表面等离子体共振传感器及基于二氧化钒的可调控气/液传感装置的制作方法

1.本发明涉及光学领域，尤其涉及一种表面等离子体共振传感器及基于二氧化钒的可调控气/液传感装置。


背景技术：

2.近几十年来，光学传感器，特别是表面等离子体共振(spr)传感器，在气体传感、化学传感和生物传感等领域得到了广泛的应用。等离子体材料与入射p偏振光相互作用，具有一定波长的光以一定角度入射棱镜基底，在金属界面发生全反射的同时产生一个倏逝场，这个倏逝场透过金属层后继续传播，最后到达传感介质层，传感介质层中样品的变化使得表面折射率有微小的变化，此变化会导致表面等离子体波传播系数的变化，可用衰减全反射来测量。基于spr的传感器相比于传统的电阻式传感器，它不仅不受电磁干扰，而且造价低廉，制作相对容易。
3.当温度高于68℃，二氧化钒会从处于半导体相的单斜晶格结构变为金属相的四方晶格结构，类似于氧化钛，材料呈金属相；当温度低于68℃时，二氧化钒处于同氧化钼类似的单斜晶格结构，表现为半导体相，它的能带宽度约为0.6-0.7ev。二氧化钒在68℃这个相变温度附近结构的变化导致了其光学、电磁学性质的变化。
4.近年来，黑磷、石墨烯和基于tmdcs(mos2、mose2、ws2、wse2)的二维混合结构由于载流子迁移率高以及优异的光学和电学性能被广泛应用在spr传感。与石墨烯相比，二硫化钼拥有更大的介电常数虚部，意味着能吸收更多光能，所以可以用来提高灵敏度。而石墨烯具有较大的表面积、机械强度大和柔韧性好、导电性好、迁移效率高，所以它能吸收更多表面分子。
5.近年来，得益于光学领域的蓬勃发展，各种高精度的气体传感器(公开号：cn103998918a)与液体传感器(公开号：cn102183487a、cn108593590a)应运而生，他们广泛应用在医学诊断、食品安全检测、环境污染检测等方面。但是目前市场上传感器检测目标较为单一，气体检测与液体检测结合的传感装置相对匮乏。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种既可以用于气体检测，又可以用于液体检测的表面等离子体共振传感器。
7.为达到上述目的，本发明提出一种表面等离子体共振传感器，所述传感器自下而上依次为玻璃基底、银层、二氧化钒层、二硫化钼层、石墨烯层和微腔；所述微腔连通有一根进样管道和一根出样管道。
8.进一步的，所述玻璃基底为硫系玻璃。
9.进一步的，所述银层厚度为47nm，所述二氧化钒层的厚度为3nm，所述二硫化钼层的厚度为0.65nm，所述石墨烯层厚度为0.34nm。
10.进一步的，通过所述进样管道和出样管道，实现液体或者气体排入以及排出所述微腔。
11.进一步的，所述二氧化钒层低温状态时，温度低于68℃，呈半导体相，用于检测液体；高温状态时，温度大于或等于68℃，呈金属相，用于检测气体。
12.本发明还提出一种基于二氧化钒的可调控气/液传感装置，包括he-ne激光器、第一透镜、偏振片、表面等离子体共振传感器、第二透镜、探测器和计算机；
13.所述he-ne激光器发射光线至所述第一透镜和所述偏振片，将光线转换为p偏振光；所述表面等离子体共振传感器将p偏振光反射至所述第二透镜后进行汇聚，汇聚后的反射光被所述探测器接收；所述计算机与所述探测器信号连接，分析处理所述探测器的光信号数据。
14.进一步的，当微腔中气体或液体接触石墨烯后，因所述表面等离子体共振传感器内发生表面等离子体共振而产生共振角的偏移，可用共振角的偏移量来实现对气体或液体的检测。
15.与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明的表面等离子体共振传感器采用2s2g玻璃基底来提高装置的检测精度，采用二氧化钒材料的相变特性来达到气体检测与液体检测间的切换，采用二硫化钼和石墨烯来提高装置的分辨率，结构简单、易于控制和调节，能被广泛应用到生物、环境、医疗等领域。
附图说明
16.图1为表面等离子体共振传感器的结构示意图；
17.图2为一种基于石墨烯-二硫化钼-二氧化钒的气/液传感装置示意图；
18.图3为装置加热前后进行气体检测时得到的反射率光谱图；
19.图4为装置加热前后进行液体检测时得到的反射率光谱图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
21.如图1所示，本发明提出一种表面等离子体共振传感器，传感器自下而上依次为2s2g玻璃基底、银层、二氧化钒层、二硫化钼层、石墨烯层和微腔；微腔连通有一根进样管道和一根出样管道。
22.在本实施例中，银层厚度为47nm，二氧化钒层的厚度为3nm，二硫化钼层的厚度为0.65nm，石墨烯层厚度为0.34nm。
