CN107202776B - 太赫兹表面等离子体共振传感装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太赫兹表面等离子体共振传感装置及使用方法，包括基台，基台上设置有由电机驱动转动的旋转平台，旋转平台上设置有折射率传感耦合结构，折射率传感耦合结构包括依次设置的三棱镜、MgF2基底层、缓冲层、掺杂石墨烯层、样品池，利用石墨烯作为激发表面等离子体极化波的介质，样品池设置用供样品流入流出的出入口，流入样品池内的样品直接与掺杂石墨烯层接触，基台上设置有太赫兹发射器、太赫兹接收器，三棱镜一个侧面与MgF2基底层相连接，太赫兹发射器、太赫兹接收器分别位于三棱镜不与MgF2基底层相连接的两个侧面的旁侧，太赫兹接收器连接信号处理装置，本发明结构简单、操作方便，可靠性强，大大提高了系统检测的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹等离子体共振传感领域的太赫兹表面等离子体共振传感装置及使用方法。
背景技术
表面等离子体是由导电媒质和绝缘体媒质分界面处自由电子的集体震荡产生的。光子和表面等离子体之间的强耦合作用称为表面等离子体极化，它们之间的耦合作用将导致表面等离子体的共振（SPR）,并且对靠近导电媒质和绝缘体媒质分界面处介质环境的变化非常敏感，因此SPR传感技术常被运用于传感分析，尤其在生物传感的运用方面，其可以有效地对生物分子的反应过程进行监测。
石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层，约为0.34nm。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯优越的性能，使其被广泛地运用于SPR传感领域。
太赫兹（THz）是波动频率单位之一。THz波频段大概在0.1-10THz之间，是一种新的、有很多独特优点的辐射源。由于太赫兹对大部分的包装材料具有穿透性和非电离性，使其在无损安全检测方面具有重要的应用。此外，大多数大分子的固有振动和旋转频率位于太赫兹频段，所以太赫兹在生物传感领域的应用具有独天得厚的优势。其独特的性能也给宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域带来了深远的影响。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种太赫兹表面等离子体共振传感装置及使用方法。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种太赫兹表面等离子体共振传感装置，包括基台，所述基台上设置有由电机驱动转动的旋转平台，所述旋转平台上设置有折射率传感耦合结构，所述折射率传感耦合结构包括依次设置的三棱镜、MgF2基底层、缓冲层、掺杂石墨烯层、样品池，所述样品池设置用供样品流入流出的出入口，流入样品池内的样品直接与掺杂石墨烯层接触，所述基台上设置有太赫兹发射器、太赫兹接收器，三棱镜一个侧面与MgF2基底层相连接，太赫兹发射器、太赫兹接收器分别位于三棱镜不与MgF2基底层相连接的两个侧面的旁侧，所述太赫兹接收器连接信号处理装置。
进一步的，所述信号处理装置为PC。
进一步的，所述MgF2基底层粘附在三棱镜上。
进一步的，所述缓冲层为采用聚轻基苯乙烯的衍生物NFC在MgF2基底上进行旋涂，厚度为20 nm。
进一步的，所述掺杂石墨烯层的掺杂率为0.6 -1.64eV 。
进一步的，所述太赫兹发射器发射频率为5THz、TM偏振的太赫兹光源。
