本發(fā)明屬于局域表面等離子共振傳感器，具體涉及一種石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器及其制備方法和應用。

背景技術(shù)：

1、近年來，局域表面等離子共振傳感器因其具備便攜、快速分析、原位監(jiān)測、抗干擾能力強和易于集成等一系列優(yōu)點，在生化傳感領(lǐng)域備受關(guān)注。因此出現(xiàn)了很多基于局域表面等離子共振的光學傳感器，其中大多采用了傳統(tǒng)的金屬納米結(jié)構(gòu)。盡管金屬納米結(jié)構(gòu)擁有較高的體折射率傳感靈敏度，但是由于金屬的高損耗和弱生化分子吸附性，在生化傳感領(lǐng)域的應用受到了限制。因此，設(shè)計一種低損耗、強生化分子吸附特性的局域表面等離子共振傳感器，成為科研人員亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供了一種結(jié)構(gòu)簡單且設(shè)計合理的石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器及其制備方法，該傳感器包括從下到上依次堆疊的玻璃基底、介質(zhì)層、石墨烯增敏層和金屬納米結(jié)構(gòu)層，其中玻璃基底的厚度為0.5~1.0mm；介質(zhì)層為厚度120nm的硫化鋅層；金屬納米結(jié)構(gòu)層為厚度80nm的銀層，石墨烯作為一種特殊的二維材料，因其超薄的結(jié)構(gòu)使其具有較大的比表面積，為分子間的相互作用提供了豐富的活性位點，此外石墨烯良好的生物相容性也使其廣泛應用于生化傳感領(lǐng)域。而在金屬納米結(jié)構(gòu)中加入低損耗的介質(zhì)材料可以降低傳感器的帶寬，提升傳感性能。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器，其特征在于：所述傳感器由基底及設(shè)置于基底上的傳感結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該傳感結(jié)構(gòu)是通過機械剝離石墨烯、模板轉(zhuǎn)移和電子束鍍膜技術(shù)制備的石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)，傳感結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于基底上的介質(zhì)層和設(shè)置于介質(zhì)層上的銀納米盤陣列，石墨烯增敏層通過機械剝離法制備并通過二維材料轉(zhuǎn)移平臺轉(zhuǎn)移至介質(zhì)層和銀納米盤陣列之間，實現(xiàn)了局域表面等離子體共振傳感，進而能夠?qū)崿F(xiàn)對待測介質(zhì)折射率、生化分子濃度參量的檢測。

3、進一步限定，所述基底為厚度0.5~1.0mm的玻璃基底，采用具有良好透光性的玻璃基底對傳感結(jié)構(gòu)進行支撐能夠進行透射光譜測量。

4、進一步限定，所述介質(zhì)層為厚度120nm的硫化鋅層，該硫化鋅層通過電子束蒸發(fā)法沉積在玻璃基底上。

5、進一步限定，所述銀納米盤陣列的厚度為80nm。

6、本發(fā)明所述的石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器的制備方法，其特征在于具體步驟為：

7、步驟s1：將玻璃基底置于超聲波清洗機中依次在乙醇、丙酮和去離子水中清洗，并用氮氣吹去其表面水分，最后放入真空干燥箱中烘干；

8、步驟s2：將烘干后的玻璃基底放入真空電子束鍍膜儀中，用電子束蒸發(fā)法在玻璃基底上沉積厚度為120nm的硫化鋅層，設(shè)置鍍膜速率為0.6a/s；

9、步驟s3：通過機械剝離法制備少層石墨烯，并通過二維材料轉(zhuǎn)移平臺將少層石墨烯轉(zhuǎn)移至鍍有硫化鋅層的玻璃基底上；

10、步驟s4：將pmma/aao復合模板置于丙酮中使pmma溶解，aao模板懸浮于丙酮中，再將aao模板轉(zhuǎn)移至鍍有硫化鋅層的玻璃基底上，通過風干丙酮將aao模板與硫化鋅層粘合，最終制得孔徑為300nm、厚度為500nm的aao模板；

