一种基于双层石墨烯的生物传感器芯片的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种基于双层石墨烯的生物传感器芯片。

背景技术：

有损模式共振（lossy mode resonances，LMRs）和表面等离子体共振（surface plasmon resonance, SPR）都是生物传感技术领域用于监测生物分子之间相互作用的重要手段。二者对环境介质折射率变化都十分的敏感，能够有效的检测到由于生物分子相互作用引起的折射率变化。

如图1所示，其为传统的表面等离子共振生物传感器芯片，在传感层1上设置金属层2，再在金属层2设置棱镜3。它是以贵金属金为产生表面等离子体的金属层。金属金相对于其他金属，如银，铝，铜等金属，金具有较强的抗氧化能力。但是不论是金，还是其他的几种金属，在这种传统的表面等离子共振传感器中都存在着局限性。银，铝，还有铜都是易被氧化的金属，随着氧化程度的加深，灵敏度和稳定性都将受到极大的削减，使得传感器的性能变得极不稳定。金虽然可以克服这种被氧化的难题，但其本身存在的不足就是在生物传感器中，其灵敏度不高。因此，设计一种灵敏度高，稳定性好的高性能生物传感器势在必行。

二维材料石墨烯凭借其无与伦比的独特性能，近年来备受关注。石墨烯由碳六元环结构组成，其价健十分的牢固，具有极高的化学稳定性，且对生物分子有很强的吸附能力，这就为其在生物传感器中的应用创造了可能。

石墨烯在生物传感器中既可以作为生物传感器的生物识别元件，也可作为用以提高灵敏度的关键部分。近年来，关于石墨烯在生物传感器中的应用研究层出不穷。许多研究者在这方面付出了巨大的努力，也取得了一些可喜的成果，设计出来许多性能较为优异的结构，如银-石墨烯结构，铝-石墨烯结构，铜-石墨烯结构等。采用这些加入石墨烯的新结构，相对于传统的结构，在灵敏度方面有着较大的提升，但是仍然不高，然而进一步提升生物传感器的灵敏度依旧十分迫切。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于双层石墨烯的生物传感器芯片，能够极大的提高生物传感器的灵敏度，且结构简单，易于实现。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种基于双层石墨烯的生物传感器芯片，包括生物传感层、棱镜和夹设于棱镜和生物传感层之间的硅片；所述棱镜与硅片相接的侧面上设置有氟树脂层，所述硅片与生物传感层相接的侧面上设置有双层石墨烯层。

所述的基于双层石墨烯的生物传感器芯片中，所述棱镜为半圆柱形玻璃棱镜。

所述的基于双层石墨烯的生物传感器芯片中，所述双层石墨烯层为两层贴合的单层石墨烯层。

所述的基于双层石墨烯的生物传感器芯片中，每层单层石墨烯层的厚度为0.34nm。

所述的基于双层石墨烯的生物传感器芯片中，所述氟树脂层的折射率为1.34。

所述的基于双层石墨烯的生物传感器芯片中，所述氟树脂层的厚度为3000nm。

所述的基于双层石墨烯的生物传感器芯片中，所述硅片的厚度为10nm。

所述的基于双层石墨烯的生物传感器芯片中，所述生物传感层的折射率为1.34。

所述的基于双层石墨烯的生物传感器芯片中，所述棱镜的材料为SF10玻璃。

相较于现有技术，本发明提供的基于双层石墨烯的生物传感器芯片，包括生物传感层、棱镜和夹设于棱镜和生物传感层之间的硅片；所述棱镜的光折射面上设置有氟树脂层，所述硅片的光折射面上设置有双层石墨烯层。本发明通过在硅片波导结构的基础上加入双层石墨烯层组成一个全新的传感器芯片，能够极大的提高生物传感器的灵敏度，且结构简单，易于实现。

