[发明专利]石墨烯薄膜增敏的D型光纤SPR传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料工程、光学工程和光纤光学技术领域，具体涉及石墨烯薄膜增敏的D型光纤SPR传感器及其制备方法。 

背景技术

上世纪70年代后期光纤传感开始发展起来并成为一项光学检测技术，它利用光在介质中的强度、位相、偏振等特性变化，来检测诸如温度、压力、浓度等一系列物理量、化学量或生物量的变化，具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、抗腐蚀性强等优点，已经在工业、科研、环境、医疗、军事等很多方面得到了广泛应用，具有广阔应用潜力和发展前景。 

光纤传感技术的发展伴随着光导纤维和光纤通信技术的发展，现在正成为一个研究热点。目前光纤传感技术正朝着深入研究传感理论、开展多参数传感及分布式传感网络系统和研究功能完善、可靠性及稳定性高的基础元件的方向发展。利用光倏逝波原理的光纤传感器也得到广泛的研究。D型光纤剖面由于纤芯外露，因此具有大比例的衰逝波传输、结构紧凑及较低的损耗等优点，将D型光纤与某些具有特殊功能的材料结合，可以构成一系列新型的光学器件，被广泛应用于通信、发光、传感等领域。前期研究发现在D型光纤剖面沉积一定厚度的功能型薄膜材料，利用功能薄膜材料与光倏逝波的相互作用来实现高灵敏度实时的气液成分、微量元素、生物医学等传感和DNA检测的独特优点，这也是目前光纤生化传感技术领域的重要发展方向之一。 

表面等离子共振技术（Surface Plasmon Resonance technology,SPR）是20世纪90年代发展起来的，应用SPR原理检测生物传感芯片上配位体与分析物作用的一种新技术。等离子体通常是指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体，其中正负带电离子数几乎相等，内部不形成空间电荷。金属可以看成等离子体，由于电磁振荡形成等离子波。当光以大于临界角入射在光疏介质和光密介质表面时，会使光倏逝波进入到光疏介质中，而在金属介质中又存在一定的本征等离子波，当物质的本征波遇到外界波时就可能发生共振，从而产生SPR现象。 

SPR金属膜由传统的金膜发展到现在的金膜和银膜作为最常用的两种金属膜。与金膜相比，银膜具有较高的反射率和较高的测量灵敏度，从SPR光谱的三个特征参数（共振波长、共振宽度、共振深度）来看，在同样的条件下，银膜的共振波长的变化明显比金膜灵敏，共振深度约大于金膜，共振峰宽明显小于金膜。但银膜的化学稳定性不如金膜，银膜容易被氧化而造成其SPR结构检测灵敏度的降低。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中银膜容易被氧化而造成其SPR结构检测灵敏度降低的问题。 

本发明的技术方案为：基于石墨烯薄膜增敏的D型光纤SPR传感器，包括D型光纤，在D型光纤的抛光面具有银膜层，在银膜层表面具有石墨烯薄膜层。 

进一步地，所述石墨烯薄膜层的厚度为1～10石墨烯原子层。 

进一步地，所述银膜层厚度为10～80nm。 

本发明还公开了一种基于石墨烯薄膜增敏的D型光纤SPR传感器的制备方法，其包括如下步骤： 

（1）制备D型光纤；并在D型光纤的抛光面制备银膜层；

（2）在银膜表面制备石墨烯薄膜层。

进一步地，所述石墨烯薄膜层的厚度为1～10石墨烯原子层。 

进一步地，所述银膜层的厚度为10～80nm。 

进一步地，所述石墨烯薄膜层通过化学气相沉积法制备。 

进一步地，所述银膜层通过化学沉积还原法制备。 

进一步地，所述制备D型光纤的方法为：将多模或大芯径光纤侧面的一段涂覆层去掉，然后在一部分包层中挖一个D型槽，D型槽深度与光纤的半径长度相等，最后将这个槽抛光并确定表面光滑。 

本发明与现有技术相比具有如下的有益效果： 

本发明在D型光纤剖面镀上一层10～80nm的银膜，再在银膜表面沉积或生长1～10原子层厚度的石墨烯薄膜，形成一种SPR传感结构。当存在金属银中的本征波遇到光倏逝波时就可能发生共振，从而产生SPR现象。银膜具有良好的敏感特性，而石墨烯薄膜具有非同寻常的强度和极好的透光性，在此种结构中它作为银膜的保护层和增敏层。本发明提出的SPR传感结构相比于普通的SPR传感器具有更高的传感灵敏度，更好的化学稳定性，同时采用在银膜表面沉积或生长的石墨烯薄膜作为增敏结构，通过对介质表面的光学谐振信号检测，这种传感器具有实时监测、灵敏度高，性能稳定，结构紧凑等优点，在物理、化学、生物、医疗、食品工业等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；