CN112345494B - 一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片 - Google Patents

一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片 Download PDF

Info

Publication number
CN112345494B
CN112345494B CN202011165140.6A CN202011165140A CN112345494B CN 112345494 B CN112345494 B CN 112345494B CN 202011165140 A CN202011165140 A CN 202011165140A CN 112345494 B CN112345494 B CN 112345494B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensor chip
graphene
long
layer
tdbc
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011165140.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112345494A (zh
Inventor
王书涛
刘娜
程琪
逄博
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yanshan University
Original Assignee
Yanshan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yanshan University filed Critical Yanshan University
Priority to CN202011165140.6A priority Critical patent/CN112345494B/zh
Publication of CN112345494A publication Critical patent/CN112345494A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112345494B publication Critical patent/CN112345494B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片，属于测量技术领域，更具体地涉及传感器芯片技术领域，包括传感器芯片基体，所述传感器芯片基体为高折射率棱镜，所述传感器芯片基体的上方依次镀有介质Cytop层和半导体TDBC膜，所述半导体TDBC膜上涂有石墨烯层。本发明的灵敏度最大可为3243 RIU‑1，使传感器实现了对物质分子快速、高灵敏度、稳定的响应信号特性。

Description

一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片
技术领域
本发明涉及一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片，属于测量技术领域，更具体地涉及传感器芯片技术领域。
背景技术
近年来，长程表面等离子体共振传感器在环境检测、医学诊断、生物学分析等方面都得到了快速发展。一般情况下，许多长程表面等离子体共振传感器广泛地基于金属激发的表面等离激元。典型的长程表面等离子体共振传感器构型由棱镜-介质Cytop层-金属层-传感层组成，当传感层的折射率发生变化时，会引起反射曲线的移动。表面等离子体共振现象可以被认为是一种光学现象，会影响电磁场的物理特性。当光子与表面等离激元相互耦合且共振频率相等时，就可以实现共振条件，且对环境变化敏感。已有报道提出了一种长程表面等离子体共振传感器，该传感器从安装在两个具有相似折射率的电介质之间的薄金属层中激发出来。
为了获得更高的灵敏度，本发明对基于半导体TDBC膜激发的表面等离子体传感器进行了研究。采用半导体TDBC膜的优点是膜内的表面等离子体激元具有强烈的振荡力量，可以给予电场强烈的耦合。此外，它制备简单，很容易旋涂或浸涂在任意基底上。作为可见光内贵金属的替代材料，基于半导体TDBC膜激发的表面等离子体传感器具有更高的灵敏度并显示出广阔的传感潜力。
已经公开了报道了将石墨烯充当保护膜以避免金属氧化(覆盖石墨烯的金属膜)。作为传感的优良材料，以蜂窝状排列的石墨烯的碳原子很容易与生物分子中普遍存在的芳香环形成π键堆积相互作用，因此石墨烯有助于有效吸附目标生物分子，具有优异的表面功能化作用。然而，石墨烯对基于半导体TDBC膜的长程表面等离子体共振传感器的影响以及基于不同数量的石墨烯层的长程表面等离子体共振传感器的依赖性仍然不清楚。因此，本发明对石墨烯修饰的基于半导体TDBC膜激发的长程表面等离子体共振传感器芯片进行了系统的研究，使传感器实现了对物质分子快速、高灵敏度、稳定的响应信号特性。
本发明开发了一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片，与传统长程表面等离子体共振传感器相比，本发明基于半导体TDBC膜激发的表面等离子体传感器，具有更高的灵敏度并显示出广阔的传感潜力。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片，使传感器实现了对物质分子快速、高灵敏度、稳定的响应信号特性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片，包括传感器芯片基体，所述传感器芯片基体为高折射率棱镜，所述传感器芯片基体的上方依次镀有介质Cytop层和半导体TDBC膜，所述半导体TDBC膜上涂有石墨烯层。
本发明技术方案的进一步该进在于：所述石墨烯层的厚度小于等于1.7nm。
本发明技术方案的进一步该进在于：所述半导体TDBC膜的厚度为2nm～5nm。
本发明技术方案的进一步该进在于：所述介质Cytop层的厚度为1800nm～2200nm。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
本发明采用半导体TDBC膜激发的表面等离子体，通过与入射光发生反应，影响电磁场的物理性质，形成表面等离子体共振现象，半导体TDBC膜内的表面等离子体激元具有强烈的振荡力量，可以给予电场强烈的耦合；它制备简单，很容易旋涂或浸涂在任意基底上，可以有效检测传感环境折射率的变化。
