CN110146470A - 一种基于d型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器 - Google Patents

一种基于d型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器 Download PDF

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Abstract

本发明研究了一种基于D型光纤的石墨烯‑金属‑石墨烯生物传感器，其主要由一段侧抛光纤后形成的D型侧抛区(3)和镀膜材料层(4)组成；(1)为光纤纤芯、(2)为光纤包层；通过抛磨方法在光纤包层中抛磨出一个侧抛区(3)长度约10mm，距纤芯厚度为500nm,在抛磨平面镀上镀膜材料层(4)，其中镀膜材料层(4)由石墨烯(5)与金属纳米线(6)组成；λ1为入射光，λ2为出射光。从结构上，使用光纤纤芯作为波导载体，可以极大地缩小传感系统的体积小稳定性高，集成性好；采用金属钠米线代替传统的金属膜，可以增强了传感器的灵敏度和应用范围。本发明可广泛地应用生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域。

Description

一种基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于D型光纤结构的表面等离子体传感器，属于光纤传感领域。可广泛应用在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域的D型光纤生物传感器。
(二)背景技术
表面等离子体共振(SPR)传感器是利用SPR效应，通过外界环境折射率的变化，而影响共振峰的位置变化，从而实现传感检测。由于光纤SPR传感器具有无需标记、体积小、灵敏度高、传感系统易于搭建、抗电磁干扰、集成性好、能够实时在线检测等优点，被广泛地应用于疾病诊断、食品安全、环境检测等领域。
光纤SPR传感器是利用表面等离子体共振的原理，采用了光纤作为波导介质，从而实现传感功能。当入射光在光纤纤芯与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成倏逝波进入到光疏介质中，而在金属介质中又存在一定的等离子波。一定条件下两波相遇时会产生共振。当倏逝波与表面等离子波发生共振时，倏逝波的能量耦合到等离子体波中，使得入射光的能量被吸收，直接导致检测到的反射光的能量大幅度地减弱，并在反射光强响应曲线检测到一个最小的尖峰，即共振吸收峰。当金属膜表面的外界环境折射率发生改变时，会影响共振吸收峰的位置变化，通过测量共振吸收峰位置的改变量来计算得到外界折射率的变化。
1968年德国学者Otto根据SPR的衰减全反射的相关原理，成功设计了棱镜耦合结构的Otto型SPR传感器。该结构的棱镜和金属层存在一个很小的缝隙(200nm)左右，使得Otto型的SPR传感器更合适研究单晶体表面。但是由于这个缝隙太小，难以精确控制，使得实验结果的重复性和稳定性差。1971年德国物理学者Krestchmann对Otto型的SPR传感器进行改进，他使用棱镜耦合全内反射的方法，将金属膜直接镀在棱镜面上，金属膜的厚度控制在10～100nm。Krestchmann型的SPR传感器的发明为以后各种SPR传感器的研究奠定了一定的理论及实践基础。
1992年美国博士R.C.Joergenson课题组提出也可以用光纤纤芯代替传统的棱镜作为波导载体来实现表面等离子体传感。并在1993年成功设计出基于光纤纤芯的SPR传感器。与传统棱镜SPR传感器相比，光纤SPR传感器具有稳定性高，体积小，传感系统易于搭建，抗电磁干扰性强，集成性好等诸多优点。因此被广泛应用于生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域。
自石墨烯问世以来，其具备的优良特性一直备受关注；石墨烯韧性，且易于弯曲；石墨烯中的碳原子经过杂化后会形成大π健，因而赋予了石墨烯优异的导电性和光学特性。在室温下，石墨烯的电导率高达15000cm2/(V*s)；单层石墨烯对光的吸收率约为2.3％,在一定的条件下，其对光的吸收率与石墨烯的层数呈线性关系，这就说明，在基于石墨烯的光纤SPR传感器中，可以通过改变石墨烯的层数，从而提高传感器的灵敏度。
研究发现使用不同镀膜金属、改变镀膜金属厚度、包层剩余厚度都可以改变传感器的灵敏度。基于石墨烯D型光纤生物传感器，是将石墨烯引入进光纤传感中，可以极大的提高传感器的灵敏度以及应用范围，通过合理的设置包层的剩余厚度、镀膜金属的厚度以及镀膜金属的种类等，可以确定得到一个最佳灵敏度的物理参数，从而实现高灵敏度的SPR传感测量。
然而，现今多数传感器体积大、测量范围小、灵敏度较低等问题；本发明采用全光纤作为传感器，其具有体积小，测量范围广、灵敏度高，不易受外界环境的影响的特点。
(三)发明内容
本发明主要为了提供一种具有高分辨率，稳定性好，结构简单易实现、适用范围广、高灵敏度的光纤SPR传感器。
本发明是这样实现的:
基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器，由一段侧抛光纤后形成的D型侧抛区(3)和镀膜材料层(4)组成，其中镀膜材料层采用金属纳米线作为镀膜金属，再在镀膜金属层的上下表面都覆上石墨烯；(1)为光纤纤芯、(2)为光纤包层；通过抛磨方法在光纤包层中抛磨出一个侧抛区(3)长度约10mm，距纤芯厚度为500nm,在抛磨平面镀上镀膜材料层(4)，其中镀膜材料层(4)由石墨烯(5)与金属纳米线(6)组成；λ1为入射光，λ2为出射光。其特征在于：所发明的基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器，通过侧抛的方法将光纤制作成D型光纤，在侧抛区域先后镀上石墨烯，金属钠米线，石墨烯的结构，其从而形成三明治结构的光纤传感器；就构成了基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器。
