CN105538812B - 一种高灵敏度的传感膜及表面等离子体共振传感检测系统 - Google Patents

一种高灵敏度的传感膜及表面等离子体共振传感检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度的传感膜及表面等离子体共振传感检测系统。其中，所述传感膜包括一维金属光子晶体层和石墨烯层，所述一维金属光子晶体层覆盖在所述石墨烯层上，所述石墨烯层覆盖样品层的一部分，本发明通过采用包括一维金属光子晶体层和石墨烯层的高灵敏度的传感膜代替传统贵金属金作为产生表面等离激元的传感膜，极大地提高表面等离子体共振传感检测系统的灵敏度，且结构简单、易于实现，无需使用传统的贵金属金，降低了生产成本。

Description

一种高灵敏度的传感膜及表面等离子体共振传感检测系统
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种高灵敏度的传感膜及表面等离子体共振传感检测系统。
背景技术
表面等离子体子共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是被电磁波所激发的存在于金属和电介质界面上的电荷密度振动效应，对环境介质折射率变化非常敏感，它是一种光学传感技术，其无需进行样品标记，并且能实时监测生物分子之间的相互作用，在近年来成为生物分子监测的有利工具。
如图1所示，传统的表面等离子体共振生物传感器都是以贵金属金作为产生表面等离激元的金属层，金相比于其它金属（如银，铝，铜，等）最大的好处在于它抗氧化能力强，但是不论是金，银，铝或者铜等单独的金属纳米结构都存在着一定的局限性，如它们与生物分子易产生相互作用或者化学反应，另外，银、铝、铜都是易被氧化的金属，随着氧化程度的加深，传感器的灵敏度会降低，性能不稳定，而以金属金作为金属层的表面等离子体共振生物传感器灵敏度则不够高。这一切不利的因素都制约着表面等离子体共振生物传感器的发展，所以制备一个结构简单，性能优异，灵敏度高的表面等离子体共振生物传感器已是现在人们研究的重要课题。
自从石墨烯新材料出现以来，人们对它的一系列优异性能表示出浓厚的兴趣，并做了大量的研究与应用，其中在传感器方面的应用备受关注。石墨烯是由碳原子组成的二维晶体，其碳六元环的价键十分的稳定牢固，因此它有极高的化学稳定性，且具有良好的生物兼容性，这就为其能够在生物传感器中得到广泛的应用提供了可能。
凭借石墨烯在生物传感器中无与伦比的优异性能，在传统的生物传感器的基础上引入石墨烯已成为了一种必然的趋势。近年来，许多研究者在这方面投入了大量的精力，并取得了可喜的成果，设计出来了各种性能稳定的结构，如金-石墨烯结构，银-石墨烯结构，铝-石墨烯结构等。这些结构都是通过引入石墨烯，使得生物传感器的性能得到了大大的提升，但是它们仍然存在着一个不足，即灵敏度不够高，所以进一步提高其灵敏度十分有必要。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种高灵敏度的传感膜及表面等离子体共振传感检测系统，能极大地提高表面等离子体共振传感检测系统的灵敏度，且结构简单、易于实现，无需使用传统的贵金属金，降低了生产成本。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种高灵敏度的传感膜，其包括一维金属光子晶体层和石墨烯层，所述一维金属光子晶体层覆盖在所述石墨烯层上，所述石墨烯层覆盖样品层的一部分；所述一维金属光子晶体层包括若干个完整周期的二氟化镁层/金属层，所述二氟化镁层与金属层间隔设置；所述石墨烯层为单层石墨烯；所述金属层为铜、银或铝。
所述的高灵敏度的传感膜中，所述二氟化镁层/金属层的周期数量为4-16个。
所述的高灵敏度的传感膜中，所述金属层为铜、银或铝。
所述的高灵敏度的传感膜中，所述金属层的厚度大于10nm。
所述的高灵敏度的传感膜中，所述二氟化镁层的厚度为700-740nm。
一种高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统，其包括如上所述的高灵敏度的传感膜，所述高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统还包括：
光源；
偏光器，用于获取所述光源所发射光线中的P偏振光；
