CN113280843A - 一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤spr传感器及解析方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及光纤生物传感技术领域，具体为一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器及解析方法和应用，所述传感器包括倾斜光栅光纤和石墨烯包覆银膜的等离激元层；PBASE作为桥梁连接探针DNA和石墨烯。通过引入石墨烯包覆银层的结构，不仅可以有效的规避以上的不足，还可以进一步提升传感器的性能，实现低浓度生物分子的检测，并通过TFBG震荡的模式调控与微流控系统的封闭式检测可以保障输出信号的高质量，检测环境的稳定性以及检测溶液的利用效率。
Description
技术领域
本公开涉及光纤生物传感技术领域，具体为一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器及解析方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
表面等离激元共振技术是一种兴起于20世纪90年代，基于SPR原理用于检测匹配体与分析物作用的光学传感技术。表面等离激元共振的基本原理是在横向极化电磁波的激励下在激励层交叉处呈现电荷密度量子的振荡状态。然而表面等离激元共振模式需要光波导结构，强聚焦光束，光栅耦合，棱镜耦合，远近场激发等方法激励SPR效应。这是由于在连续的金属表面等离子体波矢量大于光波而无法激发出沿界面传播的表面等离子体波。波导结构便是通过结合光纤倏逝场与表面等离子体而成的一种极为高效的SPR检测方法。
光纤传感技术是利用倏逝波的波导结构将光纤传导与等离激元共振技术有机结合的新型检测技术。自20世纪70年代起，光纤SPR技术由于无需对研究的分子进行标记、灵敏度高且可实时检测、抗干扰、集成性好、微样本测量、实时监测、装置经济、多通道测量等优点，已成为国内外传感器领域的研究热点。光纤SPR传感器的原理是基于外界信号按照其变化规律对应传输光波的强度、波长、频率、相位和偏振态等一系列物理参量的改变，通过测量光参量的改变“感知”外界信号的变化。然而传统的光纤SPR在检测低浓度目标分子时过低的精确度一直是饱受争议的话题，这是因为传统光纤结构表面电荷量子态密度较低导致输出信号展宽过大，造成了生物检测应用困难的局面。倾斜光栅光纤由于其特殊的极化激发模式，可以通过多模式耦合共振将光纤外表面能量密度大幅度提升，从而获得更高的品质因数，在低浓度生物分子检测时表现出了极强的优势。此外，TFBG特有的震荡模式可以避免外界温变带来的干扰，这是普通光纤传感器不具备的。
现有的研究基本通过传统的银，金制备贵金属等离激元层的形式制备倾斜光栅SPR传感器，存在抗氧化性差，等离激元效应差，比表面积小，生物亲和性不好等诸多方面的问题，而且，传统SPR传感器无法实现低浓度生物分子检测，灵敏度较差、稳定性较低。
发明内容
由于传统的SPR传感器存在一系列的缺陷，为了解决这些问题，本公开提供了一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器及解析方法和应用，通过引入石墨烯包覆银层的结构，不仅可以有效的规避以上的不足，还可以进一步提升传感器的性能。这是由于石墨烯特殊的结构和光电特性决定的。并通过TFBG震荡的模式调控与微流控系统的封闭式检测可以保障输出信号的高质量，检测环境的稳定性以及检测溶液的利用效率。
具体地，本公开的技术方案如下所述：
在本公开的第一方面，一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器，所述传感器包括倾斜光栅光纤和石墨烯包覆银膜的等离激元层；PBASE作为桥梁连接探针DNA和石墨烯。
在本公开的第二方面，一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器的制备方法包括：采用掩膜法紫外光刻技术制备TFBG；采用双面蒸镀法在制备好的TFBG表面蒸镀银层；通过湿法转移将石墨烯层包裹在被银的传感器上。
在本公开的第三方面，一种TFBG-SPR检测系统，所述检测系统包括所述的石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器，所述石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器被密封于微流控检测系统中。
在本公开的第四方面，一种低浓度生物分子解析方法，所述解析方法基于所述的石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器和/或所述的TFBG-SPR检测系统。
在本公开的第五方面，所述的石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器和/或所述的TFBG-SPR检测系统和/或所述的低浓度生物分子解析方法在低浓度检测或生物小分子的检测中的应用。
本公开中的一个或多个技术方案具有如下有益效果：