金属层采用金属纳米线代替传统的金属膜，并且在金属纳米线的两侧都覆上石墨烯；
按上述方案，所使用的光纤为单模光纤，纤芯直径为8um,包层直径为125um。
按上述方案，将光纤侧抛成D型光纤，包层剩余厚度为500nm。
按上述方案，传感金属层采用金属纳米线，其中金属线的直径为65nm。
按上述方案，根据石墨烯对光的吸收率与层数呈线性关系，该传感器所覆的石墨烯层数为3层。
按上述方案，入射光的波长范围是550nm～950nm。
按上述方案，通过改变外界折射率的变化，便可以探测出其灵敏度，所以外界折射率在1.33～1.34之间变化。
基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器的工作原理：当入射光传播到侧抛区时，入射光中有一小部分的光转变为倏逝波与金属中的表面等离子波发生共振，倏逝波的能量会耦合到表面等离子体波中，使得入射光的能量被吸收，直接导致检测到的反射光的能量大幅度地减弱，并在反射光强响应曲线检测到一个最小的尖峰，即共振吸收峰。当金属膜表面的外界环境折射率发生改变时，会影响共振吸收峰的位置变化，通过测量共振吸收峰位置的改变量来计算得到外界折射率的变化。
(四)附图说明
图1为基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器的结构图。
图2为本发明传感器采用不同的剩余包层厚度时的损耗光谱图。
图3为本发明传感器采用金属纳米线直径为65nm，外界测量介质的折射率为1.33和1.34条件下的损耗光谱图。
图4为本发明传感器在外界测量介质的折射率为1.33～1.39下时的损耗光谱图。
图5为本发明传感器在外界测量介质的折射率为1.35～1.38下时的平均灵敏度图。
(五)具体实施方式
下面将结合实例与附图对本发明的技术方案做进一步的说明与探讨，以突出本发明的优点。
本发明公开的是一种基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器；该传感器主要由一段侧抛光纤后形成的D型平面区(3)和镀膜金属层(4)组成，其中镀膜金属层采用金属纳米线作为镀膜金属，(1)为光纤纤芯、(2)为光纤包层。通过抛磨方法在光纤包层中抛磨出一个平面(3)长度为10mm，距纤芯厚度为500nm,在抛磨平面镀上石墨烯(5)和金属纳米线(6)。本发明的传感器，是将石墨烯引入进光纤传感中，可以极大的提高传感器的灵敏度以及应用范围，通过合理的设置包层的剩余厚度、镀膜金属的厚度以及镀膜金属的种类等，可以确定得到一个最佳灵敏度的物理参数，从而实现高灵敏度的SPR传感测量。该光纤传感器采用全光纤作为传感器，其具有体积小，测量范围广、灵敏度高，不易受外界环境的影响的特点，可应用在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域。
石墨烯中的碳原子经过杂化后会形成大π健，因而赋予了石墨烯优异的导电性和光学特性。在室温下，石墨烯的电导率高达15000cm2/(V*s)；单层石墨烯对光的吸收率约为2.3％,在一定的条件下，其对光的吸收率与石墨烯的层数呈线性关系，这就说明，在基于石墨烯的光纤SPR传感器中，可以通过改变石墨烯的层数，从而提高传感器的灵敏度。
石墨烯的光学折射率可表示为：
其中C＝5.446um-1，λ是入射光的波长。
单层石墨烯的厚度为0.34nm。
在本发明实例中，光纤采用纤芯直径为8um，包层直径为125um的单模光纤；相比于多模光纤，单模光纤传输频带宽、容量大、噪声低的优势；本发明中需将光纤进行侧抛成D型光纤，其中包层剩余厚度在0～800nm之间变化；侧抛区的材料为石墨烯、金属纳米线、石墨烯的三明治结构；金属纳米线的厚度在45nm～85nm之间变化，其中金属纳米线可以为任何符合表面等离激元的材料如金、银、铜、铝等，在本例中优选金纳米线。
通过改变光纤包层剩余厚度、金属纳米线的厚度、外界测量介质的折射率以及石墨烯的层数等结构参数，来影响共振吸收峰的位置；通过吸收峰的红移的改变量，可以直观得出该传感器在此时的灵敏度；由此可以知道，在合理结构参数下，能得到最佳的灵敏度。
计算灵敏度的公式为：
其中Δλ为共振吸收峰的波长改变量，Δn为外界测量介质折射率的改变量。
图2是通过固定镀膜金属的厚度，改变包层剩余厚度，可以得到不同的损耗光谱图，横坐标为波长，纵坐标为损耗；图中分别为0nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm的包层剩余厚度下的损耗光谱图；从图可以得出，包层剩余厚度越少，SPR的共振吸收峰越深，但其共振峰的宽度过宽，会导致检测的精度降低；同样的，包层剩余厚度越多，影响倏逝波的能量传输，使得共振吸收峰越浅，SPR效应不明显；故可选取包层剩余厚度为500nm。
图3为固定包层剩余厚度为500nm，3层石墨烯的条件下，金属纳米线的厚度为65nm时，外界测量介质的折射率在1.33和1.34的变化下的波长改变量的损耗光谱图；从图中可以得出，当在3层石墨烯，包层剩余厚度为500nm以及纳米金属的厚度为65nm的条件下，共振吸收峰所在波长的位置由677.87nm红移到699.01nm,可得此时的灵敏度约为2114nm/RIU。故在同等的条件下，采用金属纳米线的厚度为65nm时，可得到最佳的灵敏度。
图4是为固定包层剩余厚度为500nm，3层石墨烯，金属纳米线的厚度为65nm的条件下，外界测量介质从1.33、1.34、1.35、1.36、1.37、1.38、1.39变化下，所得出的损耗光谱图；
根据图4可知，金属纳米线的厚度为65nm时的共振吸收峰，在1.33到1.34之间的折射率，其共振吸收峰深度较浅，SPR现象不明显，同时，当随着外界测量介质的折射率逐渐增加时，其线性拟合效果变差；图5是由图4所得本发明的传感器在最合适的传感测量范围为1.35到1.38下的平均灵敏度，其值为3862nm/RIU。

