一种基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器

技术领域

本发明涉及检测分析技术领域，尤其涉及一种基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器。

背景技术

亚波长光栅结构作为一种典型的微纳光子结构，对分析物折射率的微小变化相当敏感，在诸如生物传感领域中作为光学生物传感器已有应用。与其他生物传感器相比，光学生物传感器因在抗电磁干扰，成本控制方面的优势，在诸如临床诊断、药物发现、食品卫生安全和环境控制等领域有着广泛的应用。以亚波长光栅为基础的光学生物传感器具有预处理简单，不影响检测分子性质、高灵敏度、鲁棒性和可集成等优点，具有优秀的应用前景。

光学生物传感器具有无标记检测、易于片上集成等优点，但是，目前的光学传感器其检测灵敏度不够高。

发明内容

本发明提供一种基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，用以解决现有技术中光学生物传感器检测灵敏度不够高的缺陷。

本发明提供一种基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，包括：

上亚波长光栅、下亚波长光栅；该两个亚波长光栅镜面对称设置，两者形成的中间间隙构成检测物质通道；

在所述上亚波长光栅、下亚波长光栅的内表面均设置有石墨烯层；

检测物质通过所述检测物质通道呈水平方向流动，入射至所述上亚波长光栅的光线方向与所述检测物质通道的方向不平行。

根据本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，所述上亚波长光栅包括：上波导层和设置在该上波导层上的若干上光栅层，所述石墨烯层分别设置在所述上波导层和上光栅层上；

所述下亚波长光栅包括：下波导层和设置在该下波导层上的若干下光栅层，所述石墨烯层分别设置在所述下波导层和下光栅层上。

根据本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，入射至所述上亚波长光栅的光线垂直于所述检测物质通道。

根据本发明提供的一种基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，在下亚波长光栅的外侧底面设置有银衬底。

根据本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，在所述下亚波长光栅的外侧底面设置有银衬底。

根据本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，所述上光栅层、下光栅层的厚度d

根据本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，双层亚波长光栅结构的单个周期P＝960nm。

根据本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，所述上光栅层、下光栅层为折射率3.48的Si，所述上波导层、下波导层为折射率1.46的二氧化硅。

根据本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，所述石墨烯层的厚度为0.34nm。

根据本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，所述银衬底的厚度为100nm。

本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，其结构简单，制备方便，一方面，通过将检测物质通道方向和入射光方向不平行设置，使得两者通道区别出来，从而减少了被检测物质与入射光之间的相互间干扰，提高了该生物传感器的检测灵敏度；另一方面，通过在亚波长光栅的内表面设置石墨烯层，使得石墨烯层能够吸收更多的光谱，从而进一步提高了该生物传感器的检测灵敏度。此外，本发明提供的传感器在入射光的入射角度在0度-20度的变化范围内仍然能够保持较高的检测灵敏度，其原理在于：石墨烯高的表面体积比和丰富的π共轭结构能够使得倾斜的入射光更多地束缚在待测物质的周围，这一特性能够降低传感器在光倾斜入射时检测灵敏度受到的不利影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器的结构示意图；

图2为在入射光线倾斜角度为0度、10度、20度的情况下光学传感器在有无石墨烯覆盖下的吸收谱对比图；

图3为在光线固定为垂直入射的情况下光学传感器的谐振峰随待测物质折射率变化时的吸收光谱图；

图4为光学传感器在入射光的入射角度变化时谐振峰的演变吸收光谱图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前的光学生物传感器一方面存在着入射光和待检测分子检测通道一致的问题，这样易发生相互干扰，影响检测效果。本发明通过将双层亚波长光栅的光入射方向和待检测物质流动方向相互垂直设置，使得两者不存在相互间的干扰，从而提高了生物传感器的检测灵敏度。

此外，石墨烯作为一种性能优异的二维材料，其有着丰富的π共轭结构和高表面体积比，能够作为生物分子识别元件加入亚波长光栅传感器中，进一步提高光学生物传感器传感性能。但是因为石墨烯较弱的近红外波段光-物质相互作用能力(其在近红外波段的吸收率仅有2.3％)，这会使得生物传感器的吸收通道的吸收峰难以辨别，难以实现物质的检测。这就导致石墨烯的光学生物传感器的发展仍然存在困难。本发明将石墨烯置于亚波长光栅结构中，通过亚波长光栅在近红外波段发生的谐振来实现石墨烯的光-物质相互作用能力增强。从电场分布来看，亚波长光栅结构能够使光更多的束缚在石墨烯层周围，从而提供更多的检测通道，增加吸收效率，并最终提高传感器的检测灵敏度。