11、步驟s5：將粘合有aao模板的玻璃基底放入真空電子束鍍膜儀中，用電子束蒸發(fā)法在aao模板上沉積厚度為80nm的銀膜，設(shè)置鍍膜速率為0.5a/s；

12、步驟s6：用m470膠帶剝離傳感芯片表面的aao模板得到在表面高度有序、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的大面積銀納米盤陣列。

13、進一步限定，所述pmma/aao復合模板采用二次陽極化處理的方式進行制備，其具體制備步驟為：

14、步驟s1：將鋁襯底置于超聲波清洗機中依次在乙醇、丙酮和去離子水中清洗，再在氮氣環(huán)境下干燥處理，然后用體積比為4:1的過氯酸與乙醇的混合液作為電化學拋光液，通過電化學拋光處理將鋁襯底上下表面拋光，其中電化學拋光電壓為20v，電化學拋光溫度為10℃；

15、步驟s2：將處理后的鋁襯底首先在1wt%的磷酸溶液中進行第一次陽極化處理在鋁襯底表面形成多孔氧化鋁層即aao模板，其中陽極化處理電壓為195v，陽極化處理溫度為4℃，陽極化處理時間為6h，再用6wt%磷酸與鉻酸混合液將陽極化處理后的鋁襯底表面的無規(guī)則陽極氧化層于70℃化學清除9h，然后將化學清除后的鋁襯底在1wt%的磷酸溶液中進行第二次陽極化處理在鋁襯底表面形成多孔氧化鋁層即aao模板，其中陽極化處理電壓為195v，陽極化處理溫度為4℃，通過調(diào)整第二次陽極化處理時間控制aao模板的厚度為200nm；

16、步驟s3：用pmma或甲苯溶液將有機玻璃層自旋涂覆于aao模板上，再用硫酸銅與鹽酸混合液清除鋁襯底，滯留的薄阻礙層用5wt%磷酸溶液清除30min，aao模板的孔徑大小通過磷酸溶液的腐蝕時間進行控制，最終制得孔徑為300nm、厚度為500nm的pmma/aao模板。

17、本發(fā)明所述的石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子體共振傳感器在生化分子識別檢測中的應用，其特征在于具體過程為：利用鹵素光源發(fā)射出寬波段的光，通過垂直入射在銀納米盤陣列表面激發(fā)局域表面等離子體共振，而入射光經(jīng)過銀納米盤陣列的波矢補償，進一步激發(fā)硫化鋅層的表面等離子體共振，最后在傳感結(jié)構(gòu)下方通過光纖一端收集透射光，另一端連接光譜儀進行光譜采集，并將光譜儀與電腦相連得到實時光譜數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙通道傳感的局域表面等離子體共振傳感器，兩個通道的信號能夠互相參考以加強傳感器的穩(wěn)定性，附著在硫化鋅層表面的石墨烯增敏層不僅加強了局域表面等離子體共振所形成的高度電場局域特性，提升了傳感器對于外界環(huán)境折射率變化的敏感性，同時由于石墨烯增敏層的強生化分子吸附特性，能夠放大生化分子的傳感信號，降低生化分子的檢測極限，而石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)使光譜的帶寬降低至50nm，是純金屬結(jié)構(gòu)帶寬的四分之一，傳感器兩個通道的主要測量參量為待測折射率和生化分子濃度。

