CN109813682B - 一种基于石墨烯Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器，它是由包括固定块、石墨烯、传感层和一维光子晶体，所述固定块、石墨烯、传感层和一维光子晶体依次层叠放置，一维光子晶体位于底部，固定块中间设有一个圆孔，一维光子晶体由相互交叠而成的介质层A和介质层B组成。本发明具有结构简单，体积小，易于集成实现和灵敏度高等特点，可应用于制作高灵敏度的微纳生物传感器或其它新型生物传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物传感器，特别是一种基于石墨烯Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器。
背景技术
近些年来，生物传感器在诸多领域得到了应用，比如食品安全，环境监测，治疗诊断学等，因而受到了研究者的广泛关注。一直以来，表面等离共振(SPR)传感器在实时监测各种生物化学分子之间的相互作用上很有优势，各种基于SPR的传感器相继被提出，Tamm态是一种和SPR类似的光学现象，相关基于Tamm的新型传感器也有报道，然而它们的灵敏度和检测范围都有待提高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于石墨烯Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种基于石墨烯Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器包括固定块、石墨烯、传感层和一维光子晶体，所述固定块、石墨烯、传感层和一维光子晶体依次层叠放置，一维光子晶体位于底部，固定块中间设有一个圆孔。
优选地，所述一维光子晶体是由相互交叠而成的介质层A和介质层B组成。
优选地，所述的一维光子晶体的周期为20。
优选地，介质层A和介质层B的厚度均为λ/4n，其中，λ是中心波长，n是介质层A和介质层B的折射率。
优选地，所述介质层A的材料为二氧化硅。
优选地，所述介质层B的材料为聚甲基戊烯。
优选地，所述固定块的材料为硅。
优选地，所述单层石墨烯的厚度为0.34nm。
优选地，所述一维光子晶体是由若干介质层A和介质层B相互交叠而成，其周期为20。
优选地，所述介质层A和介质层B的厚度均为λ/4n，λ是中心波长，n是介质层A和介质层B的折射率。
优选地，所述固定紧压在石墨烯上方。
优选地，所述单层石墨烯的厚度为0.34nm。
优选地，所述传感层紧压在组成一维光子晶体的介质A上方。
本发明的技术效果在于：1.本发明用石墨烯代替传统贵金属激发光学Tamm态，具有损耗低，工作带宽宽等优点。2.本发明结构简单，易于实现。3.通过光学Tamm态的激发实现局域场增强，使得传感检测系统具有较高的灵敏度。4.通过调控石墨烯及结构参数，比如石墨烯的费米能级、弛豫时间、层数以及传感层的折射率和厚度，能够对折射率的测量范围进行扩展。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中基于石墨烯Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器的反射率在不同石墨烯层数下随入射角度变化的曲线图及灵敏度数值。
图3是本发明中基于石墨烯Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器的灵敏度随传感层折射率变化的曲线图。
图4是本发明中基于石墨烯Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器的灵敏度随传感层厚度变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下附图结果都是在TM极化，入射光垂直入射，太赫兹波段下的情况。
本发明采用的灵敏度计算方法是S＝Δθ/Δns，其中Δθ是共振角的变化，Δns是传感层折射率的变化。本发明所提出结构的反射率由传输矩阵法计算得出。
如图1所示，本发明包括石墨烯1、固定块2、传感层3和一维光子晶体5，所述一维光子晶体5置于传感层3下方，石墨烯1置于传感层2上方，固定块1置于石墨烯5上,固定块1中间设有圆孔4，固定块1的材料为硅。一维光子晶体5由若干介质层501和介质层502相互交叠而成，其周期为20。介质层501和介质层502的厚度均为λ/4n，λ是中心波长，n是介质层501和介质层502的折射率；介质层501和介质层502的材料分别为二氧化硅和聚甲基戊烯；所述介质层501和介质层502的折射率分别为1.46和1.9。
