[发明专利]基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测装置和方法

说明书

本发明涉及光学折射率探测的技术领域，具体的公开了一种基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测装置和方法，利用石墨烯层对表面波的光学吸收灵敏依赖介质折射率的基本原理，通过采用能够快速改变被测介质折射率的声波发生装置，从而实现了对待测介质折射率的高灵敏度和超快测量，并通过多束光线同时对被测介质中各个不同部位的折射率进行同时测量以获得均值，实现了介质折射率测量结果的高精度，利用本发明的装置和方法测量折射率的响应时间可以短至1ns，极限灵敏度和探测极限分别为1×106mV/RIU和5×10‑6RIU，改善了传统的折射率测量方法灵敏度不高，而且响应时间较长以及检测精度较低的问题。

技术领域

本发明涉及与折射率探测相关的物理、化学、生物医学等技术领域，具体地涉及光学折射率探测领域，更具体而言，涉及一种基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测装置和方法。

背景技术

折射率是材料的基本光学参数，针对折射率开展的探测在物理、化学、生物医学等诸多领域有着广泛的应用。传统的折射率测量方法主要基于折射定律和光学干涉原理，如：阿贝成像折射率测量方法，迈克尔逊干涉折射率测量方法等。传统的折射率测量方法灵敏度不高，而且响应时间很长，采用光学干涉方法虽然能够一定程度地提高折射率测量的灵敏度，但是响应时间依然较长(从秒到分钟)。

为了进一步提高测量折射率的灵敏度和响应时间，近期出现了一些新型折射率测量方法，如：基于石墨烯全内反射结构折射率测量方法，通过采用监测光强来测量折射率，本发明的发明人之前的申请ZL201210696836.4中即公开了一种基于石墨烯全内反应结构折射率测定方法和装置，通过利用s偏振和p偏振全内反射时反射率的不同，测量两种偏振光反射的差别来实时测定基底材料上不同浓度溶液(NaCl)的折射率，其相对之前的方法有效提高了响应速度和探测灵敏度，实现了待测材料折射率的实时监测，但是一方面，由于该方法中折射率的变化依赖于待测溶液浓度的变化，而溶液浓度的变化反映到折射率的变化仍然需要一定的时间，限制了其折射率的响应速度(几毫秒)；另一方面，该装置采用全反射结构和圆偏振光入射，极大限制了其折射率的探测极限(10-4RIU)，该折射率测试方法和装置仍然不能实现对超快弱波动、单分子动力学、微量气体热力学等微弱信号瞬态探测领域的应用。因此，需要一种能够同时实现高灵敏度和快速折射率测量的方法，其能够实现折射率探测在超快弱波动、单分子动力学、微量气体热力学等微弱信号瞬态探测领域的应用。

本发明的发明人经过研究发现，在反射耦合结构下，入射光场的一部分分量会沿石墨烯表面传播形成表面波，即石墨烯表面波，这种表面波在特定石墨烯厚度条件下甚至可以传播数十微米远，并与石墨烯及其上层介质充分作用。由于石墨烯层对表面波的吸收十分敏感，折射率细微的改变都将导致石墨烯对于表面波吸收快速响应和变化，因此，如果能够提供一种基于石墨烯表面波原理且能够探测快速改变被测介质折射率的方法和装置，该方法和装置能够使被测介质的折射率在瞬间发生微小的变化，从而使石墨烯对表面波的吸收发生变化，进而导致反射光强度发生相应变化，由此便可以实现对待测物体折射率的高灵敏度和快速测量。

本发明的发明人还通过研究发现，一方面，在测量液体介质(如细胞液)时，液体介质内不同区域浓度存在差异，并且在声波震动过程中，导致浓度差异变化，而浓度变化进而导致折射率变化，从而导致对待测物体折射率的测量结果准确度下降，另一方面，通过声波发生器发出的声波振动对基底及石墨烯膜产生影响，使得石墨烯膜以及基底产生震动，也会降低待测物体的检测精度。

发明内容

为改善上述技术问题，本发明提供了一种基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测装置和方法以达到利用石墨烯层对表面波的光学吸收灵敏依赖介质折射率的基本原理，通过多束光线同时对被测介质的折射率进行测量以获得均值，实现了介质折射率的高灵敏度、高精度以及超快探测的目的，改善了传统的折射率测量方法灵敏度不高，而且响应时间较长以及检测精度较低的问题。