[發(fā)明專利]一種基于二維材料異質(zhì)結(jié)的D型PCF生物傳感器

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• 申請日: 2022-05-09
• 公開（公告）號: CN114942237A
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊宏艷;劉洋;劉孟銀
• 申請（專利權(quán)）人: 桂林電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種基于二維材料異質(zhì)結(jié)的D型PCF生物傳感器，該傳感器是由一段包層區(qū)域拋磨掉部分形成D型PCF、金膜、石墨烯材料以及MoS₂材料組成。本發(fā)明主要通過將MoS₂涂覆在石墨烯層上形成異質(zhì)結(jié)，將兩者優(yōu)異的物理特性相結(jié)合，提高對生物分子的吸附，增強金膜表面的SPR，進而提高傳感器的靈敏度。該傳感器對外界介質(zhì)折射率的細微變化極其敏感的特性，當(dāng)金膜表面的外界環(huán)境折射率改變時，會導(dǎo)致共振吸收峰的位置發(fā)生改變，通過測量共振吸收峰對應(yīng)位置波長的變化量來計算外界折射率的變化。該傳感器的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，采用兩種二維材料堆積形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠獲得高靈敏度，低損耗，外部傳感能夠?qū)崟r檢測。

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于二維材料異質(zhì)結(jié)的D型PCF生物傳感器，屬于生物檢測和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

(二)背景技術(shù)

表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是發(fā)生在金屬和介質(zhì)界面上的電荷密度波共振現(xiàn)象，它對與金屬相鄰分析物的折射率、溫度、濃度以及生物分子類型等參數(shù)的微小變化極其敏感，當(dāng)光在纖芯內(nèi)傳播時會發(fā)生全反射，因全反射而產(chǎn)生倏逝波，倏逝波以駐波的形式穿透光纖包層激發(fā)金屬產(chǎn)生自由電子，集體震蕩的自由電子會產(chǎn)生沿著傳播方向的等離子體波。當(dāng)改變?nèi)肷涔獠ㄩL或角度，使得等離子體波的頻率等于倏逝波的頻率時，就能觀察到SPR現(xiàn)象。

光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF)具有靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)良的光學(xué)特性，在光電子、光纖通信系統(tǒng)和光纖非線性等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。基于SPR效應(yīng)的光學(xué)傳感器具有高敏度、低損耗、無標(biāo)記、實時在線檢測等優(yōu)點。但其設(shè)備兼容性差、體積大、集成困難等問題限制了其進一步的應(yīng)用。因此將PCF優(yōu)異的光學(xué)特性與SPR技術(shù)相結(jié)合就解決了上述問題，一些體積小、重量輕、易于集成的光子晶體光纖SPR傳感器隨之出現(xiàn)。隨著PCF-SPR傳感器的不斷發(fā)展，獲得可檢測折射率范圍大、靈敏度高、分辨率高、可商品化的傳感器成為了設(shè)計的目標(biāo)。

眾所周知金屬膜是產(chǎn)生SPR現(xiàn)象的重要條件，而又由于光纖在傳導(dǎo)時，能量主要集中在纖芯，因此包層中的倏逝波隨著離纖芯距離增大呈指數(shù)函數(shù)形式衰減。所以為了減少這部分損耗，通常把光纖拋磨掉一定的深度，然后在拋磨面上涂覆金屬層，最后實現(xiàn)相應(yīng)的傳感。

近幾年來，人們對D型光纖的研究逐步深入，人們普遍使用金薄膜作為等離子體材料。隨著二維材料進入人們的視野，一些研究者將二維材料引入光纖SPR傳感器中，使金屬與石墨烯、氧化石墨烯、二硫化鎢等二維材料結(jié)合形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而進一步提高光纖SPR傳感器的性能。2015年，Rifat.A.A等人提出一種石墨烯包覆銅的光子晶體光纖等離子體生物傳感器，在折射率范圍1.33-1.37，平均靈敏度達到2000nm/RIU，傳感精度5×10^-5RIU最大損耗峰值120dB/cm。2017年，J.Zhao等人研究了一種在D型光纖上鍍銀膜同時復(fù)合氧化石墨烯的SPR傳感器，他們提出的光纖SPR傳感器在1.30到1.40范圍內(nèi)折射率靈敏度可達2252nm/RIU。2019年，Bin Li等人提出一種基于光子晶體光纖石墨烯增強的表面等離子體液體折射率傳感器，在折射率范圍1.33-1.3688，平均靈敏度達到2290nm/RIU，最大損耗峰值78dB/cm。