基于石墨烯/金纳米层复合结构的等离子体光纤生物传感器

近年来,二维材料的出现为光电子、电化学和纳米电子传感研究翻开了新的一页。尤其是二维材料与传统光学传感机制的结合极大地提高了传感器的灵敏度。石墨烯、氧化石墨烯、过渡金属二硫属化合物等二维材料与传统表面等离子激元生物传感器的金属层结合而成的复合多层纳米结构对于灵敏度的大幅提升,引起了广泛的关注和理论研究。然而,关于这种基于二维材料的复合多层纳米结构的等离子体传感机制从理论到生物实验的系统研究少之又少,而其在由于轻巧灵活和高集成度等特点而越来越受到青睐的光纤传感器上的应用仍是空白。

Untitled新加坡南洋理工大学电机与电子工程学院魏磊教授带领张梦影等课题组成员在侧边抛磨光纤上集成了单层石墨烯包覆金纳米层的复合结构以实现对生物分子的探测。通过对本征模的计算分析,他们发现石墨烯在金纳米层表面的叠合有效地增强了金表面的等离子激元,并且单层石墨烯相较于多层石墨烯有更好的增强效果。表面等离子激元的增强得益于石墨烯相对于金较小的逸出功,因而大量电子由石墨烯转移到金纳米层表面来达到费米能级的平衡。单层石墨烯使得金纳米层表面的等离子激元强度提升了30%,从而相应地在传感机制上提高了对外界折射率的灵敏度。同时他们通过实验验证了计算结果。除了增强表面等离子体激元强度,石墨烯还起到了极好的金表面修饰作用。石墨烯的碳六边形结构与生物化学分子中普遍存在的芳香环形成π-π堆积,因此能够高效率地吸附待测分子。并且,其仅仅单个碳原子的厚度(0.34 nm)对光纤倏逝场的损耗微乎其微,这一点较于传统上几纳米厚度的表面修饰方法是极大的优势。基于以上优势,集成了石墨烯/金纳米层复合结构的光纤传感器对单链DNA分子的探测极限达到了10-12 M。

研究者相信,基于二维材料的复合等离子体结构的光纤生物传感器将为具有高灵敏度和高集成度的微型原位传感的实现带来美好前景。相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies.

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