进一步的，所述MgF2基底层由5.5 μm厚，折射率约为1.36 的MgF2材料构成。
进一步的，所述三棱镜为锗棱镜。
一种太赫兹表面等离子体共振传感装置的使用方法，包括以下步骤：（1）将折射率传感耦合结构放置于旋转平台上，将样品加入样品池，旋转平台旋转进行太赫兹辐射源入射角度的调制；（2）太赫兹发射器发射太赫兹光源至三棱镜，太赫兹光源从三棱镜的一边以大于三棱镜全反射临界角的入射角度入射，在三棱镜底部发生全反射并形成倏逝波，当入射的TM偏振光的光子能量和动量与石墨烯-样品界面上的表面等离子极化波的能量和动量相匹配时，将在石墨烯-样品界面上激发表面等离子极化波，不同入射角度的单频、TM偏振太赫兹辐射源将与特定的样品反应，耦合成沿着石墨烯-样品界面传播的表面等离子极化波，而后产生全反射，从三棱镜另一边射出；（3）太赫兹探测器探测三棱棱镜调制的太赫兹辐射源，将探测采集到的信息传送至PC；（3）PC计算每个入射角度下，放置样品后探测得到的信号强度与放置样品前探测得到的信号强度的比值，此比值即为此角度的反射率，最后得到不同入射角度下的反射率，形成太赫兹反射谱。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：利用掺杂石墨烯作为激发表面等离子体的介质，结合角度调制技术实现太赫兹以不同角度入射，根据太赫兹反射普中波谷位置的漂移，实现物体折射率的检测，结构简单、操作方便，可靠性强，在研究高灵敏度等离子体共振物体折射率传感器方面具有潜在的工程应用价值，有效地克服了Otto型表面等离子体共振耦合结构传感系统，在检测时，制备特定微小厚度分析物的缺点，大大提高了系统检测的实用性。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为该本装置的结构示意图；
图2为不同石墨烯掺杂水平下太赫兹信号反射普；
图3 为不同样品下太赫兹信号反射普；
图4为半峰全宽、品质因素与待测样品折射率关系曲线图；
图5为不同基底下分析物折射率与共振角度的拟合曲线图。
图中：
1-太赫兹发射器；2-三棱镜；3-旋转平台；4-太赫兹探测器；5-样品池；6-样品；7-掺杂石墨烯层；8-缓冲层；9-MgF2基底层；10-信号处理装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，一种太赫兹表面等离子体共振传感装置，包括基台，所述基台上设置有由电机驱动转动的旋转平台，所述旋转平台上设置有折射率传感耦合结构，所述折射率传感耦合结构包括依次设置的三棱镜、MgF2基底层、缓冲层、掺杂石墨烯层、样品池，利用石墨烯优越的电子学性能，作为激发表面等离子体极化波的介质，所述样品池设置用供样品流入流出的出入口，流入样品池内的样品直接与掺杂石墨烯层接触，所述基台上设置有太赫兹发射器、太赫兹接收器，三棱镜一个侧面与MgF2基底层相连接，太赫兹发射器、太赫兹接收器分别位于三棱镜不与MgF2基底层相连接的两个侧面的旁侧，所述太赫兹接收器连接信号处理装置。
在本实施例中，三棱镜将旋涂有缓冲层的MgF2基底接粘在其上方，而后再设置掺杂石墨烯层，形成Kretschmann型的棱镜表面等离子体耦合结构。
在本实施例中，所述信号处理装置为PC。
在本实施例中，所述MgF2基底层粘附在三棱镜上。
在本实施例中，所述缓冲层为采用聚轻基苯乙烯的衍生物NFC在MgF2基底上进行旋涂，厚度为20 nm。
在本实施例中，所述掺杂石墨烯层的掺杂率为0.6 -1.64eV 。
在本实施例中，石墨烯采用加电压进行掺杂，石墨烯可转移置缓冲层上。
在本实施例中，所述太赫兹发射器发射频率为5THz、TM偏振的太赫兹光源。