本发明通过添加石墨烯层，有助于长程表面等离子体传感器吸附目标生物分子；石墨烯层同时还可以为长程表面等离子体共振传感器提供更高的灵敏度，灵敏度最大可为3243RIU-1，实现了传感器对物质分子快速、高灵敏度、稳定的响应信号特性。
本发明检测灵敏度高，可适用于对检测灵敏度要求高的生物化学分析中，支持化学传感和生物传感的潜在发展。
附图说明
图1本发明实施例的结构图；
图2实施例的传感测试原理图；
图3实施例的优化等高图；
图4实施例的反射率随传感层折射率变化的曲线示意图；
图5实施例的灵敏度随传感层折射率的变化；
图6实施例的电场随折射率变化的示意图；
其中，1、传感器芯片基体，2、介质Cytop层，3、半导体TDBC膜，4、石墨烯层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片，采用532nm的激发波长。如图1所示，包括传感器芯片基体1、介质Cytop层2、半导体TDBC膜3和石墨烯层4，所述传感器芯片基体1为高折射率棱镜。所述传感器芯片基体1与半导体TDBC膜3之间通过介质Cytop层2相接，所述介质Cytop层2的厚度为2000nm，折射率为1.34；所述半导体TDBC膜3的厚度为2～5nm,折射率为-2.5886+0.3748i。所述半导体TDBC膜3上涂有厚度小于等于1.7nm、折射率为3+0.9659i的石墨烯层4，作为生物分子识别层与分析物接触，保证传感器在增加与传感层分子相互作用的同时获得高灵敏度。
通过采用本发明实施例的传感器芯片，在不同角度下的反射率通过有限元方法求解麦克斯韦方程计算得到；通过菲涅尔反射定律，以结构中包含N层为例，该结构的总反射响应可以由下式给出：
Figure BDA0002745533640000041
公式(1)中，ρi,i+1为第i层和第i+1层的反射，εi代表第i层的介电常数，εi+1代表第i+1层的介电常数di+1代表第i+1层的厚度。
此外，
Figure BDA0002745533640000042
公式(2)中，θ是传感器的透明电介质基底与多层介质层交界面上的入射光的入射角。k1x和k1y为入射光波矢(k0)的横向和纵向分量。k(i+1)x和k(i+1)y为第i+1层的波矢分量。n1为棱镜的折射率。对于长程表面等离子体共振传感器，在固定入射角下，可以计算出反射系数ΔR的空间变化。传感介质折射率的微小变化(Δns)对应的灵敏度可以表示为:
Figure BDA0002745533640000043
利用公式(1)和公式(3)对如图1所示的石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片进行仿真，计算得到的反射率曲线如图2所示。设定的贵金属TDBC膜3厚度为2nm；石墨烯层4的厚度为0.34nm。图2中，在全反射角出现了一个尖锐的表面等离子体共振峰，该表面等离子体共振峰的下降沿各点对被测样品折射率的变化比较敏感，当固定传感器的入射角，通过测量反射曲线之间的差值，从而确定灵敏度的大小。
如图3所示，本发明实施例所提供的石墨烯4修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片，随半导体TDBC膜3的厚度，石墨烯层4的层数而发生变化。为得到更大的灵敏度，可以优化相关参数。
如图4所示，采用单层石墨烯层4，当传感介质折射率从1.32变化为1.34时，反射率随入射角变化的曲线会发生移动，共振角会发生相应的红移，其原因是因为共振波矢的改变。
参照图5，添加石墨烯层4修饰的长程表面等离子体共振传感器对被测样品的变化更灵敏，当传感介质折射率从1.32变化为1.34时，灵敏度随着折射率的增大而增大，最大灵敏度为3243RIU-1；
如图6所示，当传感层的灵敏度变化时，会引起电场强度的改变。表明本发明实施例提出的长程表面等离子体共振传感器对分析物折射率的变化敏感。
如表1所示，与相似结构的传统表面等离子体共振传感器或长程表面等离子体共振传感器相比，本发明提出的传感器具有更高的灵敏度。
表1本发明提出的传感器与其他传感器的对比
Figure BDA0002745533640000051
综上所述，本发明公开了一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片，当传感层折射率增加时，传感器的共振波长角漂移量逐步增大，而此时的传感器灵敏度也随之提高，最大可为3243RIU-1。可适用于对检测灵敏度要求高的生物化学分析中，支持化学传感和生物传感的潜在发展。
显然，本文中的实施例是为了表达技术方案所作的举例，而并非对本发明的范围进行限定，在不冲突的情况下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的任何修改和改进，均应落入本发明权利要求确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片，其特征在于：包括传感器芯片基体（1），所述传感器芯片基体（1）为高折射率棱镜，所述传感器芯片基体（1）的上方依次镀有介质Cytop层（2）和半导体TDBC膜（3），所述半导体TDBC膜（3）上涂有石墨烯层（4）；所述介质Cytop层（2）的厚度为1800nm～2200nm，折射率为1.34；所述半导体TDBC膜（3）的厚度为2nm～5nm，折射率为-2.5886+0.3748i；所述石墨烯层（4）的厚度小于等于1.7nm，折射率为3+0.9659i。
CN202011165140.6A 2020-10-27 2020-10-27 一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片 Active CN112345494B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011165140.6A CN112345494B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011165140.6A CN112345494B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112345494A CN112345494A (zh) 2021-02-09
CN112345494B true CN112345494B (zh) 2022-06-03

