加保护层。但是由于表面等离子体共振产生的局域电场强度随距离指数衰减，所以需要该保护层越薄越好。
石墨烯（graphene）是一种单原子层厚的碳二维材料，是其它碳材料同素异形体的基本构成单元。 2004年，曼彻斯特大学Andre Geim 教授领导的研究小组最先发现了石墨烯并立即引起了科学和工业界的广泛关注，石墨烯的发现者更于2010年获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯具有非常高的比表面积(2630m2/g)，对于分子有着很好的吸附作用，石墨烯中的载流子浓度对于分子的吸附非常的敏感。同时，当石墨烯与金属纳米颗粒直接接触，石墨烯中的载流子浓度变化可以对金属纳米颗粒表面的局域表面等离子体共振频率进行调制。另外，碳原子在空气中显示出很强的惰性，所以当石墨烯盖在金属表面时可以有效防止金属与分子直接接触，也能防止金属在空气中被腐蚀和钝化。
发明内容
为了解决目前表面等离子体共振传感器的金属纳米颗粒易被腐蚀和一些分子在金属表面易失去活性或与金属接触有毒性反应的问题，本发明提出的一种基于局域表面等离子体共振的石墨淆分子传感器能有效防止金属与分子直接接触，也能防止金属在空气中被腐蚀和钝化。
为达到以上目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器, 包括光源系统、透明金属纳米颗粒薄膜系统、探测系统，透明金属纳米颗粒薄膜系统上设有石墨烯分子吸附系统。
本发明所述光源系统是产生传感器所需的入射光；所述透明金属纳米颗粒薄膜系统是用于产生局域表面等离子体共振的模块；所述石墨烯分子吸附系统是当分子吸附在石墨烯表面后，石墨烯中的载流子浓度和介电常数发生变化，进而影响透明金属纳米颗粒薄膜系统的局域表面等离子体共振频率；所述探测系统是测量从石墨烯分子吸附系统透过的出射光的强度和峰位判断分子的类型和浓度。所述入射光一般是白光光源；所述透明金属纳米颗粒薄膜系统是承载金属纳米颗粒的物体呈透明、透光特性，金属纳米颗粒能产生表面等离子体共振，常用金、银、铂。所述透明金属纳米颗粒薄膜系统与石墨烯分子吸附系统相接，形成直接耦合的界面，保证石墨烯内载流子浓度的变化能影响金属纳米颗粒内的电子浓度以及表面等离子体共振频率。
本发明一种基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器，具有如下步骤：
   1、在玻璃表面镀2-10 nm 的金属薄膜，在真空状态下高温300-700℃加热15～60min，然后快速冷却，使金属团聚成纳米颗粒；
2、将石墨烯薄膜转移覆盖在金属纳米颗粒表面；
3、将其置于一定浓度的待测分子中，20-60min后取出，用清水冲洗，保证分子在石墨烯表面均匀分布；
4、探测通过该系统的透射光，根据等离子体共振吸收光谱的改变来判断分子的类型和浓度。
该传感器的工作原理是：局域表面等离子体共振是由金属纳米颗粒中电荷的震荡引起的，它的振荡频率与金属纳米颗粒中的自由电子浓度直接相关。当分子吸附在石墨烯表面后，石墨烯的电子/空穴浓度以及其介电常数会根据分子的类型和浓度的不同而发生变化。由于石墨烯与金属纳米颗粒直接接触，金属内部的电子会转移到石墨烯中，从而导致其等离子体共振频率的变化，进而改变透射光的峰位或特定波长的光强。由于石墨烯中的载流子浓度对于分子的吸附非常敏感，因此利用该方法可以实现分子类型和浓度的高灵敏度探测。
采用以上技术方案后，本发明的有益效果是：该传感器制备工艺非常简单，成本低廉，操作方便，且石墨烯可以有效防止金属被腐蚀和钝化，保证系统的使用寿命，还可以防止金属与分子接触导致的毒性或发生相关化学反应，系统的稳定性好，灵敏度高。
附图说明
图1是本发明基于局域表面等离子体共振的石墨烯传感器原理示意图。
图2是本发明石墨烯覆盖的银纳米颗粒在空气中200摄氏度加热15分钟后的扫描电镜图。
图3是作为对比的单纯的银纳米颗粒在空气中200摄氏度加热15分钟后的扫描电镜图。
图4是本发明实例1中石墨烯分子传感系统在吸附不同浓度四苯基卟啉(TPP)分子后的等离子体共振吸光光谱。
具体实施方式
根据图1所示 ，本发明一种基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器, 包括光源系统、透明金属纳米颗粒薄膜系统、探测系统，透明金属纳米颗粒薄膜系统上设有石墨烯分子吸附系统。
本发明所述光源系统是产生传感器所需的入射光；所述透明金属纳米颗粒薄膜系统是用于产生局域表面等离子体共振的模块；所述石墨烯分子吸附系统是当分子吸附在石墨烯表面后，石墨烯中的载流子浓度和介电常数发生变化，进而影响透明金属纳米颗粒薄膜系统的局域表面等离子体共振频率；所述探测系统是测量从石墨烯分子吸附系统透过的出射光的强度和峰位判断分子的类型和浓度。所述入射光一般是白光光源；所述透明金属纳米颗粒薄膜系统是承载金属纳米颗粒的物体呈透明、透光特性，金属纳米颗粒能产生表面等离子体共振，常用金、银、铂。所述透明金属纳米颗粒薄膜系统与石墨烯分子吸附系统相接，形成直接耦合的界面，保证石墨烯内载流子浓度的变化能影响金属纳米颗粒内的电子浓度以及表面等离子体共振频率。