(1)、本公开采用倾斜光栅光纤作为传媒介质，在栅区的银膜发生等离激元共振响应，表面能量态密度经过光栅间的多重耦合共振得到极大的提高，从而使得传感器拥有了的突出的灵敏度和品质因数。并且，石墨烯的引入不仅通过与贵金属间的载流子迁移使得传感器的性能得到了进一步提升，还修饰了传感器敏感层的生化环境，使传感器更加稳定，生物亲和能力得到改善，分子吸附能力更加突出。
(2)、传感器的性能可以通过输入光的偏振调控实现传感器极化模式选择，从而优化石墨烯敏增倾斜光栅光纤的性能指标。这种基于石墨烯敏增TFBG传感器生物解析方法具有稳定性强，灵敏度好，抗干扰能力强，品质因数高等特点，特别是低浓度生物分子检测时具有传统传感器不具备的优势。
(3)、本公开基于所述传感器能够实现低浓度生物分子检测(0.01pM FC_DNA)，检测灵敏度从694nm/RIU，升为750.6nm/RIU。然而，传统单膜倾斜光栅光纤传感器的检测极限只到1-10pM两级，现在相当于是原来的100-1000倍。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1：为实施例1的光纤制备、修饰、检测的技术路线图。
图2：为实施例1的传感器结构的示意图，以及对应倾斜光栅光纤传感器的截面图，截面图中包括：栅区(倾斜角度：6°，栅区长度：1cm)、50nm银膜、0.34nm石墨烯层；斜光栅光纤传感器局部放大图，放大图中包括：链接石墨烯与DNA链的PBASE，DNA结合双链。
图3：为实施例1的Gr/Ag/TFBG-SPR传感器在等离子体共振时的光谱图(0.01pMFC_DNA)。
图4：为实例1的Gr/Ag/TFBG-SPR传感器在不同浓度FC_DNA(1nM-0.01pM)SPR吸收峰的局域放大图.
图5：(a)为Ag/TFBG-SPR传感器在折射率为1.3592-1.3649的介质环境中等离子体共振时的光谱图，(b)为Gr/Ag/TFBG-SPR传感器在同样的介质中的反应光谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本公开。应理解，这些实施例仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
目前，传统的倾斜光栅SPR传感器，存在抗氧化性差，等离激元效应差，比表面积小，生物亲和性不好等诸多方面的问题，而且，传统SPR传感器无法实现低浓度生物分子检测，灵敏度较差、稳定性较低。为此，本公开提供了一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器及解析方法和应用。
在本公开的一种实施方式中，一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器，所述传感器包括倾斜光栅光纤和石墨烯包覆银膜的等离激元层；PBASE作为桥梁连接探针DNA和石墨烯。
银的等离激元共振效果要优于金，铜，铝等金属层，可以引入更强的等离激元共振，故传感器的性能会更优异。二维材料石墨烯引入，由于石墨烯的高透光性和特殊的物化特性，不仅可以规避银容易氧化的缺点，而且，他可以于银层实现载流子的迁移，从而将传感器的性能进一步提高。更重要的是，石墨烯可以拥有很好的生物亲核性，可以与生物分子实现π堆叠效应，而且，石墨烯可以大大增加分子的吸附性，这是颗粒和膜结构无法实现的。
倾斜光栅特有的极化模式和震荡模式，可以使灵敏层的能量提升70％，这是由光栅的耦合震荡形成的，如此高的能量密度会形成更窄的半波宽，从而实现了非常高的品质因数，这在低浓度检测中具有绝对的优势、而且基于倾斜光栅的特性，其对温度不敏感，这也规避了在实际检测过程中信号易受温度影响的情况，使得数据更加真实可靠。
进一步地，倾斜光栅区域倾斜角度为4-9°，优选的，为6°；长度为0.5-2cm；优选的，为1cm。控制倾斜光栅区域的倾斜角度，相同的单模光纤，减小倾斜角度，可以提高光谱的共振深度，从而传感器拥有更好的信噪比。但是倾斜角度如果继续减小，耦合峰的强度便会下降，这不利于信号的输出，因此选择6度倾斜光栅光纤。
在本公开的一种实施方式中，一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器的制备方法，包括：采用掩膜法紫外光刻技术制备TFBG；采用双面蒸镀法在制备好的TFBG表面蒸镀银层；通过湿法转移将石墨烯层包裹在被银的传感器上。
银膜的制备方法简便，可重复性高，基于光纤的承受温度极限，颗粒制备不可能采用退火法，这会影响传感器的性能，只能采用化学方法，可是化学方法合成的颗粒是不可控的，且在排布的过程中要想实现圆柱不规则体的密排是不现实的，故可重复性差，银膜容易氧化。而本公开采用双面蒸镀的方法镀银膜，能够有效解决上述问题。传感器制备方法简单，制备的传感器性能较佳，具有较好的推广性。
进一步地，将制备好的传感器在PBASE溶液中浸泡10-15h，再浸入探针DNA，实现对探针DNA的固定，从而获得可以实现低浓度检测的传感器。
在本公开的一种实施方式中，一种TFBG-SPR检测系统，所述检测系统包括所述的石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器，所述石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器被密封于微流控检测系统中。
