[发明专利]一种高性能波导传感系统及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能波导传感系统，包括光源，其构造成用于发出激发光；波导传感装置，光源发出的激发光照射到波导传感装置中，在波导传感装置中发生全内反射后输出，该输出光携带了待测物质的信息；光学探测装置，用于接收从波导传感装置输出的光，并将其转换为电信号；所述波导传感装置包括棱镜，波导层，微柱阵列，以及石墨烯层，从下到上依次设置，所述石墨烯层设置于所述微柱阵列之间，所述微柱阵列与石墨烯层紧密接触，同时所述微柱阵列所在区域构成石墨烯层的缺陷。本发明将石墨烯的半导体特性用于SPR传感系统，利用金微柱阵列与石墨烯之间的特性和联系，增强了SPR效应，取得了预料不到的技术效果。

技术领域

本发明涉及待测物分析系统，具体涉及一种波导传感系统，更具体的涉及一种高性能波导传感系统。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)技术在生命科学，食品安全，环境检测，生物医学；毒素和抗生素快速检测等领域均有广泛的应用。分析时，先在传感芯片表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过芯片表面，若样品中有能够与芯片表面的生物分子识别膜相互作用的分子，会引起金膜表面折射率变化，最终导致SPR角变化，通过检测SPR角度变化，获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等信息。

石墨烯在2004年被发现以来以其优越的性能逐渐走入高端技术领域，其具有优秀的力学性质和结构刚性，以及优异的电学性质，同时特别容易通过常规手段对其进行改性。现有技术也有将石墨烯用于SPR的尝试，取得了一些进步。本发明提出了一种新型的高性能波导传感系统，以解决现有技术中的SPR波导传感系统灵敏度低、准确性不高、易氧化腐蚀、使用寿命短等问题。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种高性能波导传感系统，将石墨烯用于波导传感系统，可以实现高信噪比的物质传感。

作为本发明的高性能波导传感系统的一种实施方式，包括光源，其构造成用于发出偏振光；波导传感装置，光源发出的偏振光照射到波导传感装置中，在波导传感装置中发生全内反射后输出，该输出光携带了待测物质的信息；光学探测装置，用于接收从波导传感装置输出的光，并将其转换为电信号；

所述波导传感装置包括棱镜，波导层，微柱阵列，以及石墨烯层，从下到上依次设置，所述石墨烯层设置于所述微柱阵列之间，所述微柱阵列与石墨烯层紧密接触，同时所述微柱阵列所在区域构成石墨烯层的缺陷；

在所述石墨烯层表面沉积有银纳米粒子；

待测样品设置于沉积有银纳米粒子的石墨烯表面。

完整的石墨烯为零带隙半导体，即为一种导体，当对其进行修饰或修改，石墨烯的带隙会打开成为一种具有一定带宽的半导体。本发明中的石墨烯层存在微柱阵列的缺陷，因而呈现半导体特性。此时，半导体特性的石墨烯层的费米能级高于金属微柱的费米能级，当两者紧密接触时，必然存在石墨烯、层的导流电子流向金属微柱，以实现两者费米能级的统一。

当光源发出的偏振光从棱镜照射到波导层与微柱阵列以及石墨烯层的界面时，在在微柱阵列上产生等离子体共振(SPR)，在石墨烯与金属微柱之间的导流电子的转移增强了微柱表面的共振电子的震荡，从而促进SPR的增强；另一方面，由于微柱的周期性排列，SPR被束缚在微柱之间，从而在微柱之间产生表面等离子体波(SPW)，等离子体表面波在微柱之间反射震荡，进一步增强了SPR传感器的灵敏度。第三方面，在石墨烯层表面的银纳米粒子之间同时产生了局域等离子体共振，也是增强SPR的有效手段。

根据本发明一种实施方式所述的高性能波导传感系统，其中一个优选方式为，所述微柱阵列中的微柱为立方体，所述微柱的长度为100μm-200μm，高度为50μm-100μm，所述微柱之间的间隔与微柱的长度相等。

根据本发明一种实施方式所述的高性能波导传感系统，所述波导层由玻璃构成，所述微柱阵列由金构成。