棱镜，用于接收所述P偏振光，并使其投射于传感膜上；
透镜，用于会聚经传感膜反射后从棱镜出射的P偏振光；
检测器，用于检测经透镜聚光后的P偏振光的光功率。
所述的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统中，还包括用于调整入射角度的旋转台，所述棱镜设置于旋转台上。
所述的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统中，所述棱镜为半球形玻璃棱镜。
相较于现有技术，本发明提供的高灵敏度的传感膜及表面等离子体共振传感检测系统中，所述传感膜包括一维金属光子晶体层和石墨烯层，所述一维金属光子晶体层覆盖在所述石墨烯层上，所述石墨烯层覆盖样品层的一部分，所述高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统包括：光源；用于获取所述光源所发射光线中的P偏振光的偏光器；用于接收所述P偏振光，并使其投射于传感膜上的棱镜；用于会聚经传感膜反射后从棱镜出射的P偏振光的透镜；用于检测经透镜聚光后的P偏振光的光功率的检测器，本发明通过采用包括一维金属光子晶体层和石墨烯层的高灵敏度的传感膜代替传统贵金属金作为产生表面等离激元的传感膜，极大地提高表面等离子体共振传感检测系统的灵敏度，且结构简单、易于实现，无需使用传统的贵金属金，降低了生产成本。
附图说明
图1 为现有技术中表面等离子体共振传感检测系统的结构示意图。
图2 为本发明提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统的结构示意图。
图3 为本发明较佳实施例提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统的结构示意图。
图4 为本发明第一较佳实施例提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统的反射率及灵敏度随入射角变化的曲线图。
图5 为本发明第二较佳实施例提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统的反射率及灵敏度随入射角变化的曲线图。
图6 为本发明第三较佳实施例提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统的反射率及灵敏度随入射角变化的曲线图。
具体实施方式
鉴于现有技术中表面等离子体共振生物传感器无法同时保证高的灵敏度、金属层高的抗氧化性及低成本等缺点，本发明的目的在于提供一种高灵敏度的传感膜及表面等离子体共振传感检测系统，能极大地提高表面等离子体共振传感检测系统的灵敏度，且结构简单、易于实现，无需使用传统的贵金属金，降低了生产成本。
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图2，本发明提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统包括光源10、偏光器20、棱镜30、透镜50和检测器60，其中，所述偏光器20用于获取所述光源10所发射光线中的P偏振光；所述棱镜30用于接收所述P偏振光，并使其投射于传感膜40上；所述透镜50用于会聚经传感膜40反射后从棱镜30出射的P偏振光；所述检测器60用于检测经透镜50聚光后的P偏振光的光功率。
如图2所示，光源10所发射的光通过偏光器20得到P偏振光，即光矢量的振动方向平行于入射面的偏振光，之后所述P偏振光从棱镜30的一侧入射，并投射于传感膜40上，经传感膜40反射后的P偏振光从棱镜30的另一侧出射，并经过透镜50聚光后被检测器60接收，所述检测器60为加装探头的光功率计，通过检测器60检测反射光功率，再将反射光功率比上入射光功率即得到传感膜40的反射率。当产生表面等离子体共振效应时，检测到的反射光功率会大幅度地减弱，此时的入射角即为SPR角，由于表面等离子体共振效应对环境介质的折射率变化非常敏感，而所述传感膜40与样品层70接触，因此SPR角会随样品层70的折射率变化而变化，从而可通过对生物反应过程中SPR角的动态变化获取生物分子之间相互作用的特异信号，无需进行样品标记，简单便捷。
