本发明专利技术涉及一种基于石墨烯纳米天线的红外光谱增强及探测方法及装置，包括光源，准直透镜，单点探测器，基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器。光源发出的红外光经准直透镜照射到基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器上，MEMS光栅光调制器的干涉信号被单点探测器探测得到，探测信号再经过傅里叶变换解调，进行光谱重现，根据所得光谱信息实现对痕量分子的检测；该装置具有稳定性好，响应速度快，灵敏度高，宽波段动态可调谐，增强因子高等优点，有望大幅度提高红外光谱分析技术的探测物质种类及灵敏度，具有巨大的发展空间和广泛的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种基于石墨烯纳米天线的红外光谱增强及探测方法及装置，包括光源，准直透镜，单点探测器，基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器。光源发出的红外光经准直透镜照射到基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器上，MEMS光栅光调制器的干涉信号被单点探测器探测得到，探测信号再经过傅里叶变换解调，进行光谱重现，根据所得光谱信息实现对痕量分子的检测；该装置具有稳定性好，响应速度快，灵敏度高，宽波段动态可调谐，增强因子高等优点，有望大幅度提高红外光谱分析技术的探测物质种类及灵敏度，具有巨大的发展空间和广泛的应用前景。【专利说明】一种基于石墨烯纳米天线的红外光谱增强及探测方法及装
本专利技术涉及红外光谱
，尤其涉及一种拓展表面增强红外吸收光谱探测波段及提高检测灵敏度的方法及装置。
技术介绍
红外光谱技术是一种直接探测由分子振动模式变化来揭示分子振动机理及其功能，实现对物质进行特征识别及定量分析的技术及方法。该技术具有高度的“指纹”特征性，无需样品标记，响应速度快，仪器普及率最高，光谱图库最齐全等优点，是确定分子组成、构象和结构变化信息的强力工具和不可或缺的手段，已广泛应用于环境监测、食品安全检测、化学组成分析、爆炸物检测和生物医疗等关系国计民生及国民经济命脉的重要领域。然而，受红外光谱仪器性能的限制，传统红外光谱技术仅能对微量物质进行定性定量检测，当检测对象由微量物质向痕量分子甚至是单分子演化的过程中，红外光波与分子之间的相互作用变得极其微弱，使得采用传统红外光谱技术对薄层或痕量分子检测时遇到了前所未有的严峻挑战。面对这一挑战，快速发展起来的表面增强红外吸收光谱技术(Surface-EnhancedInfrared Absorption)显著增强了被测分子的红外光谱吸收特征，使分子光谱的灵敏度和准确性大幅度提高，已逐渐成为探测痕量和单层分子特征、表征精细分子结构有效的测试分析工具，在超高灵敏度痕量物质及分子分析领域具有极其广泛的应用前景。基于国内外研究现状检索，该技术主要包括以下几类:一是采用金属纳米岛膜的红外光谱增强方法。红外光谱增强的基本原理是:当分子吸附在纳米金属岛状颗粒的表面时，通过在红外波段激发金属纳米岛膜的表面等离子体谐振，使表面局域电场产生极大增强，从而增大表面吸附分子的信号，其红外吸收是普遍测量条件下没有金属纳米颗粒存在的10?1000倍。例如，2002年，osawa等专利技术的化学镀方法成功实现了在硅上沉积金薄膜，该方法简单易行而且化学镀比真空蒸镀制得金属膜与基底结合更牢固并且实现了芳香小分子、CO分子、有机小分子的红外光谱增强。2003年，Akata等开创性地将SEIRAS应用到蛋白质结构和功能的研究中，观察到了常规红外技术无法观察到的分子精细结构。2005年，李巧霞等通过在ATR红外窗口 Si柱反射面上的化学镀Au膜上再沉积一层厚的Cd薄膜，成功获得了 Pt、Pd、Ru和Ni电极上的SEIRAS，并在1599、1484U068CHT1观察到了吸附Py分子的特征吸收峰。2013年，王倩等采用水热法制备了一种银纳米颗粒表面增强红外基底，用于检测低浓度福美双农药。结果表明，该增强基底可检测低至10_7mol/L的福美双农药，对福美双分子的红外光谱增强能力高达150倍。2013年，朱伟成等用化学沉积银镜法、溶胶法和电镀法在玻璃基底沉积Ag粒子岛膜，观察到了 Ag/Glass基底上邻硝基苯胺的红外光谱增强信号。尽管该方法在电化学分析领域中取得了显著的成绩，为电化学的发展带来了新的机遇。然而，该方法尚存在增强因子有限，重复性还有待提闻的缺陷。二是采用金属纳米天线的红外光谱增强方法。为了解决传统工艺加工得到的金属岛膜增强红外吸收光谱存在增强因子低，增强信号不稳定，重复性差等缺点，基于近年来纳米加工工艺革命性进步，采用具有可控性、可重复性的金属纳米天线来增强分子周围的红外电磁波，极大提供了红外光谱的增强因子。根据国内外研究现状，目前表面增强红外光谱的增强因子已经高达达到IO5~106，已实现了对部分探测物质单层分子测量的突破。例如:2006年，Enders等在湿化学方法上利用正十八硫醇作为吸附物在氧化硅晶体表面吸附Au纳米颗粒，用透射光垂直入射，得到的增强因子约为2000。2009年，Adato等利用电子束光刻方法得到等离子体天线阵列的表面增强红外基底，用于蛋白质的检测，每个天线阵列有145个分子，检测极限仅为10_21mol，得到的增强因子可以达到IO4~105。