在本实施例中，所述MgF2基底层由5.5 μm厚，折射率约为1.36 的MgF2材料构成。
在本实施例中，所述三棱镜为锗棱镜。
一种太赫兹表面等离子体共振传感装置的使用方法，包括以下步骤：（1）将折射率传感耦合结构放置于旋转平台上，将样品加入样品池，旋转平台旋转进行太赫兹辐射源入射角度的调制；（2）太赫兹发射器发射太赫兹光源至三棱镜，太赫兹光源从三棱镜的一边以大于三棱镜全反射临界角的入射角度入射（），在三棱镜底部发生全反射并形成倏逝波，当入射的TM偏振光的光子能量和动量与石墨烯-样品界面上的表面等离子极化波的能量和动量相匹配时，将在石墨烯-样品界面上激发表面等离子极化波，不同入射角度的单频、TM偏振太赫兹辐射源将与特定的样品反应，耦合成沿着石墨烯-样品界面传播的表面等离子极化波，而后产生全反射，从三棱镜另一边射出；（3）太赫兹探测器探测三棱棱镜调制的太赫兹辐射源，将探测采集到的信息传送至PC；（3）PC计算每个入射角度下，放置样品后探测得到的信号强度与放置样品前探测得到的信号强度的比值，此比值即为此角度的反射率，最后得到不同入射角度下的反射率，形成太赫兹反射谱。
在本实施例中，当有等离子体极化波激发时，在反射普中，将出现一个波谷，不同的样品因具有不同的介电常数，使得石墨烯表面的介电环境发生改变，进而使得太赫兹反射谱波谷的位置发生移动，根据此特性可以实现物体折射率的传感。
本装置创新性地利用将掺杂的石墨烯替代传统的贵金属材料，如金、银等，利用太赫兹技术，激发出表面等离子体。在传感结构的设计上，将石墨烯转移至旋涂有NFC缓冲层的MgF2基底上，而基底则直接粘附在锗棱镜上， 形成Kretschmann型表面等离子体共振耦合结构，来实现分析物折射率的检测。该结构有效地克服了Otto型表面等离子体共振耦合结构传感系统，在检测时，制备特定微小厚度分析物的缺点，大大提高了系统检测的实用性。该系统结构简单，操作方便，可靠性强，经模拟研究表明，当石墨烯的掺杂水平为1.0eV，可使该传感系统的检测精度达到最大；同时，经过计算该系统的灵敏度达到了28.5度/RIU；品质因数在6.84 RIU-1和7.43RIU-1之间变化。进一步的，采用较大折射率的基底有助于提高系统的灵敏度和品质因数，当采用折射率约为1.73的离子胶（ion-gel）作为基底时，传感系统的灵敏度和品质因数分别达到了49.5度/RIU，8.76 RIU-1。利用石墨烯优越的电子学性能作为激发表面等离子体的介质，结合太赫兹技术，在研究高灵敏度等离子体共振物体折射率传感器方面具有潜在的工程应用价值。
如图2所示，双点划线、点划线、虚线、点线和实线，分别表示当分析物的折射率为1时，石墨烯掺杂水平EF 分别为0.6 -1.64eV时，太赫兹信号反射普。插图表示太赫兹信号反射普半峰全宽A与石墨烯掺杂水平，即费米能级E F 的关系。从图中我们可以看出，随着石墨烯掺杂水平的提高，太赫兹信号反射普的半峰全宽逐渐变小并趋于稳定。传感系统的检测精度定义为半峰全宽的倒数，从插图可以明显看出，在石墨烯的掺杂水平EF = 1.0 eV时半峰全宽最小，即检测精度最大。所以，适当提高石墨烯的掺杂水平同样有助于提高系统的检测精度。
如图3所示，双点划线、点划线、虚线、点线、实线，分别表示石墨烯掺杂水平EF =1.0 eV， 分析物折射率从1.0变化到1.4时太赫兹信号反射普。从图中我们可以看出，表面等离子体共振角度随着分析折射率的增加而增加，将分析物折射率与所对应的最佳共振角度的散点数据进行线性拟合得到拟合曲线的斜率，即传感系统的灵敏度为28.5度/RIU。
