專利名稱：基于局域表面等離子體共振的石墨烯分子傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)型傳感器，尤其是基于石墨烯的局域表面等離子體的分子傳感器。
背景技術(shù)：
局域表面等離子體共振是存在于金屬納米顆粒或不連續(xù)的金屬納米結(jié)構(gòu)中的電荷震蕩受入射光子激發(fā)所產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。金屬納米結(jié)構(gòu)表面的局域電磁場(chǎng)被極大增強(qiáng)，展現(xiàn)出強(qiáng)烈的表面等離子體共振吸收。金、銀、鉬等貴金屬納米粒子均具有很強(qiáng)的局域表面等離子體共振效應(yīng)，它們?cè)谧贤夂涂梢?jiàn)光波段展現(xiàn)出很強(qiáng)的光學(xué)吸收。該吸收光譜的峰位取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)和特性，如成分、形狀、大小、局域傳導(dǎo)率。獲得局域表面等離子體共振吸收光譜并對(duì)其進(jìn)行分析，可以研究納米粒子的微觀組成，同時(shí)還可以作為化學(xué)和生物分子傳感器，利用運(yùn)用光學(xué)手段來(lái)檢測(cè)生化分子的種類和濃度。這種技術(shù)在光電子器件、傳感技術(shù)、生命科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，基于表面等離子體共振的傳感器已經(jīng)得到迅猛發(fā)展，但是該類型的傳感器工藝復(fù)雜，同時(shí)普遍存在著金屬(特別是銀)在空氣中極易被腐蝕而鈍化，一些分子在金屬表面容易失去活性或者和金屬接觸之后會(huì)有毒性反應(yīng)等問(wèn)題。常規(guī)的方法是在金屬表面施加保護(hù)層。但是由于表面等離子體共振產(chǎn)生的局域電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離指數(shù)衰減，所以需要該保護(hù)層越薄越好。石墨烯(graphene)是一種單原子層厚的碳二維材料，是其它碳材料同素異形體的基本構(gòu)成單元。2004年,曼徹斯特大學(xué)Andre Geim教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最先發(fā)現(xiàn)了石墨烯并立即引起了科學(xué)和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，石墨烯的發(fā)現(xiàn)者更于2010年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯具有非常高的比表面積(2630m2/g)，對(duì)于分子有著很好的吸附作用，石墨烯中的載流子濃度對(duì)于分子的吸附非常的敏感。同時(shí)，當(dāng)石墨烯與金屬納米顆粒直接接觸，石墨烯中的載流子濃度變化可以對(duì)金屬納米顆粒表面的局域表面等離子體共振頻率進(jìn)行調(diào)制。另外，碳原子在空氣中顯示出很強(qiáng)的惰性，所以當(dāng)石墨烯蓋在金屬表面時(shí)可以有效防止金屬與分子直接接觸，也能防止金屬在空氣中被腐蝕和鈍化。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決目前表面等離子體共振傳感器的金屬納米顆粒易被腐蝕和一些分子在金屬表面易失去活性或與金屬接觸有毒性反應(yīng)的問(wèn)題，本發(fā)明提出的一種基于局域表面等離子體共振的石墨淆分子傳感器能有效防止金屬與分子直接接觸，也能防止金屬在空氣中被腐蝕和鈍化。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種基于局域表面等離子體共振的石墨烯分子傳感器，包括光源系統(tǒng)、透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)，透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)上設(shè)有石墨烯分子吸附系統(tǒng)。本發(fā)明所述光源系統(tǒng)是產(chǎn)生傳感器所需的入射光；所述透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)是用于產(chǎn)生局域表面等離子體共振的模塊；所述石墨烯分子吸附系統(tǒng)是當(dāng)分子吸附在石墨烯表面后，石墨烯中的載流子濃度和介電常數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)的局域表面等離子體共振頻率；所述探測(cè)系統(tǒng)是測(cè)量從石墨烯分子吸附系統(tǒng)透過(guò)的出射光的強(qiáng)度和峰位判斷分子的類型和濃度。所述入射光一般是白光光源；所述透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)是承載金屬納米顆粒的物體呈透明、透光特性，金屬納米顆粒能產(chǎn)生表面等離子體共振，常用金、銀、鉬。所述透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)與石墨烯分子吸附系統(tǒng)相接，形成直接耦合的界面，保證石墨烯內(nèi)載流子濃度的變化能影響金屬納米顆粒內(nèi)的電子濃度以及表面等離子體共振頻率。本發(fā)明一種基于局域表面等離子體共振的石墨烯分子傳感器，具有如下步驟1、在玻璃表面鍍2-10 nm的金屬薄膜，在真空狀態(tài)下高溫300-700°C加熱15 60min,然后快速冷卻,使金屬團(tuán)聚成納米顆粒；