18、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：本發(fā)明采用從下至上的制備方法，通過機械剝離石墨烯、模板轉(zhuǎn)移和電子束鍍膜等技術(shù)制備出石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高靈敏度和窄帶寬的局域表面等離子體共振傳感，進而可實現(xiàn)對待測介質(zhì)折射率、生化分子濃度等其它參量的檢測；由于硫化鋅層和納米銀盤陣列可以設(shè)置為不同的幾何參數(shù)從而對應不同的共振位置，因此可以根據(jù)實際需求來調(diào)整局域表面等離子體共振傳感器的工作波段和靈敏度；另外，由于硫化鋅層和納米銀盤陣列的模式耦合，本發(fā)明的傳感結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)雙通道傳感，因此在測量時能夠通過兩個通道的互相參考加強傳感器的穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器，其特征在于：所述傳感器由基底及設(shè)置于基底上的傳感結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該傳感結(jié)構(gòu)是通過機械剝離石墨烯、模板轉(zhuǎn)移和電子束鍍膜技術(shù)制備的石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)，傳感結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于基底上的介質(zhì)層和設(shè)置于介質(zhì)層上的銀納米盤陣列，石墨烯增敏層通過機械剝離法制備并通過二維材料轉(zhuǎn)移平臺轉(zhuǎn)移至介質(zhì)層和銀納米盤陣列之間，實現(xiàn)了局域表面等離子體共振傳感，進而能夠?qū)崿F(xiàn)對待測介質(zhì)折射率、生化分子濃度參量的檢測。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器，其特征在于：所述基底為厚度0.5~1.0mm的玻璃基底，采用具有良好透光性的玻璃基底對傳感結(jié)構(gòu)進行支撐能夠進行透射光譜測量。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器，其特征在于：所述介質(zhì)層為厚度120nm的硫化鋅層，該硫化鋅層通過電子束蒸發(fā)法沉積在玻璃基底上。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器，其特征在于：所述銀納米盤陣列的厚度為80nm。

5.一種權(quán)利要求1~4中任意一項所述的石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器的制備方法，其特征在于具體步驟為：

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器的制備方法，其特征在于：所述pmma/aao復合模板采用二次陽極化處理的方式進行制備，其具體制備步驟為：

7.權(quán)利要求1~4中任意一項所述的石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器在生化分子識別檢測中的應用。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應用，其特征在于具體過程為：利用鹵素光源發(fā)射出寬波段的光，通過垂直入射在銀納米盤陣列表面激發(fā)局域表面等離子體共振，而入射光經(jīng)過銀納米盤陣列的波矢補償，進一步激發(fā)硫化鋅層的表面等離子體共振，最后在傳感結(jié)構(gòu)下方通過光纖一端收集透射光，另一端連接光譜儀進行光譜采集，并將光譜儀與電腦相連得到實時光譜數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙通道傳感的局域表面等離子體共振傳感器，兩個通道的信號能夠互相參考以加強傳感器的穩(wěn)定性，附著在硫化鋅層表面的石墨烯增敏層不僅加強了局域表面等離子體共振所形成的高度電場局域特性，提升了傳感器對于外界環(huán)境折射率變化的敏感性，同時由于石墨烯增敏層的強生化分子吸附特性，能夠放大生化分子的傳感信號，降低生化分子的檢測極限，而石墨烯增敏的介質(zhì)-金屬雜化結(jié)構(gòu)使光譜的帶寬降低至50nm，是純金屬結(jié)構(gòu)帶寬的四分之一，傳感器兩個通道的主要測量參量為待測折射率和生化分子濃度。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種石墨烯增敏的介質(zhì)?金屬雜化結(jié)構(gòu)局域表面等離子共振生化傳感器及其制備方法和應用，所述傳感器由基底及設(shè)置于基底上的傳感結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該傳感結(jié)構(gòu)是通過機械剝離石墨烯、模板轉(zhuǎn)移和電子束鍍膜技術(shù)制備的石墨烯增敏的介質(zhì)?金屬雜化結(jié)構(gòu)，傳感結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于基底上的介質(zhì)層和設(shè)置于介質(zhì)層上的銀納米盤陣列，石墨烯增敏層通過機械剝離法制備并通過二維材料轉(zhuǎn)移平臺轉(zhuǎn)移至介質(zhì)層和銀納米盤陣列之間，實現(xiàn)了局域表面等離子體共振傳感，進而能夠?qū)崿F(xiàn)對待測介質(zhì)折射率、生化分子濃度參量的檢測。本發(fā)明實現(xiàn)了高靈敏度和窄帶寬的局域表面等離子體共振傳感，進而可實現(xiàn)對待測介質(zhì)折射率、生化分子濃度等其它參量的檢測。

技術(shù)研發(fā)人員：李麗霞,吳思遠,金明登,張朋森,劉玉芳
受保護的技術(shù)使用者：河南師范大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10