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提出了一种基于侧边抛磨光纤的氧化石墨烯增强型表面等离子体共振光纤传感器。以银膜为激发表面等离子体波的金属层,采用正十八硫醇作为桥连层,在银基光纤传感器表面修饰了寡层氧化石墨烯纳米膜。表层复合膜为银膜提供了钝化保护,传感器稳定性增强。在1.32~1.34 RIU(RIU为单位折射率)的检测区域中,其平均灵敏度达到2252.5 nm/RIU,相比于氧化石墨烯修饰前的同结构、同参数的光纤传感器,其折射率灵敏度提高了1.48倍,且器件优化指标没有因为膜层增加而大幅降低。该传感器生物分子组装效率高,可进一步应用于抗体、抗原免疫检测等领域。
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第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
,
年
月
,
氧化石墨烯增强型表面等离子体共振光纤传感器
赵 静
,
王 英
,
王 义 平
深圳信息职业技术学院
,
广东 深圳
;
深圳大学光电工程学院
,
广东 深圳
摘要
提出了一种基于侧边抛磨光纤的氧化石墨烯 增强 型表 面 等离 子体 共 振光 纤传 感 器
.
以 银膜 为激 发 表面 等
离子体波的金属层
,
采用正十八硫醇作为桥连层
,
在 银基 光纤 传 感器 表面 修 饰了 寡层 氧 化石 墨烯 纳 米膜
.
表 层复
合膜为银膜提供了钝化保护
,
传感器稳定性增强
.
在
(
为 单位 折射 率
)
的 检测 区域 中
,
其 平均
灵敏度达到
/
,
相比于氧化 石墨 烯 修 饰 前 的 同 结 构
、
同 参 数 的 光 纤 传 感 器
,
其 折 射 率 灵 敏 度 提 高 了
倍
,
且器件优化指标没有因为膜层增加而大幅降低
.
该传感器生物分子组装效 率高
,
可进 一步 应用于 抗体
、
抗
原免疫检测等领域
.
关键词
光纤光学
;
氧化石墨烯
;
表面等离子共振
;
光纤传感器
;
侧边抛磨光纤
中图分类号
文献标识码
doi
:
/
Gra
p
heneGOxideGEnhancedSurfacePlasmonResonanceFiberSensor
ShenzhenInstituteo
f
In
f
ormationTechnolo
gy
Shenzhen
Guan
g
don
g
China
Colle
g
eo
f
O
p
toelectronicEn
g
ineerin
g
ShenzhenUniversit
y
Shenzhen
Guan
g
don
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
修回日期
:
;
录用日期
:
基金项目
:
深圳市科技计划创客专项基金
(
)、
深圳信息职业技术学院校级科研项目
(
)
EGmail
:
;
EGmail
:
引
言
表面等离子体共振
(
)
传感技术是近代物理
光学
、
材料化学
、
生物医学等学科交叉结合的新兴技
术
.
近
多 年 来
,
传 感 技 术 已 迅 速 发 展 成 为
生化检测 领 域 的 主 流 技 术 之 一
[
]
.
传 感 技 术
本质上是对环境折 射率的变 化 进行响应
,
具有无需
标记
、
响应快速
、
灵敏度高
、
分辨率高
、
抗电磁干扰等
优点
,
因而被广泛应用于 食 品安全
、
环境监测
、
药物
筛查
、
疾病诊断等检测领域
.
相对于体积庞大
、
造价
高昂
、
不能进行实时检测的传统棱镜型
传感系
统
,
光纤
传感器体 积 小
、
质量小
、
实时灵敏
、
检
测成本低
、
可进行远程在线监测
,
易于分布式或准分
布式布网
,
代表 了 未 来
传 感 系 统 便 携 化
、
网 络
化
、
低成本化
、
在线 远程监测 的 发展方向
,
因而成为
近年来各国研究人员关注的热点
[
]
.

激 光 与 光 电 子 学 进 展
光纤
传感器是 将 高灵敏度 的 表面等离 子
体传感技术与低损耗的光纤传输技术有机结合的产
物
.
光纤作 为 激 发 表 面 等 离 子 体 波 共 振 效 应 的 载
体
,
既 能 起 到 传 感 作 用
,
又 可 承 担 光 传 输 的 功 能
.
年
,
等
[
]
提 出 了 在 线 传 输 型 及 终 端
反射型两种结构的光纤
传感装置
,
使光纤
传感 技 术 得 以 实 际 应 用
.
作 为 在 线 传 输 型 光 纤
传感器的代表
———
基于侧边抛磨光纤
(
)
的
传感器
,
是通过机 械研磨的方 法将光纤的部 分
包层去掉
,
抛光直至光纤抛磨面接近纤芯
,
再在其上
镀一层金属膜
.
当宽带光注入光纤并在纤芯界面处
发生全反射时
,
光纤 抛 磨面附近 的 强倏逝波 将 与金
属薄膜内部的自由 电子相互 作 用
,
从而激发 产 生沿
金属薄膜表面传播的表面等离子体波
.
当倏逝波的
波矢与表面等离子 体波的波 矢 相匹配时
,
激发产生
现象
[
]
.