本发明一种基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器，具有如下步骤：
   1、在玻璃表面镀2-10 nm 的金属薄膜，在真空状态下高温300-700℃加热15～60min，然后快速冷却，使金属团聚成纳米颗粒；
2、将石墨烯薄膜转移覆盖在金属纳米颗粒表面；
3、将其置于一定浓度的待测分子中，20-60min后取出，用清水冲洗，保证分子在石墨烯表面均匀分布；
4、探测通过该系统的透射光，根据等离子体共振吸收光谱的改变来判断分子的类型和浓度。
实施例1： 按如下步骤实施
1. 在玻璃表面镀5 nm的金薄膜，在真空状态下500℃加热30min，然后快速冷却，使金颗粒团聚成纳米颗粒；
2. 通过化学气相法合成单层石墨烯薄膜，并将石墨烯薄膜转移覆盖在金纳米颗粒表面；
3. 将该系统浸泡于待测的四苯基卟啉(TPP)分子中，浓度分别为10-5ML, 5x10-4ML和8x10-4ML， 20分钟后取出，用清水冲洗，保证分子在石墨烯表面均匀分布；
4. 探测通过该系统的透射光。如图4所示，随着分子浓度的增加，金纳米颗粒表面等离子体共振吸收光谱的峰位逐渐向长波长移动，证明该传感器能有效工作。
实施例2： 按如下步骤实施
1. 在玻璃表面镀3 nm的银薄膜，在真空状态下300℃加热15min ，然后快速冷却，使银颗粒团聚成纳米颗粒；
2. 通过化学气相法合成石墨烯薄膜，并将石墨烯薄膜转移覆盖在银纳米颗粒表面；
3. 将该系统浸泡于待测的罗丹明6g(R6G)分子中20分钟后取出，用清水冲洗，保证分子在石墨烯表面均匀分布；
4. 探测通过该系统的透射光，根据等离子体共振吸收光谱的改变来判断分子的类型和浓度。
省略检测结果。
实施例3： 按如下步骤实施
1. 在玻璃表面镀10 nm的铂薄膜，在真空状态下700℃加热60min，然后快速冷却，使铂颗粒团聚成纳米颗粒；
2. 通过化学气相法合成石墨烯薄膜，并将石墨烯薄膜转移覆盖在铂纳米颗粒表面；
3. 将该系统浸泡于待测的罗丹明B(RhB)分子中20分钟后取出，用清水冲洗，保证分子在石墨烯表面均匀分布；
4. 探测通过该系统的透射光，根据等离子体共振吸收光谱的改变来判断分子的类型和浓度。
由于石墨烯可以有效保护金属在空气中被腐蚀，把图2和图3相比较可以看出，没有石墨烯保护时，银纳米颗粒出现了团聚并发生了形貌变化，而石墨烯的覆盖则能有效的防止金属的腐蚀和钝化。

Claims (5)

1.一种基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器, 包括光源系统、透明金属纳米颗粒薄膜系统、探测系统，其特征是：透明金属纳米颗粒薄膜系统上设有石墨烯分子吸附系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器，其特征是：所述光源系统是产生传感器所需的入射光；所述透明金属纳米颗粒薄膜系统是用于产生局域表面等离子体共振的模块；所述石墨烯分子吸附系统是当分子吸附在石墨烯表面后，石墨烯中的载流子浓度和介电常数发生变化，进而影响透明金属纳米颗粒薄膜系统的局域表面等离子体共振频率；所述探测系统是测量从石墨烯分子吸附系统透过的出射光的强度和峰位判断分子的类型和浓度。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器，其特征是：所述入射光一般是白光光源；所述透明金属纳米颗粒薄膜系统是承载金属纳米颗粒的物体呈透明、透光特性，金属纳米颗粒能产生表面等离子体共振，常用金、银、铂。
4.根据权利要求1所述的一种基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器，其特征是：所述透明金属纳米颗粒薄膜系统与石墨烯分子吸附系统相接，形成直接耦合的界面，保证石墨烯内载流子浓度的变化能影响金属纳米颗粒内的电子浓度以及表面等离子体共振频率。
5.一种基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器，其特征是具有如下步骤：
1、在玻璃表面镀2-10 nm 的金属薄膜，在真空状态下高温300-700℃加热15～60min，然后快速冷却，使金属团聚成纳米颗粒；
2、将石墨烯薄膜转移覆盖在金属纳米颗粒表面 ；
3、将其置于一定浓度的待测分子中，20-60 min后取出，用清水冲洗，保证分子在石墨烯表面均匀分布；
4、探测通过该系统的透射光，根据等离子体共振吸收光谱的改变来判断分子的类型和浓度。
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