2、將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋在金屬納米顆粒表面；
3、將其置于一定濃度的待測(cè)分子中，20-60min后取出，用清水沖洗，保證分子在石墨烯表面均勻分布；
4、探測(cè)通過(guò)該系統(tǒng)的透射光，根據(jù)等離子體共振吸收光譜的改變來(lái)判斷分子的類型和濃度。該傳感器的工作原理是局域表面等離子體共振是由金屬納米顆粒中電荷的震蕩引起的，它的振蕩頻率與金屬納米顆粒中的自由電子濃度直接相關(guān)。當(dāng)分子吸附在石墨烯表面后，石墨烯的電子/空穴濃度以及其介電常數(shù)會(huì)根據(jù)分子的類型和濃度的不同而發(fā)生變化。由于石墨烯與金屬納米顆粒直接接觸，金屬內(nèi)部的電子會(huì)轉(zhuǎn)移到石墨烯中，從而導(dǎo)致其等離子體共振頻率的變化，進(jìn)而改變透射光的峰位或特定波長(zhǎng)的光強(qiáng)。由于石墨烯中的載流子濃度對(duì)于分子的吸附非常敏感，因此利用該方法可以實(shí)現(xiàn)分子類型和濃度的高靈敏度探測(cè)。采用以上技術(shù)方案后，本發(fā)明的有益效果是該傳感器制備工藝非常簡(jiǎn)單，成本低廉，操作方便，且石墨烯可以有效防止金屬被腐蝕和鈍化，保證系統(tǒng)的使用壽命，還可以防止金屬與分子接觸導(dǎo)致的毒性或發(fā)生相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，靈敏度高。


圖1是本發(fā)明基于局域表面等離子體共振的石墨烯傳感器原理示意圖。圖2是本發(fā)明石墨烯覆蓋的銀納米顆粒在空氣中200攝氏度加熱15分鐘后的掃描電鏡圖。圖3是作為對(duì)比的單純的銀納米顆粒在空氣中200攝氏度加熱15分鐘后的掃描電鏡圖。圖4是本發(fā)明實(shí)例I中石墨烯分子傳感系統(tǒng)在吸附不同濃度四苯基卟啉(TPP)分子后的等離子體共振吸光光譜。
具體實(shí)施例方式根據(jù)圖1所示，本發(fā)明一種基于局域表面等離子體共振的石墨烯分子傳感器，包括光源系統(tǒng)、透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)，透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)上設(shè)有石墨烯分子吸附系統(tǒng)。本發(fā)明所述光源系統(tǒng)是產(chǎn)生傳感器所需的入射光；所述透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)是用于產(chǎn)生局域表面等離子體共振的模塊；所述石墨烯分子吸附系統(tǒng)是當(dāng)分子吸附在石墨烯表面后，石墨烯中的載流子濃度和介電常數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)的局域表面等離子體共振頻率；所述探測(cè)系統(tǒng)是測(cè)量從石墨烯分子吸附系統(tǒng)透過(guò)的出射光的強(qiáng)度和峰位判斷分子的類型和濃度。所述入射光一般是白光光源；所述透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)是承載金屬納米顆粒的物體呈透明、透光特性，金屬納米顆粒能產(chǎn)生表面等離子體共振，常用金、銀、鉬。所述透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)與石墨烯分子吸附系統(tǒng)相接，形成直接耦合的界面，保證石墨烯內(nèi)載流子濃度的變化能影響金屬納米顆粒內(nèi)的電子濃度以及表面等離子體共振頻率。本發(fā)明一種基于局域表面等離子體共振的石墨烯分子傳感器，具有如下步驟1、在玻璃表面鍍2-10 nm的金屬薄膜，在真空狀態(tài)下高溫300-700°C加熱15 60min,然后快速冷卻,使金屬團(tuán)聚成納米顆粒；
2、將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋在金屬納米顆粒表面；
3、將其置于一定濃度的待測(cè)分子中，20-60min后取出，用清水沖洗，保證分子在石墨烯表面均勻分布；
4、探測(cè)通過(guò)該系統(tǒng)的透射光，根據(jù)等離子體共振吸收光譜的改變來(lái)判斷分子的類型和濃度。實(shí)施例1 :按如下步驟實(shí)施
1.在玻璃表面鍍5nm的金薄膜，在真空狀態(tài)下500°C加熱30min，然后快速冷卻，使金顆粒團(tuán)聚成納米顆粒；
2.通過(guò)化學(xué)氣相法合成單層石墨烯薄膜，并將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋在金納米顆粒表
面；
3.將該系統(tǒng)浸泡于待測(cè)的四苯基卟啉(TPP)分子中，濃度分別為10_5ML，5x10_4ML和SxlO-4ML, 20分鐘后取出，用清水沖洗，保證分子在石墨烯表面均勻分布；
4.探測(cè)通過(guò)該系統(tǒng)的透射光。如圖4所示，隨著分子濃度的增加，金納米顆粒表面等離子體共振吸收光譜的峰位逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)，證明該傳感器能有效工作。實(shí)施例2:按如下步驟實(shí)施
1.在玻璃表面鍍3nm的銀薄膜，在真空狀態(tài)下300°C加熱15min，然后快速冷卻，使銀顆粒團(tuán)聚成納米顆粒；