2013年，Wang等研究通过标准光刻技术制作金属光栅来增强红外吸收光谱，通过在金属-空气和金属-基底界面激发表面等离子体激元，一维光栅的共振峰是随着光栅周期线性可调的，在金属条带的边缘对聚甲基丙烯酸分子的SEIRA增强因子大于0.6X 104。2013年，吕海涛等在纳米柱结构阵列中激发的局域表面等离子体共振，大大增强了局域电磁场强度，并且在不同的结构中产生了强烈的近场耦合，这使得纳米结构具有了较高的传感灵敏度和极大的品质因数。2013年，Heykel等使用宽带对数周期纳米天线在中红外波段370001^,5285.7cm1,6842.8cm-1实现了三个谐振波长，增强了该谐振波长附近的电磁场强度。采用该方法对抗生蛋白链菌素分子进行探测，其红外光谱信号增加了 IO4倍。尽管，增强因子得到了较大的提高。然而，传统金属岛膜和金属纳米结构的表面等离子体共振波长与其设计结构是一一对应的。一旦增强基底的结构参数固定后，红外吸收光谱的增强也就固定了，不能对最大吸收峰值波长进行调整。因此，加工得到的增强基底仅能实现对与该结构对应的红外窄波段实现光谱增强，无法实现红外宽波段光谱增强。这样一来就使得该方法只能对单一分子振动模式或单一物质进行检测。尽管通过结构设计可以将一个谐振峰变为几个谐振峰，然而受纳米加工工艺的限制。该方法增强波段仍然十分狭窄，无法突破金属材料自身色散特性的限制。对于未知样品，其探测能力受到了极大的限制，无法构建一种多种类分子检测通用平台，不具有痕量分子检测的普遍意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技`术中的不足之处，提出一种基于三维石墨烯纳米天线的宽波段动态调谐红外光谱增强及探测方法和装置，具有廉价，使用方便，探测灵敏度高，可批量化生产，能进行多种或多组分痕量分子探测等优点，可用于环境监测、食品安全等领域。为解决本专利技术的技术问题，所采用的技术方案为:本专利技术首先提出一种基于石墨烯纳米天线的红外光谱增强及探测装置，所述装置包括光源、准直透镜、基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器和单点探测器；所述光源发出的红外光经准直透镜照射到基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器上，MEMS光栅光调制器的干涉信号被单点探测器探测得到，探测信号再经过傅里叶变换解调，进行光谱重现，根据所得光谱信息实现对痕量分子的检测。装置中，基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器包括上层可动反射光栅、金属反射层、硅衬底、三维石墨烯纳米天线和柔性支撑结构，所述金属反射层沉积在硅衬底上，所述三维石墨烯纳米天线制作在金属反射层上，所述上层可动反射光栅由柔性支撑结构支撑于硅衬底上，并覆盖在金属反射层以及三维石墨烯纳米本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于石墨烯纳米天线的红外光谱增强及探测装置，其特征在于：所述装置包括光源、准直透镜、基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器和单点探测器；所述光源发出的红外光经准直透镜照射到基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器上，MEMS光栅光调制器的干涉信号被单点探测器探测得到，探测信号再经过傅里叶变换解调，进行光谱重现，根据所得光谱信息实现对痕量分子的检测；所述基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器包括上层可动反射光栅、金属反射层、硅衬底、三维石墨烯纳米天线和柔性支撑结构，所述金属反射层沉积在硅衬底上，所述三维石墨烯纳米天线制作在金属反射层上，所述上层可动反射光栅由柔性支撑结构支撑于硅衬底上，并覆盖在金属反射层以及三维石墨烯纳米天线上方，与它们之间留有合适的空气间隙，上层可动光栅与金属反射层之间通过微加工工艺制备连接导线，施加外部驱动电压V1改变金属反射层和上层可动光栅之间间距，从而改变两路反射光的光程差；所述三维石墨烯纳米天线包括金属电极、三维石墨烯薄膜、三维介质结构、石墨烯薄膜和介质层；所述介质层沉积在金属反射层上，石墨烯薄膜覆盖于介质层上，石墨烯薄膜之上有三维介质结构，三维石墨烯薄膜复合在三维介质结构之上，金属电极将三维石墨烯薄膜和石墨烯薄膜连接起来，在金属电极和金属反射层之间通过微加工工艺制备连接导线，施加外部电压V2构成电掺杂回路，对石墨烯表面电导率进行调节，将石墨烯表面等离子体耦合谐振频率调谐到与痕量分子的振动频率调相一致，提高分子与光的相互作用，从而增强痕量分子对光的吸收。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：韦玮，朱永，农金鹏，张桂稳，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85
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