基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置及方法，属于生化检测技术领域；该方法中，石墨烯吸收经过强度调制的泵浦光产生热量并扩散到周围的液态介质中。液态介质的温度发生变化，其折射率也发生微小改变。因为不同种类溶液的折射率随温度的变化不同，利用石墨烯在全反射条件下的GH位移效应对折射率敏感的特点，可实现对不同种类溶液的高灵敏度检测。本发明专利技术将石墨烯的光热效应和全发射条件下的GH位移效应相结合，实现了对不同种类液态介质的检测，涉及检测方法具有所需样品体积小、不受外界环境温度变化的影响等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置及方法
本专利技术涉及生化检测
，具体是指一种基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置及方法。
技术介绍
GH（古斯汉欣）位移于1947年被首次发现，指的是当一束有限宽度（平行的或聚焦的）光束在全内反射结构下从不同种类介质界面反射时，反射光束并没有从几何光学预计的位置反射，而是在横向移动了一段微小位移后反射出去。由于GH位移量一般是波长数量级，很多情况下利用探测器很难直接测得GH位移及其变化。为此，研究者设计了光栅结构、多模式的波导结构、金属微结构等技术来增强GH位移效应。GH位移被广泛的应用于温度传感、位移传感以及湿度传感等领域。2012年胡等人利用光束在金属膜包被的波导表面发现了极大地GH位移增强效应，并将其用于微小位移的传感。此位移传感器能够实现8pm的位移传感，且不受激光功率变化的影响（激光杂志,2012,32,10-11）。2013年Sun等人探究了高阶波导模式下GH位移与温度的关系（Opt.Express2009,17,21433-21441）。研究者发现，随着温度的升高，其GH位移明显增大。2015年，Li等人研究了红外波段的棱镜和波导耦合结构上GH位移随温度的变化（Appl.Phys.B2015,123,1-8），发现了不同波导模式下GH位移与温度呈不同的线性关系。当介质的折射率发生微小变化时，GH位移量会发生改变，但是由于GH位移量的改变通常是波长级别，常规的光电探测器很难识别。石墨烯以其独特的光学性质、优异的机械强度、超高的载流子迁移率引起了研究者的广泛关注。已经有理论预言石墨烯在全内反射结构下将会产生巨大（大尺寸）的GH位移。2014年，Li等人首次在实验上证实石墨烯存在明显的GH位移效应（Opt.Lett.2014,39,5574-5577.），研究者运用分光扫描法探究了不同厚度石墨烯的GH位移，并发现入射光的偏振方向对石墨烯的GH位移有很大的影响。目前尚无使用石墨烯的GH位移对溶液进行检测的装置。
技术实现思路
本专利技术就是鉴于以上问题而完成。本专利技术的目的在于提供一种基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置及方法，通过检测由泵浦光引起的液态介质折射率的变化，实现对不同种类溶液的高灵敏度检测。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置，包括探测光源、带有石墨烯的棱镜、平衡探测器、锁相放大器、泵浦光源和CCD相机，探测光源产生探测光依序通过偏振片和半波片后经过反射镜的反射，射出的光经过聚焦物镜以全反射角入射到带有石墨烯的棱镜的入射面，其出射面射出的光依序经过聚焦物镜和分光棱镜后分为强度相同的两束探测光并进入平衡探测器，平衡探测器用于测量两束探测光的光强差，锁相放大器与平衡探测器相连，锁相放大器与计算机相连；泵浦光源产生泵浦光依序通过可调衰减器和光强调制单元后经过反射镜的反射，射出的光经过聚焦物镜入射到带有石墨烯的棱镜的反射面，CCD相机用于观测在石墨烯的棱镜的反射面上探测光和泵浦光重合的光斑。进一步的，所述带有石墨烯的棱镜包括直角棱镜，石英片，石墨烯和微流通道，石英片通过折射率匹配液耦合在直角棱镜的反射面上，微流通道键合在石英片上，微流通道为一横截面为矩形的凹槽结构，微流通道的两端设有进液口，石墨烯通过高温还原法制备在石英片上，石墨烯与微流通道键合。进一步的，所述泵浦光的波长为980-1100nm。进一步的，所述光强调制单元为斩波器或声光调制器。进一步的，所述探测光为p偏振光。一种基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测方法，包括以下步骤：用高温还原法制备石墨烯，其基底是石英片，将石墨烯通过折射率匹配液耦合到直角棱镜的反射面，在石墨烯的上表面键合微流通道；泵浦光经过光强调制单元加载一定的强度频率，通过可调衰减器、反射镜和聚焦物镜后垂直入射到石墨烯的表面；探测光经过偏振片和半波片变为p偏振光，通过聚焦物镜以全反角入射直角棱镜和石墨烯发生相互作用，用分光棱镜将全反射光分成强度相同的两束光，分别进入平衡探测器；调节反射镜的位置使得探测光和泵浦光完全重合，通过CCD相机观察探测光和泵浦光重合后光斑；将标准溶液注入微流通道内，标准溶液与石墨烯发生热交换，通过调节直角棱镜的位置使得平衡探测器输出的两束探测光的差分信号为零；对微流通道分别注入不同种类的溶液，溶液因泵浦光而产生的热量使折射率变化，导致石墨烯GH位移发生改变，引起平衡探测器输出电压信号变化，存储改电压变化的幅值和时间，得到电压变化的幅值和时间与不同种类溶液的对应关系；对微流通道注入待检测溶液，通过电压变化的幅值和时间与不同种类溶液的对应关系，得到检测溶液的种类。