23.在本实施例中，通过进样管道和出样管道，实现液体或者气体排入以及排出微腔；微腔406内气体初始的折射率为1.000、微腔406内液体初始的折射率为1.330。
24.在本实施例中，二氧化钒层低温状态时，温度低于68℃，呈半导体相，用于检测液体；高温状态时，温度大于或等于68℃，呈金属相，用于检测气体。
25.本发明还提出一种基于二氧化钒的可调控气/液传感装置，如图2所示，包括he-ne激光器、第一透镜、偏振片、表面等离子体共振传感器、第二透镜、探测器和计算机；
26.he-ne激光器发射光线至第一透镜和偏振片，将光线转换为p偏振光；表面等离子
体共振传感器将p偏振光反射至第二透镜后进行汇聚，汇聚后的反射光被探测器接收；计算机与探测器信号连接，分析处理探测器的光信号数据。
27.在本实施例中，当微腔中气体或液体接触石墨烯后，因表面等离子体共振传感器内发生表面等离子体共振而产生共振角的偏移，可用共振角的偏移量来实现对气体或液体的检测。
28.具体的，下方实施例为采用上述基于二氧化钒的可调控气/液传感装置分别对气和液进行检测：
29.实施例1：
30.一种基于石墨烯-二硫化钼-二氧化钒的气/液传感装置进行气体检测时的使用方法，包括以下步骤：
31.步骤一：在spr传感器4的微腔406使用进样通道407通入气体；
32.步骤二：he-ne激光器1发出632.8nm的激光；
33.步骤三：激光依次经过第一透镜2、偏振片3成为p偏振光；
34.步骤四：p偏振光以一定角度θ入射到spr传感器4，光达到银层402表面，银层402表面产生一个倏逝场，这个倏逝场透过金属层，继续传播，到达在传感介质层，进样通道407输入的样品浓度的变化使得表面折射率有微小的变化，此变化会导致spr传播系数的变化，即表面折射率变化影响入射光和表面等离子体波之间的波矢匹配，导致共振角发生变化。在产生spr的情况下，反射谱中会产生一个尖锐的共振倾角，而不是预期的高反射，此过程可用衰减全反射来测量；
35.步骤五：传感器4出射的光经过第三透镜9汇聚到探测器6，探测器6与计算机7相连；
36.步骤六：从计算机7上可以得到装置的反射光谱曲线，从而实现装置对气体的检测。
37.实施例2：
38.一种基于石墨烯-二硫化钼-二氧化钒的气/液传感装置进行液体检测时的使用方法，包括以下步骤：
39.步骤一：在spr传感器4的微腔使用进样通道407通入液体；
40.步骤二：对二氧化钒层403加热，实现相变，加热可通过使用波长为1.319μm的连续激光器实现，激光器的激光功率为8.9w，光斑直径2mm，激光出光200ms后，二氧化钒的温度从室温上升到约65℃，薄膜局部温度可能达到了相变温度并开始发生部分相变，再经过约280ms,整个薄膜全部发生了相变,此时其温度为100℃左右；
41.步骤三：he-ne激光器1发出632.8nm的激光；
42.步骤四：激光依次经过第一透镜2、偏振片3成为p偏振光；
43.步骤五：p偏振光以一定角度θ入射到spr传感器4；
44.步骤五：传感器4反射的光经过第三透镜9汇聚到探测器6，探测器6与计算机7相连；
45.步骤六：从计算机7上可以得到装置的反射光谱曲线，从而实现装置对液体的检测。
46.传感器的性能评价参数分别为灵敏度s＝δθ/δn，检测精度d.a.＝δθ/fwhm，品
质因数fom＝s/fwhm。其中δθ是共振峰的偏移量，δn是传感介质折射率的变化量，fwhm是共振峰的半高宽。
47.根据图3所示，粗的实线和虚线分别代表二氧化钒薄膜被加热后，即二氧化钒薄膜发生相变情况下，被测气体折射率变化对反射率的影响；细的实线和虚线分别代表二氧化钒薄膜被加热前，即二氧化钒薄膜未发生相变情况下，被测气体折射率变化对反射率的影响。基于上述情况都满足实施例所述的传感器4反射率条件，在共振角度附近都会出现尖锐的共振峰。对比加热前后的灵敏度分别为31.26
°
/riu和30.06
°
/riu，检测精度分别为0.25和0.27，品质因数分别为48.34riu-1
和53.18riu-1
。说明相变之后的传感器更适合检测气体。
48.根据图4所示，粗的实线和虚线分别代表二氧化钒薄膜被加热后，即二氧化钒薄膜发生相变情况下，被测液体折射率变化对反射率的影响；细的实线和虚线分别代表二氧化钒薄膜被加热前，即二氧化钒薄膜未发生相变情况下，被测液体折射率变化对反射率的影响。基于上述情况都满足实施例所述的传感器4反射率条件，在共振角度附近都会出现尖锐的共振峰。对比加热前后的灵敏度分别为42.08
°
/riu和36.08
°
/riu，检测精度分别为0.13和0.12，品质因数分别为25.18riu-1
和23.51riu-1
。说明相变之前的传感器更适合检测液体。
49.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。