进一步地，所述高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统还包括用于调整入射角度的旋转台（图中未示出），所述棱镜30设置于旋转台上，通过旋转所述旋转台得到不同入射角对应的反射率，从而可对生物反应过程进行实时传感检测。
特别地，所述传感膜40包括一维金属光子晶体层401和石墨烯层，所述一维金属光子晶体层401覆盖在所述石墨烯层402上，所述石墨烯层402覆盖样品层70的一部分，所述一维金属光子晶体层401包括若干个完整周期的二氟化镁层4011/金属层4012，所述二氟化镁层4011与金属层4012间隔设置，即一个周期的二氟化镁层4011/金属层4012为一层金属层4012上覆盖一层二氟化镁层4011，如此交替叠加形成若干完整周期的二氟化镁层4011/金属层4012。通过引入一维金属光子晶体层401代替了传统的单层金属层，且引入石墨烯层402这一性能优异、稳定的材料，极大地提高了本发明提供的表面等离子体共振传感检测系统的灵敏度。
其中，所述石墨烯层402为单层石墨烯，即由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料，厚度为0.34nm，其具有极高的化学稳定性和良好的生物兼容性，大大提高了生物传感器的稳定性。
进一步地，所述二氟化镁层4011/金属层4012的周期数量为4-16个，通过采用不同周期数量的二氟化镁层4011/金属层4012可得到不同的灵敏度值，具体可根据实际应用选择相应周期数。
更进一步地，所述金属层4012为铜、银或铝，同样，采用不同金属层4012与二氟化镁层4011间隔叠加也会得到不同的灵敏度值，厂商可根据产品要求及生产成本灵活选择金属层4012材料。
请继续参阅图2，本发明提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统中，所述棱镜30为半球形玻璃棱镜，采用半球形玻璃棱镜可方便入射角的调控，便于实时检测不同入射角对应的反射率，具体地，所述棱镜30可为硫系玻璃（2S2G:Ge20Ga5Sb10S65）、Si、SF11、SF10、BK7等，本发明对此不作限定。
所述光源10的发射波长为400-740nm，如采用常见的氦氖激光器作为光源10，或其他具有相同作用的设备，本发明对此不作限定。
由于只有P偏振光才能激发表面等离激元，所述偏光器20可采用偏光立方体分光器，当一束单色光垂直入射时，偏光立方体分光器只允许P偏振光通过，S偏振光全部被反射，从而得到所述光源10所发射光线中的P偏振光，当然，所述偏光器20也可为其它获取P偏振光的器件，本发明对此不作限定。
进一步地，所述金属层4012的厚度大于10nm，便于良好成膜，提高产品的性能及稳定性。
更进一步地，所述二氟化镁层4011的厚度为700-740nm，从而与不同厚度的金属层4012形成优选的厚度组合。
本发明还相应提供一种高灵敏度的传感膜，由于上文已对所述高灵敏度的传感膜进行详细描述，此处不作详述。
为进一步说明本发明所达到的技术效果，以下结合图3至图6，举具体实施例对本发明提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统的性能进行详细说明。
请参阅图3，本发明较佳实施例提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统中，所述光源10采用发射波长为632.8nm的氦氖激光器，所述棱镜30选用半球形硫系玻璃棱镜，所述样品层70的折射率为1.33，即含生物大分子的样品层70选用水溶液，所述一维金属光子晶体层401包括9个完整周期的二氟化镁层4011/金属层4012，改变入射角检测计算反射率及灵敏度。
本发明第一较佳实施例提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统中，二氟化镁层4011和金属层4012的厚度分别为740nm和10nm，所述金属层4012为铜，所测得的反射率及灵敏度随入射角变化而变化的曲线图如图4所示，从中，可清晰的看到当入射角为34.65 度时，能够得到最大的灵敏度，即为1452（/单位折射率）。这与传统的基于金属金的表面等离子体共振生物传感器（最大的灵敏度约为52/单位折射率）相比，灵敏度提高了将近28倍；与基于银-石墨烯的表面等离子体共振生物传感器（最大灵敏度约为118/单位折射率）相比，灵敏度提高了将近12倍；与基于铝-石墨烯的表面等离子体共振生物传感器（292/单位折射率）相比，灵敏度提高了将近5倍。