进一步的，所述标准溶液为水。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果。本专利技术利用石墨烯在全反射条件下的大尺寸GH位移对石墨烯表面介质折射率敏感的特点，来检测由泵浦光引起的液态介质折射率的变化。本专利技术能够实现对不同种类溶液的高灵敏度检测。此外，由于泵浦光的引入，泵浦光被加载了强度频率，平衡探测器产生的信号也是和泵浦光相同频率的，外界温度变化引起的信号不带有特定频率，所以可以避免外界环境温度变化的干扰。附图说明图1为本专利技术一实施例的一种基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置的结构示意图。图2为本专利技术一实施例涉及石英片、石墨烯和微流通道的结构示意图。图3为高温还原法制备的石墨烯和微流通道键合之后的光学显微图。图4为不同种类溶液注入溶液检测装置对应的石墨烯光热信号变化。图中，1-探测光源，2-偏振片，3-半波片，4-反射镜，5-聚焦物镜，6-带有石墨烯的棱镜，7-分光棱镜，8-平衡探测器，9-锁相放大器，10-泵浦光源，11-可调衰减器，12-斩波器，13-CCD相机，61-石英片，62-石墨烯，63-微流通道。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。如图1-图3所示，本专利技术一种基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置，包括探测光源1、带有石墨烯的棱镜6、平衡探测器8、锁相放大器9、泵浦光源10和CCD相机13，探测光源1产生探测光依序通过偏振片2和半波片3后经过反射镜4的反射，射出的光经过聚焦物镜5以全反射角入射到带有石墨烯的棱镜6的入射面，其出射面射出的光依序经过聚焦物镜5和分光棱镜7后分为强度相同的两束探测光并进入平衡探测器8，平衡探测器8用于测量两束探测光的光强差，锁相放大器9与平衡探测器8相连，锁相放大器9与计算机相连。探测光通过偏振片2产生p偏振光。泵浦光源10产生泵浦光依序通过可调衰减器11和光强调制单元后经过反射镜4的反射，射出的光经过聚焦物镜5入射到带有石墨烯的棱镜6的反射面，CCD相机13用于观测在石墨烯的棱镜6的反射面上探测光和泵浦光重合的光斑。光强调制单元为斩波器12或声光调制器。泵浦光的波长为980-1100nm。光强调制单元给泵浦光加载强度频率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置，其特征在于：包括探测光源（1）、带有石墨烯的棱镜（6）、平衡探测器（8）、锁相放大器（9）、泵浦光源（10）和CCD相机（13），探测光源（1）产生探测光依序通过偏振片（2）和半波片（3）后经过反射镜（4）的反射，射出的光经过聚焦物镜（5）以全反射角入射到带有石墨烯的棱镜（6）的入射面，其出射面射出的光依序经过聚焦物镜（5）和分光棱镜（7）后分为强度相同的两束探测光并进入平衡探测器（8），平衡探测器（8）用于测量两束探测光的光强差，锁相放大器（9）与平衡探测器（8）相连，锁相放大器（9）与计算机相连；/n泵浦光源（10）产生泵浦光依序通过可调衰减器（11）和光强调制单元后经过反射镜（4）的反射，射出的光经过聚焦物镜（5）入射到带有石墨烯的棱镜（6）的反射面，CCD相机（13）用于观测在石墨烯的棱镜（6）的反射面上探测光和泵浦光重合的光斑。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置，其特征在于：包括探测光源（1）、带有石墨烯的棱镜（6）、平衡探测器（8）、锁相放大器（9）、泵浦光源（10）和CCD相机（13），探测光源（1）产生探测光依序通过偏振片（2）和半波片（3）后经过反射镜（4）的反射，射出的光经过聚焦物镜（5）以全反射角入射到带有石墨烯的棱镜（6）的入射面，其出射面射出的光依序经过聚焦物镜（5）和分光棱镜（7）后分为强度相同的两束探测光并进入平衡探测器（8），平衡探测器（8）用于测量两束探测光的光强差，锁相放大器（9）与平衡探测器（8）相连，锁相放大器（9）与计算机相连；
泵浦光源（10）产生泵浦光依序通过可调衰减器（11）和光强调制单元后经过反射镜（4）的反射，射出的光经过聚焦物镜（5）入射到带有石墨烯的棱镜（6）的反射面，CCD相机（13）用于观测在石墨烯的棱镜（6）的反射面上探测光和泵浦光重合的光斑。


2.根据权利要求1所述的基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置，其特征在于：所述带有石墨烯的棱镜（6）包括直角棱镜，石英片（61），石墨烯（62）和微流通道（63），石英片（61）通过折射率匹配液耦合在直角棱镜的反射面上，微流通道（63）键合在石英片（61）上，微流通道（63）为一横截面为矩形的凹槽结构，微流通道（63）的两端设有进液口，石墨烯（62）通过高温还原法制备在石英片（61）上，石墨烯（62）与微流通道（63）键合。


3.根据权利要求1所述的基于石墨烯GH位移和光热效应的溶液检测装置，其特征在于：所述泵浦光的波长为980-1100nm。


4.根据权利要求1所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晓光，李凌宇，李晓春，张校亮，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14