一种基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器制造技术

本发明专利技术研究了一种基于D型光纤的石墨烯‑金属‑石墨烯生物传感器，其主要由一段侧抛光纤后形成的D型侧抛区(3)和镀膜材料层(4)组成；(1)为光纤纤芯、(2)为光纤包层；通过抛磨方法在光纤包层中抛磨出一个侧抛区(3)长度约10mm，距纤芯厚度为500nm,在抛磨平面镀上镀膜材料层(4)，其中镀膜材料层(4)由石墨烯(5)与金属纳米线(6)组成；λ1为入射光，λ2为出射光。从结构上，使用光纤纤芯作为波导载体，可以极大地缩小传感系统的体积小稳定性高，集成性好；采用金属钠米线代替传统的金属膜，可以增强了传感器的灵敏度和应用范围。本发明专利技术可广泛地应用生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域。

A Graphene-Metal-Graphene Biosensor Based on D-type Optical Fiber

【技术实现步骤摘要】
一种基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器(一)
本专利技术涉及的是一种基于D型光纤结构的表面等离子体传感器，属于光纤传感领域。可广泛应用在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域的D型光纤生物传感器。(二)
技术介绍
表面等离子体共振(SPR)传感器是利用SPR效应，通过外界环境折射率的变化，而影响共振峰的位置变化，从而实现传感检测。由于光纤SPR传感器具有无需标记、体积小、灵敏度高、传感系统易于搭建、抗电磁干扰、集成性好、能够实时在线检测等优点，被广泛地应用于疾病诊断、食品安全、环境检测等领域。光纤SPR传感器是利用表面等离子体共振的原理，采用了光纤作为波导介质，从而实现传感功能。当入射光在光纤纤芯与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成倏逝波进入到光疏介质中，而在金属介质中又存在一定的等离子波。一定条件下两波相遇时会产生共振。当倏逝波与表面等离子波发生共振时，倏逝波的能量耦合到等离子体波中，使得入射光的能量被吸收，直接导致检测到的反射光的能量大幅度地减弱，并在反射光强响应曲线检测到一个最小的尖峰，即共振吸收峰。当金属膜表面的外界环境折射率发生改变时，会影响共振吸收峰的位置变化，通过测量共振吸收峰位置的改变量来计算得到外界折射率的变化。1968年德国学者Otto根据SPR的衰减全反射的相关原理，成功设计了棱镜耦合结构的Otto型SPR传感器。该结构的棱镜和金属层存在一个很小的缝隙(200nm)左右，使得Otto型的SPR传感器更合适研究单晶体表面。但是由于这个缝隙太小，难以精确控制，使得实验结果的重复性和稳定性差。1971年德国物理学者Krestchmann对Otto型的SPR传感器进行改进，他使用棱镜耦合全内反射的方法，将金属膜直接镀在棱镜面上，金属膜的厚度控制在10～100nm。Krestchmann型的SPR传感器的专利技术为以后各种SPR传感器的研究奠定了一定的理论及实践基础。1992年美国博士R.C.Joergenson课题组提出也可以用光纤纤芯代替传统的棱镜作为波导载体来实现表面等离子体传感。并在1993年成功设计出基于光纤纤芯的SPR传感器。与传统棱镜SPR传感器相比，光纤SPR传感器具有稳定性高，体积小，传感系统易于搭建，抗电磁干扰性强，集成性好等诸多优点。因此被广泛应用于生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域。自石墨烯问世以来，其具备的优良特性一直备受关注；石墨烯韧性，且易于弯曲；石墨烯中的碳原子经过杂化后会形成大π健，因而赋予了石墨烯优异的导电性和光学特性。在室温下，石墨烯的电导率高达15000cm2/(V*s)；单层石墨烯对光的吸收率约为2.3％,在一定的条件下，其对光的吸收率与石墨烯的层数呈线性关系，这就说明，在基于石墨烯的光纤SPR传感器中，可以通过改变石墨烯的层数，从而提高传感器的灵敏度。研究发现使用不同镀膜金属、改变镀膜金属厚度、包层剩余厚度都可以改变传感器的灵敏度。基于石墨烯D型光纤生物传感器，是将石墨烯引入进光纤传感中，可以极大的提高传感器的灵敏度以及应用范围，通过合理的设置包层的剩余厚度、镀膜金属的厚度以及镀膜金属的种类等，可以确定得到一个最佳灵敏度的物理参数，从而实现高灵敏度的SPR传感测量。然而，现今多数传感器体积大、测量范围小、灵敏度较低等问题；本专利技术采用全光纤作为传感器，其具有体积小，测量范围广、灵敏度高，不易受外界环境的影响的特点。(三)
技术实现思路