Claims (3)

1.一种基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器，由一段侧抛光纤后形成的D型侧抛区(3)和镀膜材料层(4)组成，其中镀膜材料层采用纳米金属线作为镀膜金属，再在镀膜金属层的上下表面都覆上石墨烯；(1)为光纤纤芯、(2)为光纤包层；通过抛磨方法在光纤包层中抛磨出一个侧抛区(3)长度约10mm，距纤芯厚度为500nm,在抛磨平面镀上镀膜材料层(4)，其中镀膜材料层(4)由石墨烯(5)与金属纳米线(6)组成；λ1为入射光，λ2为出射光。其特征在于：所发明的基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器，通过侧抛的方法将光纤制作成D型光纤，在侧抛区域先后镀上石墨烯，金属纳米线，石墨烯的结构，从而形成三明治结构的光纤传感器；就构成了基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器。
2.根据权利要求1所述的基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器，其特征在于：本发明中金属层采用金属纳米线代替传统的金属膜，并且在金属纳米线的两侧都覆上石墨烯；包层剩余厚度为500nm,纳米金属线的厚度为65nm，石墨烯的层数为3层。
3.根据权利要求1所述的基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器，其特征在于：根据该传感器对外界介质射射率的细微变化极其敏感的特性，当金属膜表面的外界环境折射率发生改变时，会影响共振吸收峰的位置变化，通过测量共振吸收峰位置的改变量来计算得到外界折射率的变化。
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