近年來，二維材料的出現(xiàn)為光電子、電化學(xué)和納米電子傳感研究翻開了新的一頁。尤其是二維材料與傳統(tǒng)光學(xué)傳感機(jī)制的結(jié)合極大地提高了傳感器的靈敏度。石墨烯、氧化石墨烯、過渡金屬二硫?qū)倩衔锏榷S材料與傳統(tǒng)表面等離子激元生物傳感器的金屬層結(jié)合而成的復(fù)合多層納米結(jié)構(gòu)對于靈敏度的大幅提升，引起了廣泛的關(guān)注和理論研究。

    然而，關(guān)于這種基于二維材料的復(fù)合多層納米結(jié)構(gòu)的等離子體傳感機(jī)制從理論到生物實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)研究少之又少，而其在由于輕巧靈活和高集成度等特點(diǎn)而越來越受到青睞的光纖傳感器上的應(yīng)用仍是空白。

    新加坡南洋理工大學(xué)電機(jī)與電子工程學(xué)院魏磊教授帶領(lǐng)張夢影等課題組成員在側(cè)邊拋磨光纖上集成了單層石墨烯包覆金納米層的復(fù)合結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)對生物分子的探測。通過對本征模的計(jì)算分析，他們發(fā)現(xiàn)石墨烯在金納米層表面的疊合有效地增強(qiáng)了金表面的等離子激元，并且單層石墨烯相較于多層石墨烯有更好的增強(qiáng)效果。表面等離子激元的增強(qiáng)得益于石墨烯相對于金較小的逸出功，因而大量電子由石墨烯轉(zhuǎn)移到金納米層表面來達(dá)到費(fèi)米能級的平衡。單層石墨烯使得金納米層表面的等離子激元強(qiáng)度提升了30%，從而相應(yīng)地在傳感機(jī)制上提高了對外界折射率的靈敏度。同時(shí)他們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。

    除了增強(qiáng)表面等離子體激元強(qiáng)度，石墨烯還起到了極好的金表面修飾作用。石墨烯的碳六邊形結(jié)構(gòu)與生物化學(xué)分子中普遍存在的芳香環(huán)形成π-π堆積，因此能夠高效率地吸附待測分子。并且，其僅僅單個(gè)碳原子的厚度(0.34 nm)對光纖倏逝場的損耗微乎其微，這一點(diǎn)較于傳統(tǒng)上幾納米厚度的表面修飾方法是極大的優(yōu)勢。基于以上優(yōu)勢，集成了石墨烯/金納米層復(fù)合結(jié)構(gòu)的光纖傳感器對單鏈DNA分子的探測極限達(dá)到了10-12 M低。”

    研究者相信，基于二維材料的復(fù)合等離子體結(jié)構(gòu)的光纖生物傳感器將為具有高靈敏度和高集成度的微型原位傳感的實(shí)現(xiàn)帶來美好前景。相關(guān)論文在線發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》