进一步地，沿光路方向依次为：光源，起偏器，偏振控制器，微流控检测系统及谱仪。结合微流控、光路以及偏振模式调节，石墨烯的生物亲和性，以及生物小分子的修饰工程可以完成对生物分子的特异性检测以及分子动力学的研究，这对分子的序列，质量，键和反应的研究都是有重要优势的。
进一步地，所述微流控检测系统设有进液口和出液口，检测时待测溶液从进液口缓慢注入、出液口输出并且被收集备用。
进一步地，所述微流控检测系统是由PDMS制备的微流控芯片，与流速控制泵，针筒组合而成。
制备好的传感器用PBASE作为桥梁链接Probe DNA和石墨烯，并通过DNA间的共轭反应检测特异的DNA分子。检测环境为PDMS制备的微流控芯片中，并通过速度控制系统控制溶液流速，完成类静态检测，确保生物分子检测环境的稳定性。
在本公开的一种实施方式中，一种低浓度生物分子解析方法，所述解析方法基于所述的石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器和/或所述的TFBG-SPR检测系统。
光纤SPR传感器的模式调控方法如下：
产生传感光并对其进行起偏，在满足相位调制的情况下，光纤SPR传感器在微流控系统中随着待测溶液折射率的改变，由表面等离激元层共振激发的共振峰产生偏移效应，同时传感光的相位发生变化。并通过偏振控制器对偏振光的方向进行调控，使得倾斜光栅的耦合模式处于最优极化模式，在光谱仪的调制下完成信号分析。
该解析方法通过结合倾斜光栅传感器的高品质因数，银和石墨烯层的高等离激元特性，耐久性，生物亲核性和生物吸附性，以及微流控的闭环属性可以大幅度提高生物分子的检测极限并保障了检测数据的真实性。
通过完美结合银的高等离激元特性与倾斜光栅的高耦合能量态密度，实现高品质因数的信号输出。并且，石墨烯的引入不仅可以提高传感器的性能，而且丰富了传感器表面的化学性质。极大的比表面积，良好的生物亲和力，极强的分子吸附力和抗氧化性，使该传感器在低浓度生物分子检测中都具有优异的表现(0.01pM FC_DNA)。同时，通过模式分析调控可以优化输出信号的质量以及准确性，而且倾斜光栅光纤特殊的震荡模式可以避免温变带来的干扰，具有非常高的稳定性。通过微流控检测系统的有源输入，可以有效的进一步提高检测数据的准确性和样品的利用率。
在本公开的一种实施方式中，所述的石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器和/或所述的TFBG-SPR检测系统和/或所述的低浓度生物分子解析方法在低浓度检测或生物小分子的检测中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。
实施例1
一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器，制备方法包括：
将普通单模光纤置于固定架，单模光纤的纤芯和包层参数分别为：直径：8.2μm，折射率分别为1.45000.0025；包层：125μm，和折射率1.47650.0025。
所述的的光栅结构是在相位掩膜技术下制造的，需要通过掩膜将248nm的紫外光(
complex)照射到具有所需光栅图案的裸光纤的表面。相位掩膜的参数如下：中心间距：1045.15nm，掩膜长度高度：1015mm，基片长度高度：17.1725.4mm。而激光操作的频率、电压、能量、功率、气压分别为50Hz、25kV、160MJ、7.92W和3366mbar。为了完成布拉格光栅的刻制，抛光部分被暴露在紫外光下25分钟。将制备好的TFBG在100℃下放置48小时以去除氢气。
制备好的TFBG采用VZB-400高真空电阻蒸发镀膜机，真空度7×10-5Pa，80A电流，
速率下进行双面镀膜，蒸镀至50nm时停止蒸镀。
将通过湿法转移将石墨烯层包裹被银的传感器上，并在70℃下退火30分钟，以确保石墨烯能完美紧贴在传感器表面。
将制备好的石墨烯敏增TFBG-SPR传感器浸泡在浓度为10mM的5mL-1PBASE溶液中12小时。PBASE作为连接剂，通过其芘基与石墨烯结合，在石墨烯表面形成π堆积，而PBASE的另一面(胺活性琥珀酰亚胺部分)和Probe DNA连接并通过共轭反应固定DNA。
之后，分别用DMF和去离子水清洗传感器三次，以去除多余的PBASE，然后，通过将传感器浸入探针DNA(1μM)4小时来固定探针DNA。浸泡过程结束后必须用PBS溶液清洁。
其中，Probe DNA为探针DNA链，序列对为：5’-NH2-CTT CTG TCT TGA TGT-3’；FC_DNA为完全互补DNA链，序列对为：5’-GTT TGA CAA ACA TCA-3’；NC_DNA为完全非互补DNA链，序列对为5’-CAA CAT TCC GTT AAC-3’。
PBASE为1-吡啶丁酸琥珀酰酯(PBASE)，DMF为二甲基氩酰胺，PBS为磷酸盐缓冲溶液。
对比例1：
与实施例1的区别在于没有添加石墨烯层。
实施例2：
一种低浓度生物分子解析方法，基于实施例1和对比例1的传感器：
