一种中红外石墨烯等离子激元生化传感器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Middle infrared graphene plasma element biochemical sensor

The invention discloses an infrared graphene plasmon biochemical sensor, including light source, infrared spectrum width first infrared lens, graphene plasmon sensing unit and a second infrared lens; graphene plasmon sensing unit comprises a doped silicon substrate, the first and the second grating coupling area, the sensing area and at first, the graphene layer covering second grating coupling region and the sensing zone above; wide spectrum light emitted from the infrared light by focusing first infrared lens in the first grating coupling region and graphene plasmon coupling, produced in the infrared graphene plasmon through the graphene layer to the sensing area, and biological samples repeatedly after reaction via graphene layer to second grating coupling region, scattering far field; by the second lens into the infrared Fourier transform infrared spectrometer in Spectral analysis. The invention relates to an infrared graphene laser element which is repeatedly reacted with a biological sample in the sensing area to improve the sensitivity of the biomolecule detection.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学传感领域，具体涉及一种中红外石墨烯等离子激元生化传感器。
技术介绍
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(grapheneplasmons)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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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：Λ＝λ0/neff；其中，λ0是自由空间中红外光波长；neff是中红外石墨烯等离子激元的有效折射率。在上述方案中，所述传感区为光学微腔结构，包括横向并排布设在所述掺杂硅衬底上的两个相同的布拉格反射器；每个所述布拉格反射器包括M个空气波导层和掺杂硅波导层，并按先空气波导层后掺杂硅波导层的顺序沿横向交替排列，8≥M≥4；两个所述布拉格反射器中间通过一个空气凹槽连接，形成一个光学谐振腔，两个所述布拉格反射器使中红外石墨烯等离子激元高度局域在所述空气凹槽中，与填充在所述空气凹槽的生物样品反复发生反应。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是通过在所述掺杂硅衬底上刻蚀线形凹槽实现；所述布拉格反射器的空气波导层以及所述空气凹槽是通过在所述掺杂硅衬底上刻蚀线形双布拉格发射结构凹槽实现。在上述方案中，所述布拉格反射器的空气波导层的横向长度d1与掺杂硅波导层的横向长度d2由布拉格条件决定，具体关系为：d1×Real(neff1)+d2×Real(neff2)＝mλb/2；其中，λb是布拉格的中心波长；m是布拉格的阶数；Real(neff1)为中红外石墨烯等离子激元在空气波导层的有效折射率；Real(neff2)为中红外石墨烯等离子激元在掺杂硅波导层的有效折射率。在上述方案中，连接两个所述布拉格反射器的空气凹槽的横向长度L为：L＝Λr/[neff·2]；其中，Λr为共振波长；neff是共振波长波导的有效折射率。在上述方案中，所述石墨烯等离子激元传感单元还包括介质层，所述介质层设置在所述石墨烯层与所述掺杂硅衬底之间，形成场效应管结构；所述石墨烯层上设有金属电极，所述金属电极接地；当所述掺杂硅衬底接电时，场效应管结构导通，为所述石墨烯层施加电压；调节施加在所述石墨烯层上电压的大小，调节石墨烯的费米能级大小，石墨烯的费米能级大小改变共振频谱发生移动。在上述方案中，所述介质层为Al2O3。本专利技术利用中红外石墨烯等离子激元在光学谐振腔与生物样本反复反应的特点，增强对纳米尺度生物分子的振动吸收，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同时高精度测量，提高生物分子检测的灵敏度和传感器的集成度。附图说明图1为本专利技术提供的一种中红外石墨烯等离子激元生化传感器的结构示意图；图2为本专利技术中石墨烯等离子激元传感单元的结构示意图；图3为采用本专利技术提供的中红外等离子激元生化传感器得到的光谱测试结果示意图。具体实施方式本专利技术利用石墨烯等离子激元超强的光场束缚和可调谐的特性，在高度集成的芯片上实现对蛋白质等微量生化材料的复折射率和光谱同时高精度检测。下面结合说明书附图和具体实施例对本专利技术做出详细的说明。如图1所示，本专利技术提供的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(globar)10、第一中红外透镜20、石墨烯等离子激元传感单元30和第二中红外透镜40；石墨烯等离子激元传感单元30包括掺杂硅衬底35、分别布设在掺杂硅衬底35两端的第一光栅耦合区31和第二光栅耦合区34、布设在掺杂硅衬底35中间的传感区33，以及覆盖在第一光栅耦合区31、传感区33和第二光栅耦合区34上方的石墨烯层32，在本专利技术中，第一、第二光栅耦合区是由衍射光栅构成的；中红外宽谱光源10发出的自由空间中红外光波通过第一中红外透镜20聚焦到石墨烯等离子激元传感单元30的第一光栅耦合区31上，与石墨烯等离子激元耦合，产生中红外石墨烯等离子激元；中红外石墨烯等离子激元通过波导媒介石墨烯层32到达传感区33，与放置在传感区33上的生物样品(如蛋白质等)反复反应后，经由石墨烯层32到达第二光栅耦合区34，并散射到远场；再由第二中红外透镜40聚焦到傅里叶变换红外光谱仪50(FTIR)中进行光谱测量分析。由于中红外石墨烯等离子激元的传输波矢比自由空间中红外光波的大1-2个量级，它们之间存在极大的波矢不匹配，不能直接将自由空间中红外光波耦合到石墨烯等离子激元，转换生成中红外石墨烯等离子激元，因此，本专利技术采用亚波长的光栅(第一、第二光栅耦合区的光栅)来补偿波矢的不匹配。本专利技术第一、第二光栅耦合区的光栅周期长度Λ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中红外石墨烯等离子激元生化传感器，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种中红外石墨烯等离子激元生化传感器，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，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：Λ＝λ0/neff；其中，λ0是自由空间中红外光波长；neff是中红外石墨烯等离子激元的有效折射率。3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感区为光学微腔结构，包括横向并排布设在所述掺杂硅衬底上的两个相同的布拉格反射器；每个所述布拉格反射器包括M个空气波导层和掺杂硅波导层，并按先空气波导层后掺杂硅波导层的顺序沿横向交替排列，8≥M≥4；两个所述布拉格反射器中间通过一个空气凹槽连接，形成一个光学谐振腔，两个所述布拉格反射器使中红外石墨烯等离子激元高度局域在所述空气凹槽中，与填充在所述空...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶金，刘子晨，邱英，杨奇，
申请(专利权)人：武汉邮电科学研究院，
类型：发明
国别省市：湖北;42