基于石墨烯的中红外等离激元生物探测

红外光谱振动特征分析是一种重要的生物分子化学鉴定技术，但纳米尺度的生物分子与红外光的相互作用往往非常微弱。针对这一问题，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Daniel Rodrigo等人最近利用石墨烯独特的光电性质实现了一种可检测红外生物化学分子的高灵敏度可调谐的传感器件。该器件是这样实现的：将通过CVD方法生长的单层石墨烯转移到有一层280nm厚SiO2的硅基片上，通过电子束曝光和氧等离子体刻蚀方法在单层石墨烯上实现一系列纳米带结构（带宽从20nm到60nm不等），然后通过在SiO2层施加0到120V的栅压进行调制，利用傅里叶变换红外光谱系统对石墨烯纳米带上吸附的生物蛋白分子进行探测，从而获取生物蛋白分子红外光谱中的特征信息（如下图所示）。这一探测的基本原理是基于生物分子的振动模式与等离激元的相互耦合，并利用石墨烯的光电特性，通过栅压对石墨烯纳米带结构中的等离激元进行调制，从而实现高灵敏的生物分子探测。研究者还进一步通过与贵金属材料的等离激元结构进行了对比，相对于传统的贵金属结构，基于石墨烯的等离激元结构有可能实现更高的灵敏度以及光谱分辨能力。相关研究结果发表在近期的Science (2015) 349, 165-168上。

图：基于石墨烯纳米带的生物分子传感器