检测对象：为不同浓度的FC_DNA(互补DNA可以反应能检测出信号)和NC_DNA(完全非互补DNA检测不出信号，作为特异性检测的对比数据)；
反应条件：绑定在传感器表面Probe DNA和FC_DNA发生共轭反应结合到一起，这样传感器表面局域的质量会升高，而折射率与传感器表面局域的质量成正比，因此检测不同浓度的FC_DNA时，传感器周围折射率发生差异，因此，随着浓度的变化，会出现SPR信号的偏移。
解析过程：传感器通过偏振光激发，产生等离激元效应，没有石墨烯的传感器在检测不同浓度FC_DNA和NC_DNA时都会产生SPR效应并发生偏移，这是由于没有石墨烯的传感器无法绑定目标分子，因此无法区分DNA是否互补，而有石墨烯的传感器基于传感器由于绑定了目标分子，可以区分不同浓度的FC_DNA而且检测NC_DNA时不会发生偏移。
传感器将具有区分单碱基错配的能力，这可以用来检测基于碱基对之间杂交的不同浓度的FC_DNA和NC_DNA溶液。每次检测后，必须用PBS溶液清洗传感器以确保检测的准确性。同时，通过监测不同浓度的FC_DNA溶液和纯PBS溶液中的实时透射光谱，分别对DNA分子动态和解离进行了长时反应分析。通过上述实验过程，可以完成对分子平衡常数的计算。上述所有步骤都需要在特殊的基于PDMS的微流控芯片中进行，以避免外界因素的干扰。
如图3、4所示，展示的时在0.01pM浓度时候的FC_DNA检测时候的共振图谱，0.01pM为检测极限也是传感器提升的重要参数。
如图5所示，灵敏度从694nm/RIU，升为750.6nm/RIU，石墨烯的引入进一步约束了表面电子，故1500nm以后的cladding模式趋于平缓，而且基于载流子迁移效应前面SPR峰值变大，且红移升高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)
1.一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器，其特征是，所述传感器包括倾斜光栅光纤和石墨烯包覆银膜的等离激元层；PBASE作为桥梁连接探针DNA和石墨烯。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器，其特征是，倾斜光栅区域倾斜角度为4-9°，优选的，为6°；长度为0.5-2cm；优选的，为1cm。
3.权利要求1或2所述的一种石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器的制备方法，其特征是，包括：采用掩膜法紫外光刻技术制备TFBG；采用双面蒸镀法在制备好的TFBG表面蒸镀银层；通过湿法转移将石墨烯层包裹在被银的传感器上。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征是，将制备好的传感器在PBASE溶液中浸泡10-15h，再浸入探针DNA，实现对探针DNA的固定。
5.一种TFBG-SPR检测系统，其特征是，所述检测系统包括权利要求1或2所述的石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器，所述石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器被密封于微流控检测系统中。
6.如权利要求5所述的一种TFBG-SPR检测系统，其特征是，沿光路方向依次为：光源，起偏器，偏振控制器，微流控检测系统及光谱仪。
7.如权利要求5所述的一种TFBG-SPR检测系统，其特征是，所述微流控检测系统设有进液口和出液口，检测时待测溶液从进液口缓慢注入、出液口输出并且被收集备用。
8.如权利要求5所述的一种TFBG-SPR检测系统，其特征是，所述微流控检测系统是由PDMS制备的微流控芯片，与流速控制泵，针筒组合而成。
9.一种低浓度生物分子解析方法，其特征是，所述解析方法基于权利要求1或2所述的石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器和/或权利要求5-8任一所述的TFBG-SPR检测系统。
10.权利要求1或2所述的石墨烯敏增倾斜光栅光纤SPR传感器和/或权利要求5-8任一所述的TFBG-SPR检测系统和/或权利要求9所述的低浓度生物分子解析方法在低浓度检测或生物小分子的检测中的应用。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113917243A (zh) * | 2021-10-09 | 2022-01-11 | 重庆师范大学 | 基于表面等离激元的高精度光学验电装置及系统 |
| CN115266587A (zh) * | 2022-07-28 | 2022-11-01 | 山东大学 | HG NPs@Ta2C MXene/Au/TFBG生物传感探头及其制备方法与应用 |
Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102564504A (zh) * | 2012-01-19 | 2012-07-11 | 浙江省计量科学研究院 | 多截面分布式光纤光栅热式流量传感器 |
| CN202420580U (zh) * | 2012-01-19 | 2012-09-05 | 浙江省计量科学研究院 | 一种基于光纤光栅的热线式流量传感器件 |
| CN104458658A (zh) * | 2014-11-07 | 2015-03-25 | 中国计量学院 | 基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器 |
| CN104596992A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-05-06 | 重庆理工大学 | 极大倾角光纤光栅spr生化传感器及其制作方法 |
| CN104718468A (zh) * | 2012-11-08 | 2015-06-17 | 亚斯卡奈特股份有限公司 | 光控制面板的制造方法 |
| CN105158213A (zh) * | 2015-09-11 | 2015-12-16 | 暨南大学 | 基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置及方法 |
| CN105651845A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-06-08 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种基于非共价修饰的石墨烯场效应管的肿瘤标志物检测传感器及其制备方法 |
| CN107316915A (zh) * | 2017-07-04 | 2017-11-03 | 中山大学 | 可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器及其制备方法 |
| CN107634106A (zh) * | 2017-09-19 | 2018-01-26 | 北京工业大学 | 一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器 |
| CN107860750A (zh) * | 2017-10-10 | 2018-03-30 | 温州大学 | 基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置及其参数优化方法 |
| CN107884367A (zh) * | 2017-10-12 | 2018-04-06 | 重庆三峡学院 | 一种哑铃光纤spr检测微流芯片 |
| CN109085140A (zh) * | 2018-08-22 | 2018-12-25 | 东北大学 | 一种高灵敏度光纤spr生物传感器 |
| CN110487751A (zh) * | 2019-09-03 | 2019-11-22 | 山东师范大学 | 石墨烯增敏ito超材料u型spr传感器 |
| CN110596051A (zh) * | 2019-09-01 | 2019-12-20 | 桂林电子科技大学 | 基于石墨烯包覆的双芯d型光子晶体光纤spr传感器 |
| CN110823843A (zh) * | 2019-10-22 | 2020-02-21 | 重庆理工大学 | 氧化石墨烯光纤光栅的宽带干涉式光极生物分子传感器 |
| US10718711B1 (en) * | 2019-04-11 | 2020-07-21 | Jinan University | Fiber optic sensing apparatus, system, and method of use thereof |
| CN211528212U (zh) * | 2020-02-27 | 2020-09-18 | 山东师范大学 | 一种二氧化硅间隔的银纳米颗粒层lspr光纤传感器 |
| CN212432342U (zh) * | 2020-07-20 | 2021-01-29 | 山东师范大学 | 一种负载双曲超材料的光纤及传感器 |
-
2021
- 2021-05-20 CN CN202110552285.XA patent/CN113280843A/zh active Pending
Patent Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102564504A (zh) * | 2012-01-19 | 2012-07-11 | 浙江省计量科学研究院 | 多截面分布式光纤光栅热式流量传感器 |
| CN202420580U (zh) * | 2012-01-19 | 2012-09-05 | 浙江省计量科学研究院 | 一种基于光纤光栅的热线式流量传感器件 |
| CN104718468A (zh) * | 2012-11-08 | 2015-06-17 | 亚斯卡奈特股份有限公司 | 光控制面板的制造方法 |
| CN104458658A (zh) * | 2014-11-07 | 2015-03-25 | 中国计量学院 | 基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器 |
