石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器，包括U型光纤，在U型光纤的U型区具有Gr/Au@ITO纳米棒杂化材料结构。其制备方法为：(1)制备U型光纤；并在U型光纤的U型区制备金纳米颗粒层；(2)制备ITO纳米阵列结构；(3)石墨烯层。本发明专利技术采用U型光纤作为光的传输媒质，在U型光纤表面制备Gr/Au@ITO纳米棒杂化结构，通过均匀纳米棒结构之间的纳米间隙发生的高度增强的局部电磁场来增强该SPR传感器的灵敏度并通过石墨烯层带来的载流子流动进一步增敏。这种传感器具有体积小、重量轻、易携带、灵敏度高、性质稳定、生物亲和力强短等突出优点，在生物、化工、医学等领域中的微量气体、液体、化学元素、DNA等检测方面有着广泛的应用前景。

Graphene sensitized ITO super material U-type SPR sensor

The invention relates to a graphene sensitized ITO super material U-type SPR sensor, which comprises a U-type optical fiber with a gr / Au @ ITO nanorod hybrid material structure in the U-type area of the U-type optical fiber. The preparation methods are: (1) preparation of U-shaped fiber; preparation of gold nanoparticles layer in U-shaped region of U-shaped fiber; (2) preparation of ITO nano array structure; (3) graphene layer. The invention adopts U-shaped optical fiber as the transmission medium of light, prepares Gr / Au @ ITO nanorod hybrid structure on the surface of U-shaped optical fiber, enhances the sensitivity of the SPR sensor through highly enhanced local electromagnetic field generated by the nano gap between the uniform nanorod structures, and further enhances the sensitivity through the carrier flow brought by the graphene layer. This kind of sensor has the outstanding advantages of small volume, light weight, easy to carry, high sensitivity, stable property, strong biological affinity and so on. It has a wide application prospect in the detection of trace gases, liquids, chemical elements, DNA and other fields in biology, chemical industry, medicine and so on.

