二维材料超灵敏表面等离子体共振生物传感器研究

发布时间：2018-04-21 21:06

本文选题：SPR生物传感器 + 石墨烯　；参考：《深圳大学》2017年硕士论文

【摘要】：近年来,表面等离子体共振(SPR)技术在各个领域中的应用掀起了一番研究热潮,例如食品安全测试,环境监测,医学诊断,生物工程等。特别是SPR在生物传感技术中的应用更是引起了广泛的关注和研究。表面等离子体激元(SPP)存在于金属表面,它对传感介质折射率的变化非常地敏感。传感介质折射率产生轻微的变化可导致反射率曲线的特征发生显着的变化。基于Kretschmann结构的传统SPR传感器通过在棱镜上覆盖一层金薄膜来实现表面等离子体波(surface plasmon wave,SPW)的激发。然而,传统的SPR生物传感器只具备较低的灵敏度,因此,设计一种高灵敏度的SPR生物传感器十分有必要。进入了21世纪以后,材料科学进入了一个全新地快速发展阶段,许多新材料被发现并引起了人们的极大兴趣,一些先进且实用的二维材料被人们所发现并得到了研究和应用,如石墨烯,过渡金属化合物(TMDCs),黑磷等。随着这些先进二维材料的引入和应用,SPR传感器的发展前景一片良好。本论文主要研究了二维材料在SPR生物传感器中对传感器灵敏度的增强作用,共设计了六种基于二维材料的SPR生物传感器芯片,所取得的创新成果如下:(1)设计了一种基于石墨烯-铝-石墨三明治结构的高灵敏度SPR传感器。结果发现我们设计的这种光学传感器的灵敏度是在没有加石墨烯时的3.4倍。特别地,我们设计的这种传感器可以通过增加石墨烯的层数来提高SPR传感器的灵敏度。相关研究成果发表在Journal of Applied Physics上。(2)设计了一种新颖的用以提高灵敏度和测量精度(DA)的石墨烯LRSPR生物传感器,与基于Au薄层的传统LRSPR结构相比,用石墨烯覆盖在金属表面,不仅可以防止其被氧化,还可以增强对生物分子的吸附能力,同时也能够增强灵敏度和DA。此外,我们证明了所设计的LRSPR生物传感器比普通的SPR生物传感器在灵敏度上有近十倍的提升,同时DA也得到了大幅增加。最后,我们讨论传感介质的折射率对LRSPR生物传感器的影响,发现灵敏度随传感介质折射率的变化而产生显著的变化,并且在适当的折射率处可以获得最佳灵敏度。相关研究成果发表在IEEE Photonics Journal上。(3)设计了一种基于混合模式耦合的超灵敏生物传感器,由长程表面等离子体激元(LRSPP)和平面波导(PWG)模式组成。PWG和LRSPP模式都是强共振结构,二者放在一起形成强耦合,通过耦合两个模式可以增强传感器的灵敏度。在所提出的传感器中,当采用基于Au和Al-单层石墨烯两种结构时,可分别得到最大灵敏度为2264 RIU-1和3619 RIU-1,这比传统的LRSPR(1910 RIU-1)高出了近1.2倍和1.9倍。此外,该PWG和LRSPP耦合的生物传感器适用于折射率在1.34附近的传感介质。相关研究成果发表在Photonics Research上。(4)设计了一种基于MoS_2/石墨烯-Al混合结构的高灵敏度SPR生物传感器。这种生物传感器的灵敏度主要通过三种方法来增强。首先,我们讨论了不同折射率的棱镜对灵敏度的影响,结果发现可以通过使用低折射率棱镜来增强灵敏度;其次,我们分析了空气层的厚度对灵敏度的影响,并获得了空气层的最佳厚度。最后,我们论证了使用MoS_2-石墨烯混合结构对敏感性的促进作用,通过在Al薄膜的上下两个表面上覆盖六层MoS_2可获得最大灵敏度?190.83°/RIU。相关研究成果发表在Journal of Lightwave Technology上。(5)设计了一种基于导波SPR(GWSPR)的高灵敏度生物传感器。与SPR生物传感器相比,GWSPR生物传感器具有更高的灵敏度。为了进一步提高GWSPR生物传感器的灵敏度,我们将MoS_2-石墨烯的混合结构覆盖在硅薄膜的表面上。结果证明了在所设计的生物传感器结构中合理地增加MoS_2-石墨烯混合结构可使得灵敏度倍增。通过对所设计的GWSPR生物传感器的电场分布进行分析,结果显示,电场强度会随着传感介质折射率的轻微变化而产生剧烈变化,这意味着该生物传感器对被检测的分析物十分的敏感。此外,所提出的GWSPR生物传感器具有较宽的传感介质折射率的检测范围,并且灵敏度随着传感介质折射率的增加而增加。相关研究成果发表在Plasmonics上。(6)设计了一种基于黑磷-石墨烯/过渡金属化合物(TMDCs)的高灵敏度SPR生物传感器。二维材料的异质结在SPR生物传感器中的应用是非常实用且很有发展前景的。为了增强灵敏度,我们使用少层黑磷和石墨烯/TMDCs的异质结设计了一种新型的SPR生物传感器。我们分析了基于黑磷-石墨烯/TMDCs异质结的SPR生物传感器,结果发现少层的黑磷和双层的WSe2组合的异质结可以获得最大的灵敏度279°/RIU。这种新型SPR生物传感器的最大灵敏度是传统的SPR生物传感器的2.4倍。相关研究成果发表在Sensors and Actuators B:chemical上。
[Abstract]:In recent years , surface plasmon resonance ( SPR ) technology has been used in various fields , such as food safety testing , environmental monitoring , medical diagnosis , biological engineering , etc . A high - sensitivity biosensor based on mixed - mode coupling is designed . The sensitivity of the biosensor is enhanced by using low - index prism .

【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212.3

【共引文献】