2.通過(guò)化學(xué)氣相法合成石墨烯薄膜，并將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋在銀納米顆粒表面；
3.將該系統(tǒng)浸泡于待測(cè)的羅丹明6g(R6G)分子中20分鐘后取出，用清水沖洗，保證分子在石墨烯表面均勻分布；
4.探測(cè)通過(guò)該系統(tǒng)的透射光，根據(jù)等離子體共振吸收光譜的改變來(lái)判斷分子的類型和濃度。省略檢測(cè)結(jié)果。實(shí)施例3:按如下步驟實(shí)施1.在玻璃表面鍍10 nm的鉬薄膜，在真空狀態(tài)下700°C加熱60min，然后快速冷卻，使鉬顆粒團(tuán)聚成納米顆粒；2.通過(guò)化學(xué)氣相法合成石墨烯薄膜，并將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋在鉬納米顆粒表面；
3.將該系統(tǒng)浸泡于待測(cè)的羅丹明B(RhB)分子中20分鐘后取出，用清水沖洗，保證分子在石墨烯表面均勻分布；
4.探測(cè)通過(guò)該系統(tǒng)的透射光，根據(jù)等離子體共振吸收光譜的改變來(lái)判斷分子的類型和濃度。由于石墨烯可以有效保護(hù)金屬在空氣中被腐蝕，把圖2和圖3相比較可以看出，沒(méi)有石墨烯保護(hù)時(shí)，銀納米顆粒出現(xiàn)了團(tuán)聚并發(fā)生了形貌變化，而石墨烯的覆蓋則能有效的防止金屬的腐蝕和鈍化。
權(quán)利要求
1.一種基于局域表面等離子體共振的石墨烯分子傳感器，包括光源系統(tǒng)、透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)，其特征是透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)上設(shè)有石墨烯分子吸附系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于局域表面等離子體共振的石墨烯分子傳感器，其特征是所述光源系統(tǒng)是產(chǎn)生傳感器所需的入射光；所述透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)是用于產(chǎn)生局域表面等離子體共振的模塊；所述石墨烯分子吸附系統(tǒng)是當(dāng)分子吸附在石墨烯表面后，石墨烯中的載流子濃度和介電常數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)的局域表面等離子體共振頻率；所述探測(cè)系統(tǒng)是測(cè)量從石墨烯分子吸附系統(tǒng)透過(guò)的出射光的強(qiáng)度和峰位判斷分子的類型和濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于局域表面等離子體共振的石墨烯分子傳感器，其特征是所述入射光一般是白光光源；所述透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)是承載金屬納米顆粒的物體呈透明、透光特性，金屬納米顆粒能產(chǎn)生表面等離子體共振，常用金、銀、鉬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于局域表面等離子體共振的石墨烯分子傳感器，其特征是所述透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)與石墨烯分子吸附系統(tǒng)相接，形成直接耦合的界面，保證石墨烯內(nèi)載流子濃度的變化能影響金屬納米顆粒內(nèi)的電子濃度以及表面等離子體共振頻率。
5.一種基于局域表面等離子體共振的石墨烯分子傳感器，其特征是具有如下步驟.1、在玻璃表面鍍2-10nm的金屬薄膜，在真空狀態(tài)下高溫300-700°C加熱15 60min，然后快速冷卻，使金屬團(tuán)聚成納米顆粒；.2、將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋在金屬納米顆粒表面；.3、將其置于一定濃度的待測(cè)分子中，20-60min后取出，用清水沖洗，保證分子在石墨烯表面均勻分布；.4、探測(cè)通過(guò)該系統(tǒng)的透射光，根據(jù)等離子體共振吸收光譜的改變來(lái)判斷分子的類型和濃度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于局域表面等離子體共振的石墨烯分子傳感器，包括光源系統(tǒng)、透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)、石墨烯分子吸附系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)分子吸附在石墨烯表面后，石墨烯中的載流子濃度和介電常數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響透明金屬納米顆粒薄膜系統(tǒng)的局域表面等離子體共振頻率，從而對(duì)分子的類型和濃度進(jìn)行檢測(cè)。該傳感器制備工藝非常簡(jiǎn)單，成本低廉，操作方便，且石墨烯可以有效防止金屬被腐蝕和鈍化，保證系統(tǒng)的使用壽命，還可以防止金屬與分子接觸導(dǎo)致的毒性或發(fā)生相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，靈敏度高。
文檔編號(hào)G01N21/59GK103063619SQ20131001298
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者倪振華, 南海燕, 梁錚, 丁榮, 義理林 申請(qǐng)人:泰州巨納新能源有限公司