本文選題：SPR生物傳感器 + 石墨烯��； 參考：《深圳大學》2017年碩士論文

【摘要】：近年來,表面等離子體共振(SPR)技術在各個領域中的應用掀起了一番研究熱潮,例如食品安全測試,環(huán)境監(jiān)測,醫(yī)學診斷,生物工程等。特別是SPR在生物傳感技術中的應用更是引起了廣泛的關注和研究。表面等離子體激元(SPP)存在于金屬表面,它對傳感介質(zhì)折射率的變化非常地敏感。傳感介質(zhì)折射率產(chǎn)生輕微的變化可導致反射率曲線的特征發(fā)生顯著的變化�；贙retschmann結構的傳統(tǒng)SPR傳感器通過在棱鏡上覆蓋一層金薄膜來實現(xiàn)表面等離子體波(surface plasmon wave,SPW)的激發(fā)。然而,傳統(tǒng)的SPR生物傳感器只具備較低的靈敏度,因此,設計一種高靈敏度的SPR生物傳感器十分有必要。進入了21世紀以后,材料科學進入了一個全新地快速發(fā)展階段,許多新材料被發(fā)現(xiàn)并引起了人們的極大興趣,一些先進且實用的二維材料被人們所發(fā)現(xiàn)并得到了研究和應用,如石墨烯,過渡金屬化合物(TMDCs),黑磷等。隨著這些先進二維材料的引入和應用,SPR傳感器的發(fā)展前景一片良好。本論文主要研究了二維材料在SPR生物傳感器中對傳感器靈敏度的增強作用,共設計了六種基于二維材料的SPR生物傳感器芯片,所取得的創(chuàng)新成果如下:(1)設計了一種基于石墨烯-鋁-石墨三明治結構的高靈敏度SPR傳感器。結果發(fā)現(xiàn)我們設計的這種光學傳感器的靈敏度是在沒有加石墨烯時的3.4倍。特別地,我們設計的這種傳感器可以通過增加石墨烯的層數(shù)來提高SPR傳感器的靈敏度。相關研究成果發(fā)表在Journal of Applied Physics上。(2)設計了一種新穎的用以提高靈敏度和測量精度(DA)的石墨烯LRSPR生物傳感器,與基于Au薄層的傳統(tǒng)LRSPR結構相比,用石墨烯覆蓋在金屬表面,不僅可以防止其被氧化,還可以增強對生物分子的吸附能力,同時也能夠增強靈敏度和DA。此外,我們證明了所設計的LRSPR生物傳感器比普通的SPR生物傳感器在靈敏度上有近十倍的提升,同時DA也得到了大幅增加。最后,我們討論傳感介質(zhì)的折射率對LRSPR生物傳感器的影響,發(fā)現(xiàn)靈敏度隨傳感介質(zhì)折射率的變化而產(chǎn)生顯著的變化,并且在適當?shù)恼凵渎侍幙梢垣@得最佳靈敏度。相關研究成果發(fā)表在IEEE Photonics Journal上。(3)設計了一種基于混合模式耦合的超靈敏生物傳感器,由長程表面等離子體激元(LRSPP)和平面波導(PWG)模式組成。PWG和LRSPP模式都是強共振結構,二者放在一起形成強耦合,通過耦合兩個模式可以增強傳感器的靈敏度。在所提出的傳感器中,當采用基于Au和Al-單層石墨烯兩種結構時,可分別得到最大靈敏度為2264 RIU-1和3619 RIU-1,這比傳統(tǒng)的LRSPR(1910 RIU-1)高出了近1.2倍和1.9倍。此外,該PWG和LRSPP耦合的生物傳感器適用于折射率在1.34附近的傳感介質(zhì)。相關研究成果發(fā)表在Photonics Research上。(4)設計了一種基于MoS_2/石墨烯-Al混合結構的高靈敏度SPR生物傳感器。這種生物傳感器的靈敏度主要通過三種方法來增強。首先,我們討論了不同折射率的棱鏡對靈敏度的影響,結果發(fā)現(xiàn)可以通過使用低折射率棱鏡來增強靈敏度;其次,我們分析了空氣層的厚度對靈敏度的影響,并獲得了空氣層的最佳厚度。最后,我們論證了使用MoS_2-石墨烯混合結構對敏感性的促進作用,通過在Al薄膜的上下兩個表面上覆蓋六層MoS_2可獲得最大靈敏度?190.83°/RIU。相關研究成果發(fā)表在Journal of Lightwave Technology上。(5)設計了一種基于導波SPR(GWSPR)的高靈敏度生物傳感器。與SPR生物傳感器相比,GWSPR生物傳感器具有更高的靈敏度。為了進一步提高GWSPR生物傳感器的靈敏度,我們將MoS_2-石墨烯的混合結構覆蓋在硅薄膜的表面上。結果證明了在所設計的生物傳感器結構中合理地增加MoS_2-石墨烯混合結構可使得靈敏度倍增。通過對所設計的GWSPR生物傳感器的電場分布進行分析,結果顯示,電場強度會隨著傳感介質(zhì)折射率的輕微變化而產(chǎn)生劇烈變化,這意味著該生物傳感器對被檢測的分析物十分的敏感。此外,所提出的GWSPR生物傳感器具有較寬的傳感介質(zhì)折射率的檢測范圍,并且靈敏度隨著傳感介質(zhì)折射率的增加而增加。相關研究成果發(fā)表在Plasmonics上。(6)設計了一種基于黑磷-石墨烯/過渡金屬化合物(TMDCs)的高靈敏度SPR生物傳感器。二維材料的異質(zhì)結在SPR生物傳感器中的應用是非常實用且很有發(fā)展前景的。為了增強靈敏度,我們使用少層黑磷和石墨烯/TMDCs的異質(zhì)結設計了一種新型的SPR生物傳感器。我們分析了基于黑磷-石墨烯/TMDCs異質(zhì)結的SPR生物傳感器,結果發(fā)現(xiàn)少層的黑磷和雙層的WSe2組合的異質(zhì)結可以獲得最大的靈敏度279°/RIU。這種新型SPR生物傳感器的最大靈敏度是傳統(tǒng)的SPR生物傳感器的2.4倍。相關研究成果發(fā)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 .

【學位授予單位】：深圳大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP212.3

【共引文獻】

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本文編號：1784094