Family

ID=74359124

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011165140.6A Active CN112345494B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112345494B (zh)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN207816820U (zh) * 2017-12-28 2018-09-04 中国地质大学（武汉） 一种表面等离子体共振传感器
CN111239082B (zh) * 2020-01-21 2023-05-23 东北大学秦皇岛分校 一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器
CN111735799A (zh) * 2020-07-02 2020-10-02 燕山大学 一种导波表面等离子体共振传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN112345494A (zh) 2021-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mitsui et al. Optical fiber affinity biosensor based on localized surface plasmon resonance
Maharana et al. Chalcogenide prism and graphene multilayer based surface plasmon resonance affinity biosensor for high performance
CN208752007U (zh) 一种高灵敏度光纤spr生物传感器
TWI364533B (en) A method for improving surface plasmon resonance by using conducting metal oxide as adhesive layer
JP4581135B2 (ja) 光導波モードセンサー用のチップ
CN104568849B (zh) 三维亚波长金属腔体结构光谱多带光完美吸收等离激元传感器及其制备方法与用途
CN107064078B (zh) 基于bsw的光学传感器及光学检测方法
CN112461787B (zh) 一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器及方法
Pal et al. Figure of merit enhancement of surface plasmon resonance biosensor using Ga-doped zinc oxide in near infrared range
JP2007271596A (ja) 光導波モードセンサー
CN103926218A (zh) 一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器
JP3961405B2 (ja) 表面プラズモン共鳴センサおよび屈折率変化測定方法
CN112461794B (zh) 长程spr传感器及其制备方法
CN110346326B (zh) 一种光学传感器
CN112345494B (zh) 一种石墨烯修饰的长程表面等离子体共振传感器芯片
Mohapatra et al. Theoretical study of modulated multi-layer SPR device for improved refractive index sensing
Gong et al. Theoretical study on negative permittivity of the material producing sharp surface plasmon resonance dips
Kexiu et al. High sensitivity SPR sensor for liquid phase sample with Ag/PbS/Graphene hybrid nanostructure
CN111735799A (zh) 一种导波表面等离子体共振传感器
CN112326598A (zh) 一种二维材料增敏的表面等离子体共振传感器芯片
Ahmed et al. Copper-Germanium-Graphene based highly sensitive plasmonic biosensor for protein detection
Moussilli et al. On the Enhancement of Surface Plasmon Resonance Biosensors by Graphene for Medical Applications
Phan et al. Effects of graphene layer addition on sensitivity of surface plasmon resonance sensor for immunoglobulin M detection
US20090015840A1 (en) Miniature surface plasmon resonance sensor chip
CN113933266B (zh) 传感元件及传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant