CN214584886U - 一种用于甲基毒死蜱检测的石墨烯超材料太赫兹传感器 - Google Patents
一种用于甲基毒死蜱检测的石墨烯超材料太赫兹传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种用于甲基毒死蜱检测的石墨烯超材料太赫兹传感器；所述传感器由金属铝层介电质层和石墨烯超材料层三层结构组成；所述石墨烯超材料层单元结构由中心方形片与方形环组成；单元结构阵列在xoy平面内周期排列在所述介电质层上；当频率为0‑1.0THz的太赫兹波入射到上表面有甲基毒死蜱的石墨烯超材料传感器后，将产生电偶共振，甲基毒死蜱的π电子与石墨烯π电子产生强烈的相互作用形成共轭大π键，不同浓度甲基毒死蜱将不同程度改变石墨烯费米能级，使得传感器对太赫兹波吸收率不同，实现对甲基毒死蜱的浓度检测。所述石墨烯超材料太赫兹传感器具有结构简单、成本低等优势，且在人体安全、食品安全等方面具有良好应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及了一种用于甲基毒死蜱检测的石墨烯超材料太赫兹传感器，属于太赫兹波段传感技术领域。
背景技术
近年来，甲基毒死蜱作为有机磷农药的代表，其过量使用对人类健康和生态环境造成了严重影响，已成为一个全球关注的问题。因此，检测甲基毒死蜱的残留具有重要意义。目前对该类农药残留的分析检测主要依赖于大型仪器，例如高效液相色谱、气相色谱等。2019年11月17日，江苏韵沣检测有限公司提出了申请号为CN201911174835.8的“一种气相色谱法测定蔬菜中农药残留的方法”,包括：样品前处理、净化、气相色谱仪检测、结果分析。该检测方法的灵敏度高并且可以满足国家规定的检测精度，但一般需要复杂的预处理过程，并且对操作人员的技能要求较高导致上述检测方法不能快速简便，难以普及，因此无法满足日益增长的快速检测需求。而已经应用于甲基毒死蜱残留的检测还有酶联免疫法、基于单克隆抗体的间接酶联免疫法、半定量免疫色谱分析法以及电化学方法等，这表明生物传感技术在农药检测邻域存在潜在的应用加价值。
超材料是一种人工设计制作的亚波长周期性谐振结构材料，通常由小于作用光波长的周期性单元结构组成，可以获得自然界介质不能得的特性，在负折射率、隐身衣、传感、滤波器件等领域具有非常重要的应用。太赫兹波是指频率为0.1-10THz的电磁波，处在红外与微波之间。由于太赫兹波能量低，不会对生物样品或人体造成伤害，同时许多复杂分子在太赫兹频率上具有分子内或分子间的旋转或振动模式，因此可以通过观测光谱中的显著特征进行目标分子的定性和定量测量。2013年10月25日，浙江大学提出了申请号为201310513428.1的“太赫兹波谱结合生物传感技术的毒死蜱检测”，包括：太赫兹时域波谱系统、电机及石英玻片。该系统利用已固定毒死蜱与未固定毒死蜱的检测点的太赫兹时域波谱差异实现毒死蜱的测量。其所提供的方法和装置具有准确性高、检测快速方便的特点，但该系统操作过程繁琐，没有较高的灵敏度，无法给出精确的测量结果。而目前超材料及太赫兹光谱检测很少应用于农药检测，因此该方向在农药传感方面的可行性时必要的。
石墨烯的C-C骨架由6键参与构成，该骨架上下分布有成对的电子云，其结构中的每个π键相互共辄形成巨大的共轭大π键，这种成键方式和苯环的成键模式完全一样，因此石墨烯可以看作是一个巨大的稠环芳烃，及石墨烯的许多电子行为类似于二维电子气。与普通的体材料不同的是，石墨烯可以通过离域π电子与近表面的外部分子发生相互作用，并且外部分子和石墨烯的这种相互作用会影响石墨烯的掺杂浓度(费米能级)，通过费米能级的移动，可以改变石墨烯的导电率，从而实现电磁波的调制。
发明内容
传统超材料表面与分析物之间会产生间隙从而使灵敏度下降，解决上述一个问题的可行方法是将石墨烯与超材料结合用于生物检测。与传统超材料传感器不同的是，石墨烯可通过离域π电子与近表面的外部分子发生相互作用。甲基毒死蜱分子结构中具有一个类似苯环的结构，当不同浓度甲基毒死蜱位于石墨烯超材料传感器上时，它的π电子能与石墨烯中的π电子通过π-π堆积产生强烈的相互作用，这将不同程度地改变石墨烯层的费米能级，当频率为0-1.0THz的太赫兹波入射到所述传感器后，将产生电偶共振，根据吸收峰的强度变化，实现甲基毒死蜱的浓度检测。将石墨烯应用于超材料不仅可以有效增强生物分子在传感器表面的吸附，通过激发等离子体共振还能提高传感灵敏度，是一种新型的生物传感平台。
为了完成上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供了一种用于甲基毒死蜱检测的石墨烯超材料太赫兹传感器，由金属铝层(1)，介电质层(2)和石墨烯超材料层(3)三层结构组成；所述石墨烯超材料层由单元结构为中心方形片与两方形环组合的周期性阵列组成；单元结构阵列在xoy平面内周期性的排列在所述介电质层上。
优选的，所述金属铝层(1)是电导率为3.56×107S/m，其厚度h为0.2微米；所述的介电质层(2)是介电常数ε为2.98-0.16i的聚酰亚胺薄膜，其厚度H为100微米；所述的石墨烯超材料层(3)厚度t为5纳米，采用镂空形式，中心为边长m为10微米的正方形片，外部两方形环宽度n均为10微米，且相邻方形片与方形环、方形环与方形环之间宽度x为10微米；所述的石墨烯超材料层(3)单元结构在x和y两个方向上周期L均为100微米。
与现有技术相比，本实用新型的特色与优势在于：
1.本实用新型基于石墨烯超材料单元结构阵列周期性排列，甲基毒死蜱分子结构中具有一个类似苯环的结构，当含有π电子的甲基毒死蜱位于石墨烯超材料传感器上时，石墨烯中的π电子将与甲基毒死蜱的π电子产生强烈的相互作用形成共轭大π键，使甲基毒死蜱紧紧附在石墨烯表面，解决了传统超材料传感器与分析物产生间隙使灵敏度下降的问题。
2.本实用新型专利基于石墨烯超材料，不同浓度甲基毒死蜱将不同程度地改变石墨烯层的费米能级，当频率为0-1.0THz的赫兹波入射到所述传感器后，产生电偶共振，根据不同浓度下甲基毒死蜱下太赫兹波吸收峰值相对于传感器表面无甲基毒死蜱时太赫兹波吸收峰值的改变，对比石墨烯不同费米能级下太赫兹波吸收峰值相对于传感器表面无甲基毒死蜱时太赫兹波吸收峰值的改变，经过数据处理，实现对甲基毒死蜱的浓度检测。
3.本实用新型专利具有结构简单、成本低、利于大批生产等优势，且在食品安全方面具有良好应用前景。
附图说明
为了更清楚的说明本实用新型实施方式或者现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或者现有技术描述中所需要的使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1为本实用新型石墨烯超材料太赫兹传感器在一个周期内的结构示意图。
图2为本实用新型石墨烯超材料层单元结构的俯视图。
图3为本实用新型石墨烯超材料太赫兹传感器的结构示意图。
图4是在实施例中的石墨烯超材料太赫兹传感器不同浓度的甲基毒死蜱的吸收峰值相对于无甲基毒死蜱时传感器吸收峰值变化率的关系曲线的线性拟合。
图5是在实施例中的石墨烯超材料太赫兹传感器针对石墨烯不同费米能级的吸收峰值相对于无甲基毒死蜱时的吸收峰值变化率的关系曲线的线性拟合。
图6是在实施例中的甲基毒死蜱浓度与石墨烯层费米能级的线性拟合图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例，进一步阐述说明本实用新型。
本实用新型提供了一种用于甲基毒死蜱检测的石墨烯超材料太赫兹传感器，由金属铝层(1)，介电质层(2)和石墨烯超材料层(3)三层结构组成；所述石墨烯超材料层由单元结构为中心方形片与两方形环组合的周期性阵列组成；单元结构阵列在xoy平面内周期性的排列在所述介电质层上；所述金属铝层(1)是电导率为3.56×107S/m，其厚度h为0.2微米；所述的介电质层(2)是介电常数ε为2.98-0.16i的聚酰亚胺薄膜，其厚度H为100微米；所述石墨烯超材料层(3)的厚度t为5纳米。石墨烯超材料太赫兹传感器立体示意图如图1所示。
如图2所示为石墨烯超材料层(3)单元结构的俯视图，其采用镂空形式，中心为边长m为10微米的正方形片，外部两方形环宽度n均为10微米，且相邻方形片与方形环、方形环与方形环之间宽度x为10微米；所述的石墨烯超材料层(3)单元结构在x和y两个方向上周期L均为100微米，石墨烯超材料太赫兹传感器的结构示意图如图3所示。
如图4所示为本实用新型石墨烯超材料太赫兹传感器上不同浓度的甲基毒死蜱的吸收峰值相对于无甲基毒死蜱时传感器吸收峰值变化率的关系曲线的线性拟合。线性回归方程为Y＝19.2X+2.8，其中Y＝Areference-Asample1；，Areference是传感器上无甲基毒死蜱时测得的吸收峰值，Asample为传感器上不同浓度甲基毒死蜱对应的吸收峰值，X为甲基毒死蜱浓度。
如图5所示为本实用新型石墨烯超材料太赫兹传感器上对石墨烯不同费米能级时的吸收峰值相对于无甲基毒死蜱时的吸收峰值变化率的关系曲线的线性拟合。线性回归方程为Y＝-0.181M+17.69，其中Y＝Areference-Asample2，Areference是传感器上无甲基毒死蜱时的吸收峰值，Asample2为传感器上石墨烯不同费米能级对应的吸收峰值，M为费米能级。
如图6所示为在图4与图5基础上得出的甲基毒死蜱浓度与石墨烯层费米能级的线性拟合图。线性方程为M＝-106.08X+82.27，其中X为甲基毒死蜱浓度，M为费米能级。从结果可以看出此实用新型在性能上有灵敏度高的优势，且本实用新型成本低廉、利于加工。
Claims (2)
1.一种用于甲基毒死蜱检测的石墨烯超材料太赫兹传感器，其特征在于：包括三层结构，依次为金属铝层(1)，介电质层(2)和石墨烯超材料层(3)；所述石墨烯超材料层(3)由单元结构为中心方形片与两方形环组合的周期性阵列组成；单元结构阵列在xoy平面内周期性的排列在所述介电质层(2)上。
2.根据权利要求1所述的一种用于甲基毒死蜱检测的石墨烯超材料太赫兹传感器，其特征在于：所述的金属铝层(1)是电导率为3.56×107S/m的金属铝，其厚度h为0.2微米；所述的介电质层(2)是介电常数ε为2.98-0.16i的聚酰亚胺薄膜，其厚度H为100微米；所述的石墨烯超材料层(3)厚度t为5纳米，采用镂空形式，其中心为边长m为10微米的正方形片，外部两方形环宽度n均为10微米，且相邻方形片与方形环、方形环与方形环之间宽度x均为10微米，所述的石墨烯超材料层(3)单元结构在x和y两个方向上周期L均为100微米。
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| US11703448B2 (en) * | 2019-11-15 | 2023-07-18 | Zhejiang University | Sample signal amplification method using terahertz band graphene absorber |
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