[发明专利]一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器

说明书

本发明的一种基于石墨烯‑银光栅的表面等离子体共振传感器，包括：耦合棱镜、上金属薄膜层、金属光栅层、下金属薄膜层和石墨烯层；所述上金属薄膜层附于金属光栅层的上表面，所述下金属薄膜层附于金属光栅层的下表面，所述耦合棱镜设置于所述下金属薄膜层的下方；所述石墨烯层作为生物分子识别层覆盖在上金属薄膜层之上与待测介质接触。在角度调制的模式下检测待测物折射率的变化。与传统的单层金属结构的表面等离子体共振传感器相比，引入了二维材料和金属光栅结构，显著地提高了传感器的灵敏度，具有很强的应用价值。

技术领域

本发明属于光学传感技术领域，涉及一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器。

背景技术

表面等离子体共振本质上是一种光学现象。在传统的表面等离子体共振传感器中，当横磁波以大于临界角的入射角度从棱镜入射到金属表面时，金属表面电子与光子相互作用产生表面等离子体波。当表面等离子体波波矢与入射光波矢匹配时，两种波会发生强烈的耦合激发表面等离子体共振，此时入射光的能量转移到表面等离子体波中，导致反射光的能量急剧下降。从而在光谱上表现为一个反射率衰减的尖峰。在反射率最低时对应的入射角称之为共振角。

表面等离子体共振对周围介质参数的变化极为敏感。这些参数的改变会同时引起共振角度的变化，通过共振角的变化可以获取待测物的相关信息。由于表面等离子体的特性，基于表面等离子体共振的传感器具有灵敏度高、检测方便、可实时检测等诸多优点，现已广泛应用于环境监测、疾病诊断、食品安全等领域。但在生物和化学检测领域，相关的表面等离子体共振传感器显现出的灵敏度仍不能满足低分子量分析物在极度稀释环境下的检测。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器,可实现高场强表面等离子体共振模式的激发，进而实现高灵敏度传感。

本发明提供一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，包括：耦合棱镜、上金属薄膜层、金属光栅层、下金属薄膜层和石墨烯层；所述上金属薄膜层附于金属光栅层的上表面，所述下金属薄膜层附于金属光栅层的下表面，所述耦合棱镜设置于所述下金属薄膜层的下方；所述石墨烯层作为生物分子识别层覆盖在上金属薄膜层之上与待测介质接触。

在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述金属光栅层的光栅脊高度为10～100nm，光栅脊宽度为15～50nm，光栅周期为60～140nm。

在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述金属光栅层的光栅脊高度为50nm，光栅脊宽度为50nm，光栅周期为100nm。

在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述上金属薄膜层的厚度为10～40nm，下金属薄膜层厚度为10～50nm。

在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述上金属薄膜层的厚度为15nm，下金属薄膜层的厚度为10nm。

在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，石墨烯层的层数为0～10层，每层厚度为0.34nm。

在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述耦合棱镜采用BK7玻璃的半球形棱镜，所述耦合棱镜的折射率大于或等于待测物的折射率。

在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述上金属薄膜层和下金属薄膜层均为银薄膜层，金属光栅层为银光栅层。

本发明的一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，引入了二维材料石墨烯与一维银光栅结构，在银光栅上下均设置一层薄银层，这样有助于有效激发表面等离子体共振；采用石墨烯作为生物分子识别层覆盖于处于金属光栅层上方薄银层之上与待测物质接触，通过耦合棱镜调节入射角度；通过选择合适的金属薄膜层厚度与金属光栅层结构参数(脊高、脊宽、周期)，有效地提高了表面等离子体共振传感器的灵敏度。

附图说明