如图4所示，方点曲线和园点曲线分别表示，石墨烯掺杂水平EF = 1.0 eV时，该传感系统的半峰全宽、品质因素与分析物折射率（n a ）关系曲线；从图中可以看出，随着待测样品折射率的增加，半峰全宽先减小后增加，即系统测量灵敏度先增加后减小，而品质因素的变化趋势与系统灵敏度的变化趋势一致，同样为先增加后减小，在1.0-1.4的分析物折射率范围内，系统品质因数在6.84 RIU-1和7.43RIU-1之间变化。
如图5所示，实线、虚线、双点划线、点线和点划线分别表示，在石墨烯掺杂水平EF =1.0 eV时，基底折射率从1.36变化到1.73时，在不同分析物折射率与共振角度的拟合曲线，从图中可以看出，随着基底折射率的增加， 分析物折射率与共振角度的拟合曲线的斜率增加，即系统的灵敏度增加。在基底折射率ns = 1.73时，其灵敏度到达了49.5度/RIU。相应的我们计算了当分析物折射率为1时，系统对应的品质因数为8.76 RIU-1。所以，采用较大折射率的基底有助于提高系统的灵敏度和品质因数。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种太赫兹表面等离子体共振传感装置，其特征在于：包括基台，所述基台上设置有由电机驱动转动的旋转平台，所述旋转平台上设置有折射率传感耦合结构，所述折射率传感耦合结构包括依次设置的三棱镜、MgF2基底层、缓冲层、掺杂石墨烯层、样品池，所述样品池设置用供样品流入流出的出入口，流入样品池内的样品直接与掺杂石墨烯层接触，所述基台上设置有太赫兹发射器、太赫兹接收器，三棱镜一个侧面与MgF2基底层相连接，太赫兹发射器、太赫兹接收器分别位于三棱镜不与MgF2基底层相连接的两个侧面的旁侧，所述太赫兹接收器连接信号处理装置；所述信号处理装置为PC；所述MgF2基底层粘附在三棱镜上。
2.根据权利要求1所述的太赫兹表面等离子体共振传感装置，其特征在于：所述缓冲层为采用聚轻基苯乙烯的衍生物NFC在MgF2基底上进行旋涂，厚度为20 nm。
3.根据权利要求2所述的太赫兹表面等离子体共振传感装置，其特征在于：所述掺杂石墨烯层的掺杂率为0.6 -1.64eV 。
4.根据权利要求3所述的太赫兹表面等离子体共振传感装置，其特征在于：所述太赫兹发射器发射频率为5THz、TM偏振的太赫兹光源。
5.根据权利要求4所述的太赫兹表面等离子体共振传感装置，其特征在于：所述MgF2基底层由5.5 μm厚，折射率约为1.36 的MgF2材料构成。
6.根据权利要求5所述的太赫兹表面等离子体共振传感装置，其特征在于：所述三棱镜为锗棱镜。
7.一种太赫兹表面等离子体共振传感装置的使用方法，采用如权利要求6所述的太赫兹表面等离子体共振传感装置，其特征在于，包括以下步骤：（1）将折射率传感耦合结构放置于旋转平台上，将样品加入样品池，旋转平台旋转进行太赫兹辐射源入射角度的调制；（2）太赫兹发射器发射太赫兹光源至三棱镜，太赫兹光源从三棱镜的一边以大于三棱镜全反射临界角的入射角度入射，在三棱镜底部发生全反射并形成倏逝波，当入射的TM偏振光的光子能量和动量与石墨烯-样品界面上的表面等离子极化波的能量和动量相匹配时，将在石墨烯-样品界面上激发表面等离子极化波，不同入射角度的单频、TM偏振太赫兹辐射源将与特定的样品反应，耦合成沿着石墨烯-样品界面传播的表面等离子极化波，而后产生全反射，从三棱镜另一边射出；（3）太赫兹探测器探测三棱棱镜调制的太赫兹辐射源，将探测采集到的信息传送至PC；（3）PC计算每个入射角度下，放置样品后探测得到的信号强度与放置样品前探测得到的信号强度的比值，此比值即为此角度的反射率，最后得到不同入射角度下的反射率，形成太赫兹反射谱。
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