附图说明

图1为现有技术中传统的表面等离子共振生物传感器芯片。

图2为基于硅片的生物传感器芯片的波导结构示意图。

图3为本发明提供的基于双层石墨烯的生物传感器芯片的结构示意图。

图4为本发明提供的生物传感器芯片的结构中，石墨烯层层变化时，传感器的反应灵敏度变化的示意图。

图5为本发明提供的生物传感器芯片的结构中，不加石墨烯以及加双层石墨烯时反射率及灵敏度随入射角变化的曲线图。

图6为本发明提供的生物传感器芯片的结构中，样品层折射率为1.330时的灵敏度随入射角变化的变化曲线。

图7为本发明提供的生物传感器芯片的结构中，样品层折射率为1.335时的灵敏度随入射角变化的变化曲线。

图8为本发明提供的生物传感器芯片的结构中，样品层折射率为1.340时的灵敏度随入射角变化的变化曲线。

具体实施方式

本发明采用有损模式共振的方法，设计出了一种基于石墨烯的高灵敏度生物传感器，相比较于传统的表面等离子体共振生物传感器，本发明的传感器在灵敏度上得到了巨大的提升。

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的基于双层石墨烯的生物传感器芯片在硅片波导结构设计出的传感器芯片，如图2所示，在棱镜20的下侧设置氟树脂层40，再在氟树脂层40和生物传感层10之间设置硅片30，形成波导结构，以此来代替金属金，并在一定程度上提高了生物传感器的灵敏度。

请参阅图3，为本发明提供的基于双层石墨烯的生物传感器芯片的结构示意图。如图3所示，本发明的基于双层石墨烯的生物传感器芯片包括生物传感层10、棱镜20和夹设于棱镜20和生物传感层10之间的硅片30。本实用例中，所述棱镜20与硅片30相接的侧面上设置有氟树脂层40，即氟树脂层40位于棱镜20与硅片30之间。所述硅片30与生物传感层10相接的侧面上设置有双层石墨烯层50，即双层石墨烯层50位于硅片30与生物传感层10之间。

具体的，所述棱镜20的材料为SF10玻璃，所述棱镜20为半圆柱形玻璃棱镜，所述氟树脂层40镀于棱镜20的轴侧面上，此形状的棱镜20在检测时，能使入射光能够直线入射到半圆棱镜20的中心位置。

进一步的，所述双层石墨烯层50为两层贴合的单层石墨烯层，每层单层石墨烯层的厚度为0.34nm。如图4所示，在单层石墨烯层的层数从0-10变化时，采用两层单层石墨烯层可以得到最大的灵敏度值。经过测试可知，采用双层石墨烯层50的生物传感器芯片（其结构如图3所示）的灵敏度与没有石墨烯层的生物传感器芯片（其结构如图2所示）增加了近5.6倍。

本发明的生物传感器芯片的结构为在棱镜20的基础上镀上一层氟树脂层40，再在氟树脂块垒上覆盖一层薄硅片30，接着在薄硅片30上贴上两层石墨烯，位于最外面生物传感层10，也就是样品层。

在优选的实施例中，所述氟树脂层40为Cytop（全氟树脂），其折射率为1.34，厚度为3000nm。所述硅片30的厚度为10nm。所述生物传感层10的折射率与纯水的折射率接近，其可为1.330-1.345。

本发明的基于双层石墨烯的生物传感器芯片在进行检测时，入射光源采用波长为632.8nm的P-偏振光。

为了进一步了解本发明的基于双层石墨烯的生物传感器芯片的灵敏度，本发明例举生物传感层10的折射率为1.330、1.335和1.340，波长为632.8nm的P-偏振光检测时，可得到图6、图7和图8所示的结论：

1）当样品层（生物传感层10）的折射率为1.330，在P-偏振光的入射角为51.013度的时候，可得到最大灵敏度为933.5（每单位折射率），这比传统的基于金薄层的表面等离子体共振生物传感器（63每单位折射率）高出了14.8倍；

2）当样品层的折射率为1.335，在P-偏振光的入射角为51.08度的时候，可得到最大灵敏度为2230（每单位折射率），这比传统的基于金薄层的表面等离子体共振生物传感器高出了35.4倍；

3）当样品层的折射率为1.340，在P-偏振光的入射角为51.191度的时候，可得到最大灵敏度为2506.8（每单位折射率），这比传统的基于金薄层的表面等离子体共振生物传感器高出了39.8倍。

本发明利用了有损模式共振的原理，在基于硅的波导结构中插入了双层石墨烯，使得共振现象更加显著，从而大大的挺高了传感器的灵敏度。相比于传统的基于金薄片的表面等离子体共振生物传感器芯片，在灵敏度方面得到了16倍以上的提升，极大地提高了共振传感检测系统的灵敏度，且结构简单、易于实现，无需使用传统的贵金属金，降低了生产成本。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。