[发明专利]基于石墨烯与纳米金复合的表面拉曼及红外光谱双增强探测方法

权利要求书

1.基于石墨烯与纳米金复合的表面拉曼及红外光谱双增强探测装置，其特征在于：所述装置包括红外光源、激光光源、合束镜、聚焦透镜、石墨烯纳米带与纳米金颗粒复合基底、红外傅里叶光谱仪和拉曼光谱仪；

所述合束镜设置在红外光源和激光光源的光路上，两束光经合束镜后照射到石墨烯纳米带与纳米金颗粒复合基底上，两个聚焦透镜分别位于石墨烯纳米带与纳米金颗粒复合基底的反射光和散射光路径上，反射光经聚焦透镜汇聚进入红外傅里叶光谱仪，散射光则被聚焦透镜汇聚进入拉曼光谱仪；本探测装置中红外光源和激光光源分别发出的红外光波和可见光波经合束镜后照射到石墨烯纳米带与纳米金颗粒复合基底上，与基底上吸附的痕量分子相互作用后，反射光经聚焦透镜汇聚到红外傅里叶光谱仪上，散射光则被聚焦透镜汇聚到拉曼光谱仪上，根据所探测得到的光谱信号可实现对痕量分子振动信号的检测；

所述石墨烯纳米带与纳米金颗粒复合基底包括石墨烯纳米带、绝缘介质层、纳米金颗粒、红外材料衬底和金属反射电极层；所述金属反射电极层在红外材料衬底之下，所述石墨烯纳米带在红外材料衬底上，在石墨烯纳米带与金属反射电极层之间有连接导线，对石墨烯表面电导率进行调节，将石墨烯表面等离子体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，从而增强痕量分子的红外光谱信号；所述石墨烯纳米带上有一层绝缘介质层，绝缘介质层的厚度小于5nm，用于阻隔石墨烯和金纳米颗粒的直接接触；所述金纳米颗粒沉积在绝缘介质层上，金纳米颗粒提供拉曼光谱增强所需要的表面等离子体共振局域电场，从而增强拉曼散射信号；

在石墨烯纳米带与金属反射电极层之间施加0～60V的外界电压，但电压不等于0，对石墨烯表面等离子体谐振峰在8～12μm红外范围内的动态调节。

2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述石墨烯纳米带为单层，其厚度为0.34nm。

3.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述纳米金颗粒的直径为20nm～400nm，所述的红外衬底材料为硅、氟化钙。

4.根据权利要求2所述的探测装置，其特征在于：所述绝缘介质层为二氧化硅或氮化硼薄膜层，其厚度小于2nm。

5.利用权利要求1-4之任一项所述的探测装置进行表面拉曼及红外光谱双增强的探测方法，其特征在于：探测装置的红外光源发出的红外光经过准直后与激光光源发出的可见光在合束镜处汇合，复合光照射到石墨烯纳米带与纳米金颗粒复合基底上，与待测痕量分子相互作用；共振条件下，入射可见光激发基底上纳米金颗粒的局域表面等离子体共振，产生的局域电磁场增强入射光与基底表面的痕量分子作用，并将能量传递给痕量分子，从而极大增强痕量分子的拉曼散射信号，拉曼散射信号经聚焦透镜汇聚在拉曼光谱仪上即可得到痕量分子的拉曼光谱信息；同时，在石墨烯纳米带上激发石墨烯表面等离子体波，通过调制器件的外部电压，当石墨烯表面等离子体的耦合谐振频率和痕量分子的振动频率一致时，被测分子周围单位空间内的电磁场强度达到最强，极大地增强石墨烯表面附近痕量分子与光的相互作用，表现为痕量分子对该频率的入射红外光的强烈吸收，最后反射光汇聚到红外傅里叶光谱仪上，从而得到痕量分子的红外光谱振动信息。

6.利用权利要求5所述的表面拉曼及红外光谱双增强的探测方法，其特征在于：当不同衍射级次的波矢满足石墨烯表面等离子体模式的色散关系式

石墨烯表面等离激元被有效激发，从而在石墨烯表面形成很强的局域电磁场，增加其表面附近痕量分子与光的相互作用，其中q(ω)为石墨烯表面等离子体波的波矢，n*2π/l为纳米结构倒格矢，n为整数。