【技术实现步骤摘要】
石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器
本专利技术属于材料工程，生物工程，光纤光学
，具体涉及一种石墨烯增敏的ITO超材料U型SPR传感器。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。兴起于20世纪90年代的表面等离子共振技术(SurfacePlasmonResonancetechnology,SPR)是一种应用SPR原理检测生物传感芯片上配位体与分析物作用的一种物理光学技术。表面等离子体震荡是横向磁极化电磁波激励下在金属介电交叉处电荷密度量子的振荡，由于在一般情况(对于连续的金属介质界面)下，表面等离子体波的波矢量大于光波的，所以不可能直接用光波激发出沿界面传播的表面等离子体波。需要通过棱镜耦合，波导结构，光栅耦合，强聚焦光束，近场激发，远场激发等方法激发出SPR效应。而波导结构便是通过普通光纤与表面等离子体结合而成的一种简单而且实用的方法。光纤传感技术起源自20世纪70年代，是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。利用光倏逝波的波导结构将光纤传感技术与表面等离子体技术完美融合，U型光纤由于内外测存在光疏密差，具有不错的损耗效率和传输效率。构成的传感器件已经被应用在物理，医学，化学等等领域。由于U型光纤的形状和性能优势，其制备的传感器具有灵敏度高，实时监测，方便测量等诸多优势，并广泛的运用在医疗，卫生，微量元素，甚至是生物小分子的检测。随着时代的科技的进步和制作工艺的进步，研究人员逐渐发现表面等离子体震荡单纯的膜或者颗粒状结构虽然具备一定的优势，但是其容易氧化，检测极限低，无法实现光场调控的一系列缺点也浮出水面。于是早在20世纪60年代后期曾设想过的一种具有负折射率的材料逐渐被研发出来，那就是双曲超材(hyperbolicmetamaterials，HMMs)。双曲超材料具有强自发辐射，负折射，生物传感和增强超透射效应等诸多优点。其与SPR的结合改善了SPR传感器易于氧化，光场不可调控的问题而且检测极限更低，生物亲和性更好。专利技术人之前的专利CN109827901A公开了一种基于石墨烯金膜的D型塑料光纤的制备方法及其在SPR生物传感器中的应用，先将金膜涂覆在“铜箔/石墨烯”材料上，使金膜层与石墨烯层无缝贴合，再将得到的“铜箔/石墨烯/金”材料以氯化铁溶液蚀刻以去除铜箔，得到“石墨烯/金”材料；将“石墨烯/金”材料中的金膜层与D型塑料光纤的切除面贴合，从而得到D型塑料光纤。但专利技术人发现：该方法是将制备好的传感区整体转移到光纤的倏逝场区域，在转移的过程中会传感区不可能完全与倏逝场区贴合在一起。郭佳关于《石墨烯与金纳米棒复合材料的非线性光学性质及铟锡氧化物在超快激光中的应用》利用共沉淀法制备了颗粒大小均匀、结晶度高的ITO纳米晶体，将ITO分散溶液直接滴加到光纤端面上并烘干，制备了ITO饱和吸收体，将其插入到掺铒光路中获得了稳定的调Q脉冲输出。但该方法是一般的制备饱和吸收体的方法，ITO纳米晶体与光纤端面上是范德华力接触，结合力比较弱，同时形貌不可控，会对其饱和性质有影响。
技术实现思路
为了克服传统的光纤SPR传感器易氧化，灵敏度低，检测极限低，生物亲和性差，不能实现光场调控的缺点，本专利技术提出了一种石墨烯增敏的ITO超材料U型SPR传感器，该SPR传感器具有灵敏度高，性能稳定，光场可控，检测极限低等优点，在化学、生物、医疗、食品工业等领域具有广阔的应用前景。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器，包括：U型光纤；生长在所述U型光纤上的ITO纳米棒层；负载在ITO纳米棒层上的金颗粒层；负载在ITO纳米棒及金颗粒层上的石墨烯层。本申请直接在光纤端头生长ITO的纳米棒，纳米棒会均匀地分布于光纤端头而且垂直于端面，会大大提升其饱和性质。在一些实施例中，所述ITO纳米棒层由长度为400-500nm，间隙为9-10nmITO纳米棒组成。具有均匀的ITO纳米棒阵列，由于不连续均匀阵列纳米棒结构，比表面积显著扩大，而且不同于传统的表面等离子体震荡，均匀的ITO纳米棒阵列能够使电磁震荡局域协同化而引发集体响应，因此不仅比常规传感器的检测能力有所提高，而且灵敏度也大大提高。在一些实施例中，所述石墨烯层的厚度为2.8～3.0nm。通过在ITO超材料表面包覆一层石墨烯层，不仅具有增敏的效果，而且基于石墨烯的生物亲和性还可以对生物分子实现检测。在一些实施例中，所述U型光纤为含有U型区的多模光纤，U形弯曲区域的曲率半径保持在0.6～0.65mm。本申请的优点是在光纤的U型倏逝场区直接生长传感区，传感区与倏逝场完美的结合在一起，提高了测量灵敏度。本专利技术还提供了一种石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器的制备方法，包括：在U型光纤的U型区制备金纳米颗粒层，形成金纳米粒子修饰的U型光纤；采用热炭还原法和双温区PECVD在所述金纳米粒子修饰的U型光纤上生长ITO纳米棒阵列，形成Au@ITO纳米棒修饰的U型光纤；在Au@ITO纳米棒修饰的U型光纤的ITO纳米棒阵列上负载石墨烯层，即得。本申请利用碳的还原性将铟锡氧化物中的氧脱离，可以加速实验进程，使ITO生长更为均匀。在一些实施例中，所述制备金纳米颗粒层的具体步骤为：将U形光纤加入到含有氯酸金、氢氧化钠和酒石酸钠的溶液中，然后加入葡萄糖溶液，浸泡，退火，即得。金纳米层所起到的作用是催化和定点生长的作用，所以金要提前包覆在U型光纤上，而且需要进行退火处理，这样可以在一定程度上控制ITO纳米阵列的位置和形貌，避免了ITO阵列随机分布。在一些实施例中，所述热炭还原法和双温区PECVD的具体步骤为：金纳米粒子修饰的U型光纤与氧化铟、氧化锡和石墨粉组成的混合物分别在不同的温度下、在同一密闭空间内进行PECVD。双温区提供了两个区间，其中反应区提供反应所需要的温度，让试剂混合物充分反应。沉积区进行低温沉积保护了石英光纤，避免温度过高而损坏。在一些实施例中，所述氧化铟、氧化锡和石墨粉组成的混合物在840～850℃下反应，所述金纳米粒子修饰的U型光纤在480～500℃下反应。热炭还原就是让铟锡氧化混合物与碳粉混合在高温下脱去氧，进而生成ITO纳米棒，在作用上是为了加速实验进程。在一些实施例中，所述负载石墨烯层的具体步骤为：将传感器浸入聚烯丙胺盐酸盐溶液静止，然后在Go分散液浸泡，最后在水合肼反应，洗涤，即得。通过在ITO超材料表面包覆一层石墨烯层，不仅具有增敏的效果，而且基于石墨烯的生物亲和性还可以对生物分子实现检测本专利技术还提供了任一上述的石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器在生化分析、医药检测、环境保护、食品工业中的应用。本专利技术的有益效果在于：...

【技术保护点】
1.一种石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器，其特征在于，包括：/nU型光纤；/n生长在所述U型光纤上的ITO纳米棒层；/n负载在ITO纳米棒层上的金颗粒层；/n负载在ITO纳米棒及金颗粒层上的石墨烯层。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器，其特征在于，包括：
U型光纤；
生长在所述U型光纤上的ITO纳米棒层；
负载在ITO纳米棒层上的金颗粒层；
负载在ITO纳米棒及金颗粒层上的石墨烯层。


2.如权利要求1所述的石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器，其特征在于，所述ITO纳米棒层由长度为400-500nm，间隙为9-10nmITO纳米棒组成。


3.如权利要求1所述的石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为2.8～3.0nm。


4.如权利要求1所述的石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器，其特征在于，所述U型光纤为含有U型区的多模光纤，U形弯曲区域的曲率半径保持在0.6～0.65mm。


5.权利要求1-4任一项所述的石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器在生化分析、医药检测、环境保护、食品工业中的应用。


6.一种石墨烯增敏ITO超材料U型SPR传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在U型光纤的U型区制备金纳米颗粒层，形成金纳米粒子修饰的U型光纤；
采用热炭还原法和双温区PECVD在所述金纳米粒子修饰的U...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜守振，杨文，李振，孙倩倩，杜学舰，袭祥泰，高金娟，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东;37