图1为本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器的结构示意图，如图1所示，本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，包括：两个覆盖着单层石墨烯的亚波长光栅结构、中间检测物质通道和底部金属衬底。其中，中间检测物质通道由该两个亚波长光栅结构之间的间隙构成。本发明提供的生物传感器能形成近乎完美的谐振峰，并且结构简单，便于加工，光线入射通道和中间检测物质通道的分离能够减少相互间的干扰，以提高检测灵敏度；而且凭借双层亚波长光栅结构和石墨烯的共同作用，实现了对被检测物质的高灵敏度检测，在微纳光学器件领域的生物传感方面具有良好的应用前景。

如图1所示，本发明提供的石墨烯生物传感器包括：

上亚波长光栅1、下亚波长光栅2；该两个亚波长光栅镜面对称设置，两者形成的中间间隙构成检测物质通道3；

在所述上亚波长光栅1、下亚波长光栅2的内表面均设置有石墨烯层4；

检测物质通过所述检测物质通道水平方向流动，入射至所述上亚波长光栅1的光线方向与所述检测物质通道方向不平行。

具体地，本发明提供的石墨烯生物传感器传感器，其检测物质仅由检测物质通道水平方向流动，生物传感器的上下方均为空气，光由传感器上方入射进入传感器。

本发明提供的石墨烯生物传感器工作原理为：当被检测物质通过检测物质通道以水平方向流动后，入射光从所述上亚波长光栅1的上面投射，入射光先后依次穿过上亚波长光栅1、石墨烯层4、检测物质通道内的检测物质后，再通过下亚波长光栅2上的石墨烯层4对入射光的光谱进行吸收，然后将经过吸收光谱后的光再经过下亚波长光栅2进行反射，使得光线反射回检测物质通道内的检测物质，最后再通过上亚波长光栅1出射。然后通过入射光的光谱以及出射光的光谱，即可检测出被检测物质对应的光谱，从而最终确定被检测物质的具体类别，最终实现了对被检测物质的高精度检测。

本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，通过在上亚波长光栅1、下亚波长光栅2的内表面均设置有石墨烯层4，使得光栅中更多的光场泄漏到低折射率的待检物质中；同时通过将石墨烯覆盖在光栅结构的顶部，与待测物质能够充分接触，利用石墨烯高的表面体积比和丰富的π共轭结构，能够让更多的光束束缚在待检物质存在的通道中，从而提高生物传感器的检测灵敏度。

本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，其结构简单，制备方便，一方面，通过将检测物质通道方向和入射光方向不平行设置，使得两者通道区别出来，从而减少了被检测物质与入射光之间的相互间干扰，提高了该生物传感器的检测灵敏度；另一方面，通过在亚波长光栅的内表面设置石墨烯层，使得更多的光束能够束缚在待检物质存在的通道中，从而进一步提高了该生物传感器的检测灵敏度。

进一步地，所述上亚波长光栅1包括：上波导层11和设置在该上波导层11上的若干上光栅层12，所述石墨烯层4分别设置在所述上波导层11和上光栅层12上；

所述下亚波长光栅2包括：下波导层22和设置在该下波导层22上的若干下光栅层21，所述石墨烯层4分别设置在所述下波导层22和下光栅层21上。

本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，通过在上波导层11、上光栅层12、下波导层22、下光栅层21上均设置石墨烯层，使得更多的光束束缚在待检物质存在的通道中，从而提高了生物传感器的检测灵敏度。

进一步地，入射至所述上亚波长光栅1的光线垂直于所述检测物质通道。

本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，通过将入射光与检测物质通道垂直设置，大大减低了两者之间的相互干扰，进一步提高了生物传感器的检测灵敏度。

进一步地，在所述下亚波长光栅2的外侧底面设置有银衬底5。金属银的相对介电常数则是由洛伦兹-德鲁德模型(Lorentz-Drude mode)给出，银衬底厚度l为100nm。

本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，通过在下亚波长光栅2的外侧底面设置银衬底5，使得入射的光线能够反射至被检测物质，从而进一步提高了生物传感器的检测灵敏度。通过将银衬底厚度控制在100nm，使得该生物传感器具有更加灵敏的检测度，其原理在于：银衬底作为一种金属反射镜，将从亚波长光栅结构中泄露的光重新反射进入亚波长光栅结构中以增强吸收。选择过于小的厚度的银会使反射并不完全，影响吸收性能，过于厚的银则会提高成本。综合来看，本发明选择100nm厚度的银能够在控制成本的同时实现全反射的功能。

