本發(fā)明涉及一種太赫茲等離子體共振傳感領(lǐng)域的太赫茲表面等離子體共振傳感裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

表面等離子體是由導(dǎo)電媒質(zhì)和絕緣體媒質(zhì)分界面處自由電子的集體震蕩產(chǎn)生的。光子和表面等離子體之間的強(qiáng)耦合作用稱為表面等離子體極化，它們之間的耦合作用將導(dǎo)致表面等離子體的共振（spr）,并且對(duì)靠近導(dǎo)電媒質(zhì)和絕緣體媒質(zhì)分界面處介質(zhì)環(huán)境的變化非常敏感，因此spr傳感技術(shù)常被運(yùn)用于傳感分析，尤其在生物傳感的運(yùn)用方面，其可以有效地對(duì)生物分子的反應(yīng)過程進(jìn)行監(jiān)測。

石墨烯具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，它的晶格是由六個(gè)碳原子圍成的六邊形，厚度為一個(gè)原子層，約為0.34nm。碳原子之間由σ鍵連接，結(jié)合方式為sp2雜化，這些σ鍵賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強(qiáng)100倍，甚至還要超過鉆石。在石墨烯中，每個(gè)碳原子都有一個(gè)未成鍵的p電子，這些p電子可以在晶體中自由移動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)光速的1/300，賦予了石墨烯良好的導(dǎo)電性。石墨烯優(yōu)越的性能，使其被廣泛地運(yùn)用于spr傳感領(lǐng)域。

太赫茲（thz）是波動(dòng)頻率單位之一。thz波頻段大概在0.1-10thz之間，是一種新的、有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源。由于太赫茲對(duì)大部分的包裝材料具有穿透性和非電離性，使其在無損安全檢測方面具有重要的應(yīng)用。此外，大多數(shù)大分子的固有振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率位于太赫茲頻段，所以太赫茲在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用具有獨(dú)天得厚的優(yōu)勢。其獨(dú)特的性能也給寬帶通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、無損檢測、安全檢查等領(lǐng)域帶來了深遠(yuǎn)的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)以上不足之處，提供了一種太赫茲表面等離子體共振傳感裝置及使用方法。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的方案是，一種太赫茲表面等離子體共振傳感裝置，包括基臺(tái)，所述基臺(tái)上設(shè)置有由電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，所述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上設(shè)置有折射率傳感耦合結(jié)構(gòu)，所述折射率傳感耦合結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)置的三棱鏡、mgf2基底層、緩沖層、摻雜石墨烯層、樣品池，所述樣品池設(shè)置用供樣品流入流出的出入口，流入樣品池內(nèi)的樣品直接與摻雜石墨烯層接觸，所述基臺(tái)上設(shè)置有太赫茲發(fā)射器、太赫茲接收器，三棱鏡一個(gè)側(cè)面與mgf2基底層相連接，太赫茲發(fā)射器、太赫茲接收器分別位于三棱鏡不與mgf2基底層相連接的兩個(gè)側(cè)面的旁側(cè)，所述太赫茲接收器連接信號(hào)處理裝置。

進(jìn)一步的，所述信號(hào)處理裝置為pc。

進(jìn)一步的，所述mgf2基底層粘附在三棱鏡上。

進(jìn)一步的，所述緩沖層為采用聚輕基苯乙烯的衍生物nfc在mgf2基底上進(jìn)行旋涂，厚度為20nm。

進(jìn)一步的，所述摻雜石墨烯層的摻雜率為0.6-1.64ev。

進(jìn)一步的，所述太赫茲發(fā)射器發(fā)射頻率為5thz、tm偏振的太赫茲光源。

進(jìn)一步的，所述mgf2基底層由5.5μm厚，折射率約為1.36的mgf2材料構(gòu)成。

進(jìn)一步的，所述三棱鏡為鍺棱鏡。

一種太赫茲表面等離子體共振傳感裝置的使用方法，包括以下步驟：（1）將折射率傳感耦合結(jié)構(gòu)放置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，將樣品加入樣品池，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行太赫茲輻射源入射角度的調(diào)制；（2）太赫茲發(fā)射器發(fā)射太赫茲光源至三棱鏡，太赫茲光源從三棱鏡的一邊以大于三棱鏡全反射臨界角的入射角度入射，在三棱鏡底部發(fā)生全反射并形成倏逝波，當(dāng)入射的tm偏振光的光子能量和動(dòng)量與石墨烯-樣品界面上的表面等離子極化波的能量和動(dòng)量相匹配時(shí)，將在石墨烯-樣品界面上激發(fā)表面等離子極化波，不同入射角度的單頻、tm偏振太赫茲輻射源將與特定的樣品反應(yīng)，耦合成沿著石墨烯-樣品界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子極化波，而后產(chǎn)生全反射，從三棱鏡另一邊射出；（3）太赫茲探測器探測三棱棱鏡調(diào)制的太赫茲輻射源，將探測采集到的信息傳送至pc；（3）pc計(jì)算每個(gè)入射角度下，放置樣品后探測得到的信號(hào)強(qiáng)度與放置樣品前探測得到的信號(hào)強(qiáng)度的比值，此比值即為此角度的反射率，最后得到不同入射角度下的反射率，形成太赫茲反射譜。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：利用摻雜石墨烯作為激發(fā)表面等離子體的介質(zhì)，結(jié)合角度調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)太赫茲以不同角度入射，根據(jù)太赫茲反射普中波谷位置的漂移，實(shí)現(xiàn)物體折射率的檢測，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可靠性強(qiáng)，在研究高靈敏度等離子體共振物體折射率傳感器方面具有潛在的工程應(yīng)用價(jià)值，有效地克服了otto型表面等離子體共振耦合結(jié)構(gòu)傳感系統(tǒng)，在檢測時(shí)，制備特定微小厚度分析物的缺點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)檢測的實(shí)用性。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專利進(jìn)一步說明。

