[发明专利]具有生物传感功能的太赫兹微结构滤波器及其应用

说明书

本发明公开了一种具有生物传感功能的太赫兹微结构滤波器，包括光纤基材，光纤基材内设置有纤芯和包层空气孔，光纤基材上设置有一段滤波传感区域，滤波传感区域表面涂覆有石墨烯层，光纤基材外侧及石墨烯层各设置一个金属电极。本发明的太赫兹微结构滤波器，将等离子体材料石墨烯和待测样品置于滤波传感区域的侧抛磨平面，避免在微结构光纤内部孔道镀膜和填充分析物的复杂工艺，简化了滤波器单元结构，采用的包层空气孔为具有相同直径的圆形孔，相比于非圆形的孔和同时包含各种不同直径孔的光纤结构，具有结构简单、易制备和力学稳定性好的优势。本发明的滤波器还可用于对液相或固相生物样本进行传感检测，在生物传感领域具有商业化应用潜力。

技术领域

本发明属于太赫兹滤波与传感技术领域，涉及一种具有生物传感功能的太赫兹微结构滤波器，还涉及上述滤波器的应用。

背景技术

太赫兹(terahertz，THz)波是指频率范围在0.1-10THz之间的电磁波，位于毫米波和红外辐射之间。广泛应用于诸多科学和工程领域，包括材料表征、宽带通信、环境监测、医学成像以及化学和生物传感等，目前常用的太赫兹功能器件主要包括太赫兹滤波器、太赫兹调制器、太赫兹混频器、太赫兹吸收器、波导等。

太赫兹滤波器可以从入射电磁波中分离出线偏振部分，或者对宽频带线偏振太赫兹波实现带阻滤波。作为起偏器可用于需要有效控制偏振状态的通信和传感等领域，也是太赫兹系统的重要器件。

石墨烯由于其优异的电子学、光学和机械性能被用于太赫兹功能器件的制备中。目前，基于石墨烯表面等离激元共振(SPR)的太赫兹微结构滤波器主要采用超材料/超表面或耦合棱镜结构，但是，超材料/超表面结构需要复杂的单元结构，耦合棱镜结构体积庞大且结构不稳定。因此，研制基于光纤和石墨烯SPR的高性能太赫兹滤波器对提高太赫兹系统的综合性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供具有生物传感功能的太赫兹微结构滤波器，克服了现有技术中的太赫兹微结构滤波器，单元结构复杂、体积庞大且结构不稳定的问题。

本发明的第二个目的是提供上述太赫兹微结构滤波器的新用途，该太赫兹微结构滤波器可作为生物传感器使用，用于检测液相生物样本和固相生物样本的折射率。

本发明所采用的第一个技术方案是，具有生物传感功能的太赫兹微结构滤波器，包括光纤基材，光纤基材内设置有纤芯和包层空气孔，光纤基材上设置有一段滤波传感区域，滤波传感区域表面涂覆有石墨烯层，光纤基材外侧及石墨烯层各设置一个金属电极。

本发明的特点还在于，

包层空气孔围绕纤芯设置，包层空气孔呈正三角阵列排布。

滤波传感区域为凹槽状，石墨烯层设置于凹槽的凹面上。

包层空气孔的孔间距Λ为600μm，包层空气孔的直径d与包层空气孔的孔间距Λ的比值为0.6。

滤波传感区域的凹面到纤芯中心的垂直距离即侧抛深度H为720-780μm。

光纤基材为环烯烃类聚合物TOPAS、环烯烃类聚合物Zeonex、高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等聚合物材料或者高电阻硅。

石墨烯层为单层石墨烯或者多层石墨烯，金属电极为Au或者Pt。

太赫兹微结构滤波器工作频率为水敏感性低的亚太赫兹波段0.1-1THz。

本发明的第二个技术方案是，具有生物传感功能的太赫兹微结构滤波器，可作为生物传感器使用，用于检测液相生物样本和固相生物样本的折射率，尤其是用于折射率在1.33-1.40之间的液相生物样本的检测。

本发明的有益效果是：