本发明第二较佳实施例提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统中，二氟化镁层4011和金属层4012的厚度分别为720nm和10nm，所述金属层4012为银，所测得的反射率及灵敏度随入射角变化而变化的曲线图如图5所示，从中，可清晰的看到当入射角为34.59度时，能够得到最大的灵敏度，即为846（/单位折射率）。这与传统的基于金属金的表面等离子体共振生物传感器（最大的灵敏度约为52/单位折射率）相比，灵敏度提高了将近16倍；与基于银-石墨烯的表面等离子体共振生物传感器（最大灵敏度约为118/单位折射率）相比，灵敏度提高了将近7倍；与基于铝-石墨烯的表面等离子体共振生物传感器（292/单位折射率）相比，灵敏度提高了将近3倍。
本发明第三较佳实施例提供的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统中，二氟化镁层4011和金属层4012的厚度分别为700nm和12nm，所述金属层4012为铝，所测得的反射率及灵敏度随入射角变化而变化的曲线图如图6所示，从中，可清晰的看到当入射角为34.58度时，能够得到最大的灵敏度，即为1267（/单位折射率）。这与传统的基于金属金的表面等离子体共振生物传感器（最大的灵敏度约为52/单位折射率）相比，灵敏度提高了将近24倍；与基于银-石墨烯的表面等离子体共振生物传感器（最大灵敏度约为118/单位折射率）相比，灵敏度提高了将近11倍；与基于铝-石墨烯的表面等离子体共振生物传感器（292/单位折射率）相比，灵敏度提高了将近4倍。
综上所述，本发明提供的高灵敏度的传感膜及表面等离子体共振传感检测系统中，所述传感膜包括一维金属光子晶体层和石墨烯层，所述一维金属光子晶体层覆盖在所述石墨烯层上，所述石墨烯层覆盖样品层的一部分，所述高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统包括：光源；用于获取所述光源所发射光线中的P偏振光的偏光器；用于接收所述P偏振光，并使其投射于传感膜上的棱镜；用于会聚经传感膜反射后从棱镜出射的P偏振光的透镜；用于检测经透镜聚光后的P偏振光的光功率的检测器，本发明通过采用包括一维金属光子晶体层和石墨烯层的高灵敏度的传感膜代替传统贵金属金作为产生表面等离激元的传感膜，极大地提高表面等离子体共振传感检测系统的灵敏度，且结构简单、易于实现，无需使用传统的贵金属金，降低了生产成本。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种传感膜，其特征在于，包括一维金属光子晶体层和石墨烯层，所述一维金属光子晶体层覆盖在所述石墨烯层上，所述石墨烯层覆盖样品层的一部分；所述一维金属光子晶体层包括若干个完整周期的二氟化镁层/金属层，所述二氟化镁层与金属层间隔设置；所述石墨烯层为单层石墨烯；所述金属层为铜、银或铝。
2.根据权利要求1所述的传感膜，其特征在于，所述二氟化镁层/金属层的周期数量为4-16个。
3.根据权利要求1所述的传感膜，其特征在于，所述金属层的厚度大于10nm。
4.根据权利要求1所述的传感膜，其特征在于，所述二氟化镁层的厚度为700-740nm。
5.一种高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项所述的传感膜，所述高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统还包括：
光源；
偏光器，用于获取所述光源所发射光线中的P偏振光；
棱镜，用于接收所述P偏振光，并使其投射于传感膜上；
透镜，用于会聚经传感膜反射后从棱镜出射的P偏振光；
检测器，用于检测经透镜聚光后的P偏振光的光功率。
6.根据权利要求5所述的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，还包括用于调整入射角度的旋转台，所述棱镜设置于旋转台上。
7.根据权利要求5所述的高灵敏度的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，所述棱镜为半球形玻璃棱镜。
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