| CN104596992A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-05-06 | 重庆理工大学 | 极大倾角光纤光栅spr生化传感器及其制作方法 |
| CN105158213A (zh) * | 2015-09-11 | 2015-12-16 | 暨南大学 | 基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置及方法 |
| CN105651845A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-06-08 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种基于非共价修饰的石墨烯场效应管的肿瘤标志物检测传感器及其制备方法 |
| CN107316915A (zh) * | 2017-07-04 | 2017-11-03 | 中山大学 | 可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器及其制备方法 |
| CN107634106A (zh) * | 2017-09-19 | 2018-01-26 | 北京工业大学 | 一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器 |
| CN107860750A (zh) * | 2017-10-10 | 2018-03-30 | 温州大学 | 基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置及其参数优化方法 |
| CN107884367A (zh) * | 2017-10-12 | 2018-04-06 | 重庆三峡学院 | 一种哑铃光纤spr检测微流芯片 |
| CN109085140A (zh) * | 2018-08-22 | 2018-12-25 | 东北大学 | 一种高灵敏度光纤spr生物传感器 |
| US10718711B1 (en) * | 2019-04-11 | 2020-07-21 | Jinan University | Fiber optic sensing apparatus, system, and method of use thereof |
| CN110596051A (zh) * | 2019-09-01 | 2019-12-20 | 桂林电子科技大学 | 基于石墨烯包覆的双芯d型光子晶体光纤spr传感器 |
| CN110487751A (zh) * | 2019-09-03 | 2019-11-22 | 山东师范大学 | 石墨烯增敏ito超材料u型spr传感器 |
| CN110823843A (zh) * | 2019-10-22 | 2020-02-21 | 重庆理工大学 | 氧化石墨烯光纤光栅的宽带干涉式光极生物分子传感器 |
| CN211528212U (zh) * | 2020-02-27 | 2020-09-18 | 山东师范大学 | 一种二氧化硅间隔的银纳米颗粒层lspr光纤传感器 |
| CN212432342U (zh) * | 2020-07-20 | 2021-01-29 | 山东师范大学 | 一种负载双曲超材料的光纤及传感器 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| HU, WJ: "Highly sensitive detection of dopamine using a graphene functionalized plasmonic fiber-optic sensor with aptamer conformational amplification", 《SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL》 * |
| 王弋嘉: "基于马赫泽德结构的差分干涉SPR传感系统与生物医学检测应用研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)》 * |
| 谢晓慧: "光纤石墨烯场效应管生物传感器的制备及其应用研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113917243A (zh) * | 2021-10-09 | 2022-01-11 | 重庆师范大学 | 基于表面等离激元的高精度光学验电装置及系统 |
| CN113917243B (zh) * | 2021-10-09 | 2023-07-25 | 重庆师范大学 | 基于表面等离激元的高精度光学验电装置及系统 |
| CN115266587A (zh) * | 2022-07-28 | 2022-11-01 | 山东大学 | HG NPs@Ta2C MXene/Au/TFBG生物传感探头及其制备方法与应用 |
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