进一步地，所述上光栅层12、下光栅层21的厚度d

本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，通过以上数据的限定，能够更大限度的增加谐振强度，并且宽的检测物质通道(H＝2000nm)能够更多的容纳待检物质，使得光场能够更加局域在检测通道内，从而进一步提高检测的灵敏度。

进一步地，在本发明实施例中，所述上光栅层12、下光栅层21选用的是折射率为3.48的Si，上波导层11、下波导层22是折射率为1.46的二氧化硅。

本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，通过以上数据的限定，使得该生物传感器具有更加灵敏的检测度，其原理在于：高折射率差光栅(HCG)结构是一种简单且易于实现高灵敏度光栅传感器的一种亚波长光栅结构。使用高折射率的Si(折射率3.48)和低折射率的SiO

进一步地，所述石墨烯层的厚度d

具体地，所述石墨烯层为单层石墨烯，其厚度为0.34nm，即一个碳原子的厚度，由于单层石墨烯层的表面电导率由带间电导率和带内电导率构成，具有高的强度和电子迁移率，因此，单层石墨烯能够吸收更多的光。

本发明提供的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器，通过将石墨烯层的厚度d

图2为在入射光线倾斜角度为0度、10度、20度的情况下光学传感器在有无石墨烯覆盖下的吸收谱对比图。如图2所示，当传感器中没有石墨烯存在的时候，整个传感器的吸收强度非常低，但是谐振位置与传感器有石墨烯时基本相同。总的来说，石墨烯的存在与否对吸收谱中的谐振位置影响较小，但是石墨烯的存在对吸收图谱的吸收强度有着非常重要的影响，尤其是在右侧谐振峰位置，吸收强度由54.1％提高到99.3％。由此可见，单层石墨烯虽然自身在近红外波段吸收低，但是其与亚波长光栅的共同作用能够使得吸收强度显著提升，从而最终提升传感器的检测灵敏度。同时，当光入射角度从0度到20度变化时，有石墨烯的传感器的谐振峰变化幅度要显著小于无石墨烯的传感器，这意味着在入射角度从0度到20度时，有石墨烯的传感器比无石墨烯的传感器更能保持一个高吸收率。

图3为在光线固定为垂直入射的情况下光学传感器的谐振峰随待测物质折射率变化时的吸收光谱图，对应检测物质的折射率为1.331、1.336、1.341、1.346、1.361。由图3可知，检测物质折射率变化会引起传感器的输出光谱中心波长的漂移，即不同折射率的待测物质所对应的谐振峰的中心波长是不同的。由图3可以清晰看出，折射率1.331、1.336、1.341、1.346、1.361的待测物质所对应的谐振峰中心波长存在明显区别，由此能够实现对被检测物质的光学检测，进而实现光学吸收率传感。计算得到谐振峰灵敏度为320nm/RIU。

图4为光学传感器在入射光的入射角度变化时谐振峰的演变吸收光谱图。在实际使用环境中，对光入射角度的准确控制可能存在困难，这就需要传感器有角度不敏感的特性。结合图2和图4，石墨烯层的有无不仅对谐振强度存在重要影响，而且当光入射角度从0度到20度变化时，有石墨烯的传感器的变化幅度要显著小于无石墨烯的传感器。这意味着本发明提出的石墨烯生物传感器在整个角度由0度变化为20度的过程中，在保持高的吸收率的同时吸收强度呈线性变化。从图4可以看出，本发明提供的石墨烯生物传感器在入射光以20度的入射角倾斜入射时下仍然保持95％吸收率。

综上，本发明提出的基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器的技术优势体现在：

(1)本发明提供的石墨烯生物传感器结合了亚波长光栅和石墨烯的优点，实现了对检测物质的高灵敏度检测；

(2)本发明通过将检测通道和光入射通道分开且呈垂直布置，有效降低了光线和检测物质之间的干扰，待测物质不会直接接触激光器，避免了可能会出现的反应，提高了传感器的抗干扰性能；

(3)本发明提供的石墨烯生物传感器能够通过谐振峰的漂移改变来检测物质的折射率变化，从而实现对液体或气体吸收率传感。

(4)本发明提供的石墨烯生物传感器在20度的入射角下还能保持95％的光吸收率，在入射角从0度到20度的变化过程中，光吸收率保持高吸收率且变化线性。即使入射光倾斜到20度，传感器依然能够对入射光具有较好的吸收率。这意味着传感器在实际使用中对光入射角度的要求小。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。