[发明专利]一种中红外石墨烯等离子激元生化传感器

说明书

本发明公开了一种中红外石墨烯等离子激元生化传感器，包括中红外的宽谱光源、第一中红外透镜、石墨烯等离子激元传感单元和第二中红外透镜；石墨烯等离子激元传感单元包括掺杂硅衬底、第一、第二光栅耦合区、传感区以及覆盖在第一、第二光栅耦合区和传感区上方的石墨烯层；宽谱光源发出的中红外光波通过第一中红外透镜聚焦在第一光栅耦合区与石墨烯等离子激元耦合，产生的中红外石墨烯等离子激元通过石墨烯层至传感区，与其上生物样本反复反应后经由石墨烯层至第二光栅耦合区，散射到远场；由第二中红外透镜聚焦到傅里叶红外光谱仪中进行光谱测量分析。本发明中红外石墨烯等离子激元在传感区与生物样本反复反应，提高生物分子检测的灵敏度。

技术领域

本发明涉及光学传感领域，具体涉及一种中红外石墨烯等离子激元生化传感器。

背景技术

中红外波段(3-30微米)被特殊应用于生化传感上，这个波段涵盖了分子的振动能级，可以用来鉴定分析生命的生化基本结构单元，如蛋白质、脂肪、DNA等。中红外吸收光谱技术可以通过分子共振的指纹吸收，非侵入式、无标记的得到物质的生化信息。然而由于生化分子的尺寸(通常小于10纳米)和中红外波长的失配，导致了分子的振动吸收非常的微弱，这对于纳米尺度分子的检测非常不利，为了克服吸收弱的限制，局域共振金属纳米结构被应用于分子探测，增强分子探测灵敏度。尽管金属纳米共振能够增强纳米尺度分子探测灵敏度，但是由于金属在中红外波段类似电子完美导体，光子和金属中的电子相互作用很弱，金属纳米共振技术仍然受限于相对较弱的光学增强和不可调谐的窄带光谱。

石墨烯是按照蜂窝状二维排列的碳原子，因其卓越电学和光学性能它被誉为光子学和光电子学革命性的材料。石墨烯等离子激元(graphene plasmons)是光子驱动石墨烯中电子的集体震荡，是一种电磁波，与传统的金属结构的等离子激元相比，石墨烯等离子激元有三方面特性优势：

(1)掺杂石墨烯的载流子浓度可以通过场效应管(FET)很小的偏压实现高速大范围的调制，开关时间短于1纳秒，这对于实现高速的光电子器件非常关键；

(2)石墨烯等离子激元的波长比自由空间光波长小1-3个量级，这就意味着石墨烯等离子激元对中红外光场有着很强的限制效应，能够极大的增强光和物质的相互作用；

(3)石墨烯等离子激元恢复时间较长，与金属等离子激元相比，石墨烯等离子激元能够传输相对较远的距离。

综上所述，我们可以用石墨烯等离子激元替换金属等离子激元，利用中红外吸收光谱技术和石墨烯等离子激元特征优势，增强对纳米尺度生物分子的振动吸收，从而实现超小尺寸芯片对不同类别生物分子的折射率和振动指纹吸收的高精度测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是利用中红外吸收光谱技术和石墨烯等离子激元特征优势，增强对纳米尺度生物分子的振动吸收，从而实现超小尺寸芯片对不同类别生物分子的折射率和振动指纹吸收的高精度测量的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种中红外石墨烯等离子激元生化传感器，包括中红外的宽谱光源、第一中红外透镜、石墨烯等离子激元传感单元和第二中红外透镜；

所述石墨烯等离子激元传感单元包括掺杂硅衬底、分别布设在所述掺杂硅衬底两端的第一光栅耦合区和第二光栅耦合区、布设在所述掺杂硅衬底中间的传感区，以及覆盖在所述第一光栅耦合区、传感区和第二光栅耦合区上方的石墨烯层；

所述中红外宽谱光源发出的中红外光波通过所述第一中红外透镜聚焦在所述第一光栅耦合区，与石墨烯等离子激元耦合，产生中红外石墨烯等离子激元；所述中红外石墨烯等离子激元通过所述石墨烯层到达所述传感区，与放置在所述传感区上的生物样品反复反应；再经由所述石墨烯层传至所述第二光栅耦合区，并散射到远场；由所述第二中红外透镜聚焦到红外光谱仪中进行光谱测量分析。

在上述方案中，所述第一光栅耦合区和第二光栅耦合区的光栅周期长度Λ为：