本发明的工作原理如下：生物溶液从传感层左侧管道流进，右侧管道流出，入射光从固定块圆孔入射至石墨烯表面，当传感层生物分子发生作用，导致传感层折射率发生变化时，整个结构的反射谱和激发Tamm态的共振角会发生变化，通过监测它们的变化对生物反应过程进行实时传感检测。能够观察到光学Tamm态的结构一般是金属-分布式布拉格反射镜结构和一维光子晶体异质结结构，介质层A和介质层B交替叠加组成了一维光子晶体，结构中加入石墨烯后，比起没有加石墨烯，局域场增强了近24倍，产生的局域场增强越大，得到的作用效果越明显。因此，光束照射至石墨烯与传感层交界面，产生了局域场增强，但光束进入光子晶体后，能量会迅速衰减。由于传感层折射率变化，激发光学Tamm态的入射角度会不同，传感层折射率微小的变化，使得激发光学Tamm态的入射角度发生较大变化，灵敏度是共振角的变化除以传感层折射率的变化。
图2是在入射光垂直入射和TM极化的情况下，本发明实施例提供的基于石墨烯Tamm态的高灵敏度光折射率生物传感器的反射率在不同石墨烯层数下随入射角度变化的曲线图及灵敏度数值。具体参数设置如下：石墨烯费米能级为1eV，弛豫时间为0.5e-12，传感层折射率的变化范围为1.34～1.345，Δns＝0.005，传感层的厚度为392um。随着石墨烯层数的增加我们得到了在石墨烯层数为5层时，得到最大灵敏度为436.76°/RIU。
图3是本发明实施例提供的基于石墨烯Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器件的灵敏度随传感层折射率变化的曲线图。具体参数设置如下：石墨烯费米能级为1eV，弛豫时间为0.5e12，传感层折射率的变化范围为1.34～1.42，Δns＝0.005，传感层的厚度为392um，石墨烯层数为2层，传感层的折射率的变化Δns＝0.005。在传感层折射率为1.33时，得到最大灵敏度为527.75°/RIU，当传感层折射率变化到1.42时，得到的灵敏度也有138.59°/RIU。有效提高了传感器的测量范围和灵敏度。
图4是本发明实施例提供的基于石墨烯Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器件的灵敏度随传感层厚度变化的曲线图。具体参数设置如下：石墨烯费米能级为1eV，弛豫时间为0.5e-12，传感层折射率的变化范围为1.33～1.335，Δns＝0.005，传感层的厚度为392um，石墨烯层数为1层，传感层的折射率的变化Δns＝0.005。在传感层厚度为390um时，得到最大灵敏度为376.56°/RIU。
通过本发明，调节石墨烯的层数，费米能级，传感层的厚度等参数，能够调整高灵敏区域对应的传感层折射率范围。
用石墨烯代替传统的贵金属激发Tamm态，它具有损耗低，工作带宽宽等优点，相比于传统的金属布拉格反射镜结构的传感器和SPR传感器，灵敏度更高，更易于调节。在设计生物传感器上有很好的应用价值。
本发明不仅仅只局限于这一种结构，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以添加或者替换和改变，组成任一新的结构。
Claims (2)
1.一种基于石墨烯光学Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器，其特征在于：包括固定块、石墨烯、传感层和一维光子晶体，所述固定块、石墨烯、传感层和一维光子晶体依次层叠放置，一维光子晶体位于底部，固定块中间设有一个圆孔；所述一维光子晶体是由相互交叠而成的介质层A和介质层B组成；所述的一维光子晶体的周期为20；所述石墨烯层的厚度为0.34nm；介质层A和介质层B的厚度均为λ/4n，其中，λ是中心波长，n是介质层A和介质层B的折射率；所述介质层A的材料为二氧化硅；所述介质层B的材料为聚甲基戊烯。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯光学Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器，其特征在于：所述固定块(1)的材料为硅。
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| CN106053390A (zh) * | 2016-06-23 | 2016-10-26 | 燕山大学 | 含吸收介质石墨烯的表面缺陷腔光子晶体折射率传感器 |
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2019
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