侧 边 抛 磨 光 纤 抛 磨 面 平 整
,
有 利 于
淀积形成均匀的金属膜层
,
该类光纤结构简单
、
加工
工艺 重 复 性 高
、
成 本 低
,
且 基 于 侧 边 抛 磨 光 纤 的
传感 器 灵 敏 度 较 高
,
因 而 具 有 较 大 的 应 用 潜
力
.
相对于研究 报 道较多的基于金膜的金
传
感器
,
以银膜为金属膜层的银
传感器共振谱宽
度更窄
,
具 有 更 高 的 检 测 精 度 及 信 噪 比
[
]
.
此 外
,
银
传感器 以 银 替 代 金
,
传 感 器 成 本 将 大 大 降
低
.
然而
,
银在空气
、
水等环境中 容易发生氧 化
、
硫
化等反应
,
稳定 性较差
,
从 而 限 制 了 银
传 感 器
在实际检测中的广泛应用
.
石墨烯是一种从石墨材料中剥离出来的单层碳
原子平面材料
,
由
杂化的碳 原 子 经 p
—
p共 价 键
组 合 成 二 维 平 面 网 状 结 构
,
其 膜 层 厚 度 仅 为
,
是目前世上最薄
、
最坚硬的纳米材料
.
近
年来
,
石墨烯及其衍生物氧化石墨烯
(
)
在生化检
测领域得到了极大应用
[
]
.
具有与石墨 烯类似
的平面二维结构
,
其表面富含
—
、
、—
—
等基团
,
边 缘 含 有
—
和
—
基 团
,
因 而
具有较好 的 亲 水 性 和 可 修 饰 性
,
有 利 于 制 备 氧
化石墨烯基 复 合 材 料
.
此 外
,
还 具 有 巨 大 的 比
表面积
、
卓越的生物兼容性
,
使生物分子的吸附能力
大大增强
.
近年来
,
已有文献报道采用
修饰金
/
银膜
,
从而改善了基于棱镜结构的
生化传感器
的检测性能
[
]
.
等
[
]
比 较 了
“
巯 基 辛 酸
”
修饰的芯片与
“
半胱胺盐酸盐
”
修饰的芯片与牛
血清白蛋 白
(
)
的 结 合 能 力
,
发 现
/
的
修饰的后者芯片可以结合
/
的
,
而前者芯片只能结合
/
的
,
经
修
饰后的芯片 具 有 更 高 的 响 应 灵 敏 度 及 更 低 的 检 出
下限
.
基于上述研究背景
,
为改善银
传感器的稳
定性能
,
并在提高
传感灵敏度的基础上进一步
增强其对生物分子 的自组装 性 能
,
本文提出 了 一种
基于氧化石墨烯复合膜结构的侧边抛磨光纤
传感器
,
采用
纳 米 薄 膜 修 饰 传 感 器 表 层 银 膜
,
利用
稳定的化学性能为银膜提供保护
[
]
,
同时
膜层巨大的比表面积为生物分子修饰提 供了高
负载率的自组装基底
.
该 基 于 侧 边 抛 磨 光 纤 的 银
传感器成本低
,
稳定性
、
灵敏度高
,
对生物分 子
的自组装能力强
,
可将其进 一 步应用在 生 化检测应
用中
.
传感器原理及制作
2.1
光纤
SPR
传感原理
表面等离 子 体 共 振 波
(
)
是 光 在 介 质 界 面
处发生全反射时
,
界面附近 的 倏逝场与 金 属膜层内
部的自由电子相互 作用
,
从而激发 产 生出沿金 属 薄
膜表面传 播 的 电 子 振 荡 波
.
当 满 足 相 位 匹 配 条 件
时
,
入射光的能量耦合到金属膜层等离子体波中
,
入
射光被吸收
,
从而导致输出的反射光能量急剧下降
,
反射光谱中出现共振吸收峰
,
即
共振峰
.
基于该物理光学原理
,
侧边抛磨光纤
传感
器中激发产生的
效应是基于四层结构
:
光纤纤
芯
、
光纤剩余包层
、
表层金属 膜 层
,
以及传感 器 外的
待测样液
.
当 入 射 光 在 光 纤 纤 芯 内 为 全 反 射 传 输
时
,
会在光纤包层浅表处产生倏逝波
,
并与金属膜层
中的表面等离子体波发生能量耦合
,
产生
共振
峰
.
该激发过程 中
,
入射光的波 长
、
入射角度
、
纤芯
折射率
、
金属介 电 常 数
、
待 测 样 液 的 折 射 率 是 影 响
共振峰 的 关 键 因 素
.
对 于 波 长 检 测 型 的 光 纤
传感器来说
,
当不 同折射率的 待测样液与金 属
膜层接触时
,
共振 峰的波长位 置将发生相应 漂
移
.
因此
,
共振峰对金属膜 层外界 样液折射 率
的敏感响应可以通 过
共 振 峰 波 长 位 置 的 改 变
量来定量评估
.
通常
,
传输光归一化传输率可表示为
T
=
S
-
S
S
-
S
×
(
)
式中
:
S
为将
传感器连接于测试光路中
,
关
闭光源
,
即输入光强为零时
,
光纤光谱仪在传感器另
一端检测到的背景 光强信号
,
是反映系 统 背景噪声
的参数
;
S
为将
传感器置于空气中
,
连通光路
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