本专利技术主要为了提供一种具有高分辨率，稳定性好，结构简单易实现、适用范围广、高灵敏度的光纤SPR传感器。本专利技术是这样实现的:基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器，由一段侧抛光纤后形成的D型侧抛区(3)和镀膜材料层(4)组成，其中镀膜材料层采用金属纳米线作为镀膜金属，再在镀膜金属层的上下表面都覆上石墨烯；(1)为光纤纤芯、(2)为光纤包层；通过抛磨方法在光纤包层中抛磨出一个侧抛区(3)长度约10mm，距纤芯厚度为500nm,在抛磨平面镀上镀膜材料层(4)，其中镀膜材料层(4)由石墨烯(5)与金属纳米线(6)组成；λ1为入射光，λ2为出射光。其特征在于：所专利技术的基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器，通过侧抛的方法将光纤制作成D型光纤，在侧抛区域先后镀上石墨烯，金属钠米线，石墨烯的结构，其从而形成三明治结构的光纤传感器；就构成了基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器。金属层采用金属纳米线代替传统的金属膜，并且在金属纳米线的两侧都覆上石墨烯；按上述方案，所使用的光纤为单模光纤，纤芯直径为8um,包层直径为125um。按上述方案，将光纤侧抛成D型光纤，包层剩余厚度为500nm。按上述方案，传感金属层采用金属纳米线，其中金属线的直径为65nm。按上述方案，根据石墨烯对光的吸收率与层数呈线性关系，该传感器所覆的石墨烯层数为3层。按上述方案，入射光的波长范围是550nm～950nm。按上述方案，通过改变外界折射率的变化，便可以探测出其灵敏度，所以外界折射率在1.33～1.34之间变化。基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器的工作原理：当入射光传播到侧抛区时，入射光中有一小部分的光转变为倏逝波与金属中的表面等离子波发生共振，倏逝波的能量会耦合到表面等离子体波中，使得入射光的能量被吸收，直接导致检测到的反射光的能量大幅度地减弱，并在反射光强响应曲线检测到一个最小的尖峰，即共振吸收峰。当金属膜表面的外界环境折射率发生改变时，会影响共振吸收峰的位置变化，通过测量共振吸收峰位置的改变量来计算得到外界折射率的变化。(四)附图说明图1为基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器的结构图。图2为本专利技术传感器采用不同的剩余包层厚度时的损耗光谱图。图3为本专利技术传感器采用金属纳米线直径为65nm，外界测量介质的折射率为1.33和1.34条件下的损耗光谱图。图4为本专利技术传感器在外界测量介质的折射率为1.33～1.39下时的损耗光谱图。图5为本专利技术传感器在外界测量介质的折射率为1.35～1.38下时的平均灵敏度图。(五)具体实施方式下面将结合实例与附图对本专利技术的技术方案做进一步的说明与探讨，以突出本专利技术的优点。本专利技术公开的是一种基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器；该传感器主要由一段侧抛光纤后形成的D型平面区(3)和镀膜金属层(4)组成，其中镀膜金属层采用金属纳米线作为镀膜金属，(1)为光纤纤芯、(2)为光纤包层。通过抛磨方法在光纤包层中抛磨出一个平面(3)长度为10mm，距纤芯厚度为500nm,在抛磨平面镀上石墨烯(5)和金属纳米线(6)。本专利技术的传感器，是将石墨烯引入进光纤传感中，可以极大的提高传感器的灵敏度以及应用范围，通过合理的设置包层的剩余厚度、镀膜金属的厚度以及镀膜金属的种类等，可以确定得到一个最佳灵敏度的物理参数，从而实现高灵敏度的SPR传感测量。该光纤传感器采用全光纤作为传感器，其具有体积小，测量范围广、灵敏度高，不易受外界环境的影响的特点，可应用在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域。石墨烯中的碳原子经过杂化后会形成大π健，因而赋予了石墨烯优异的导电性和光学特性。在室温下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于D型光纤的石墨烯‑金属‑石墨烯生物传感器，由一段侧抛光纤后形成的D型侧抛区(3)和镀膜材料层(4)组成，其中镀膜材料层采用纳米金属线作为镀膜金属，再在镀膜金属层的上下表面都覆上石墨烯；(1)为光纤纤芯、(2)为光纤包层；通过抛磨方法在光纤包层中抛磨出一个侧抛区(3)长度约10mm，距纤芯厚度为500nm,在抛磨平面镀上镀膜材料层(4)，其中镀膜材料层(4)由石墨烯(5)与金属纳米线(6)组成；λ1为入射光，λ2为出射光。其特征在于：所专利技术的基于D型光纤的石墨烯‑金属‑石墨烯生物传感器，通过侧抛的方法将光纤制作成D型光纤，在侧抛区域先后镀上石墨烯，金属纳米线，石墨烯的结构，从而形成三明治结构的光纤传感器；就构成了基于D型光纤的石墨烯‑金属‑石墨烯生物传感器。

【技术特征摘要】
1.一种基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器，由一段侧抛光纤后形成的D型侧抛区(3)和镀膜材料层(4)组成，其中镀膜材料层采用纳米金属线作为镀膜金属，再在镀膜金属层的上下表面都覆上石墨烯；(1)为光纤纤芯、(2)为光纤包层；通过抛磨方法在光纤包层中抛磨出一个侧抛区(3)长度约10mm，距纤芯厚度为500nm,在抛磨平面镀上镀膜材料层(4)，其中镀膜材料层(4)由石墨烯(5)与金属纳米线(6)组成；λ1为入射光，λ2为出射光。其特征在于：所发明的基于D型光纤的石墨烯-金属-石墨烯生物传感器，通过侧抛的方法将光纤制作成D型光纤，在侧抛区域先后镀上石墨烯，金属纳米线，石墨烯的结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏艳，苏永福，滕传新，刘厚权，邓洪昌，邓士杰，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45