圖1為該本裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為不同石墨烯摻雜水平下太赫茲信號(hào)反射普；

圖3為不同樣品下太赫茲信號(hào)反射普；

圖4為半峰全寬、品質(zhì)因素與待測樣品折射率關(guān)系曲線圖；

圖5為不同基底下分析物折射率與共振角度的擬合曲線圖。

圖中：

1-太赫茲發(fā)射器；2-三棱鏡；3-旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；4-太赫茲探測器；5-樣品池；6-樣品；7-摻雜石墨烯層；8-緩沖層；9-mgf2基底層；10-信號(hào)處理裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種太赫茲表面等離子體共振傳感裝置，包括基臺(tái)，所述基臺(tái)上設(shè)置有由電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，所述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上設(shè)置有折射率傳感耦合結(jié)構(gòu)，所述折射率傳感耦合結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)置的三棱鏡、mgf2基底層、緩沖層、摻雜石墨烯層、樣品池，利用石墨烯優(yōu)越的電子學(xué)性能，作為激發(fā)表面等離子體極化波的介質(zhì)，所述樣品池設(shè)置用供樣品流入流出的出入口，流入樣品池內(nèi)的樣品直接與摻雜石墨烯層接觸，所述基臺(tái)上設(shè)置有太赫茲發(fā)射器、太赫茲接收器，三棱鏡一個(gè)側(cè)面與mgf2基底層相連接，太赫茲發(fā)射器、太赫茲接收器分別位于三棱鏡不與mgf2基底層相連接的兩個(gè)側(cè)面的旁側(cè)，所述太赫茲接收器連接信號(hào)處理裝置。

在本實(shí)施例中，三棱鏡將旋涂有緩沖層的mgf2基底接粘在其上方，而后再設(shè)置摻雜石墨烯層，形成kretschmann型的棱鏡表面等離子體耦合結(jié)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，所述信號(hào)處理裝置為pc。

在本實(shí)施例中，所述mgf2基底層粘附在三棱鏡上。

在本實(shí)施例中，所述緩沖層為采用聚輕基苯乙烯的衍生物nfc在mgf2基底上進(jìn)行旋涂，厚度為20nm。

在本實(shí)施例中，所述摻雜石墨烯層的摻雜率為0.6-1.64ev。

在本實(shí)施例中，石墨烯采用加電壓進(jìn)行摻雜，石墨烯可轉(zhuǎn)移置緩沖層上。

在本實(shí)施例中，所述太赫茲發(fā)射器發(fā)射頻率為5thz、tm偏振的太赫茲光源。

在本實(shí)施例中，所述mgf2基底層由5.5μm厚，折射率約為1.36的mgf2材料構(gòu)成。

在本實(shí)施例中，所述三棱鏡為鍺棱鏡。

一種太赫茲表面等離子體共振傳感裝置的使用方法，包括以下步驟：（1）將折射率傳感耦合結(jié)構(gòu)放置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，將樣品加入樣品池，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行太赫茲輻射源入射角度的調(diào)制；（2）太赫茲發(fā)射器發(fā)射太赫茲光源至三棱鏡，太赫茲光源從三棱鏡的一邊以大于三棱鏡全反射臨界角的入射角度入射（），在三棱鏡底部發(fā)生全反射并形成倏逝波，當(dāng)入射的tm偏振光的光子能量和動(dòng)量與石墨烯-樣品界面上的表面等離子極化波的能量和動(dòng)量相匹配時(shí)，將在石墨烯-樣品界面上激發(fā)表面等離子極化波，不同入射角度的單頻、tm偏振太赫茲輻射源將與特定的樣品反應(yīng)，耦合成沿著石墨烯-樣品界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子極化波，而后產(chǎn)生全反射，從三棱鏡另一邊射出；（3）太赫茲探測器探測三棱棱鏡調(diào)制的太赫茲輻射源，將探測采集到的信息傳送至pc；（3）pc計(jì)算每個(gè)入射角度下，放置樣品后探測得到的信號(hào)強(qiáng)度與放置樣品前探測得到的信號(hào)強(qiáng)度的比值，此比值即為此角度的反射率，最后得到不同入射角度下的反射率，形成太赫茲反射譜。

在本實(shí)施例中，當(dāng)有等離子體極化波激發(fā)時(shí)，在反射普中，將出現(xiàn)一個(gè)波谷，不同的樣品因具有不同的介電常數(shù)，使得石墨烯表面的介電環(huán)境發(fā)生改變，進(jìn)而使得太赫茲反射譜波谷的位置發(fā)生移動(dòng)，根據(jù)此特性可以實(shí)現(xiàn)物體折射率的傳感。

本裝置創(chuàng)新性地利用將摻雜的石墨烯替代傳統(tǒng)的貴金屬材料，如金、銀等，利用太赫茲技術(shù)，激發(fā)出表面等離子體。在傳感結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，將石墨烯轉(zhuǎn)移至旋涂有nfc緩沖層的mgf2基底上，而基底則直接粘附在鍺棱鏡上，形成kretschmann型表面等離子體共振耦合結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)分析物折射率的檢測。該結(jié)構(gòu)有效地克服了otto型表面等離子體共振耦合結(jié)構(gòu)傳感系統(tǒng)，在檢測時(shí)，制備特定微小厚度分析物的缺點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)檢測的實(shí)用性。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可靠性強(qiáng)，經(jīng)模擬研究表明，當(dāng)石墨烯的摻雜水平為1.0ev，可使該傳感系統(tǒng)的檢測精度達(dá)到最大；同時(shí)，經(jīng)過計(jì)算該系統(tǒng)的靈敏度達(dá)到了28.5度/riu；品質(zhì)因數(shù)在6.84riu^-1和7.43riu^-1之間變化。進(jìn)一步的，采用較大折射率的基底有助于提高系統(tǒng)的靈敏度和品質(zhì)因數(shù)，當(dāng)采用折射率約為1.73的離子膠（ion-gel）作為基底時(shí)，傳感系統(tǒng)的靈敏度和品質(zhì)因數(shù)分別達(dá)到了49.5度/riu，8.76riu^-1。利用石墨烯優(yōu)越的電子學(xué)性能作為激發(fā)表面等離子體的介質(zhì)，結(jié)合太赫茲技術(shù)，在研究高靈敏度等離子體共振物體折射率傳感器方面具有潛在的工程應(yīng)用價(jià)值。

如圖2所示，雙點(diǎn)劃線、點(diǎn)劃線、虛線、點(diǎn)線和實(shí)線，分別表示當(dāng)分析物的折射率為1時(shí)，石墨烯摻雜水平ef分別為0.6-1.64ev時(shí)，太赫茲信號(hào)反射普。插圖表示太赫茲信號(hào)反射普半峰全寬a與石墨烯摻雜水平，即費(fèi)米能級(jí)ef的關(guān)系。從圖中我們可以看出，隨著石墨烯摻雜水平的提高，太赫茲信號(hào)反射普的半峰全寬逐漸變小并趨于穩(wěn)定。傳感系統(tǒng)的檢測精度定義為半峰全寬的倒數(shù)，從插圖可以明顯看出，在石墨烯的摻雜水平ef=1.0ev時(shí)半峰全寬最小，即檢測精度最大。所以，適當(dāng)提高石墨烯的摻雜水平同樣有助于提高系統(tǒng)的檢測精度。

如圖3所示，雙點(diǎn)劃線、點(diǎn)劃線、虛線、點(diǎn)線、實(shí)線，分別表示石墨烯摻雜水平ef=1.0ev，分析物折射率從1.0變化到1.4時(shí)太赫茲信號(hào)反射普。從圖中我們可以看出，表面等離子體共振角度隨著分析折射率的增加而增加，將分析物折射率與所對(duì)應(yīng)的最佳共振角度的散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到擬合曲線的斜率，即傳感系統(tǒng)的靈敏度為28.5度/riu。

如圖4所示，方點(diǎn)曲線和園點(diǎn)曲線分別表示，石墨烯摻雜水平ef=1.0ev時(shí)，該傳感系統(tǒng)的半峰全寬、品質(zhì)因素與分析物折射率（na）關(guān)系曲線；從圖中可以看出，隨著待測樣品折射率的增加，半峰全寬先減小后增加，即系統(tǒng)測量靈敏度先增加后減小，而品質(zhì)因素的變化趨勢與系統(tǒng)靈敏度的變化趨勢一致，同樣為先增加后減小，在1.0-1.4的分析物折射率范圍內(nèi)，系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)在6.84riu^-1和7.43riu^-1之間變化。

如圖5所示，實(shí)線、虛線、雙點(diǎn)劃線、點(diǎn)線和點(diǎn)劃線分別表示，在石墨烯摻雜水平ef=1.0ev時(shí)，基底折射率從1.36變化到1.73時(shí)，在不同分析物折射率與共振角度的擬合曲線，從圖中可以看出，隨著基底折射率的增加，分析物折射率與共振角度的擬合曲線的斜率增加，即系統(tǒng)的靈敏度增加。在基底折射率ns=1.73時(shí)，其靈敏度到達(dá)了49.5度/riu。相應(yīng)的我們計(jì)算了當(dāng)分析物折射率為1時(shí)，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)為8.76riu^-1。所以，采用較大折射率的基底有助于提高系統(tǒng)的靈敏度和品質(zhì)因數(shù)。

上列較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。