Датчик концентрации сахарозы, использующий нанослой графена и улучшенный поверхностный плазмонный резонанс в матрице золотых нанопроволок, контактирующих с нанопленкой MoS2

Jia Xiaopeng, Li Zhiquan, Li Qiang, Li Wenchao, Tong Kai, Wu Xiaogang

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Zh. Li, X. Wu, K. Tong, X. Jia, W. Li, Q. Li Sucrose concentration sensor based on MoS2 nano-film and Au nanowires array enhanced surface plasmon resonance with graphene oxide nanosheet (Датчик концентрации сахарозы, использующий нанослой графена и улучшенный поверхностный плазмонный резонанс в матрице золотых нанопроволок, контактирующих с нанопленкой MoS2) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 1. С. 50–55. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-01-50-55

Zh. Li, X. Wu, K. Tong, X. Jia, W. Li, Q. Li Sucrose concentration sensor based on MoS2 nano-film and Au nanowires array enhanced surface plasmon resonance with graphene oxide nanosheet (Датчик концентрации сахарозы, использующий нанослой графена и улучшенный поверхностный плазмонный резонанс в матрице золотых нанопроволок, контактирующих с нанопленкой MoS2) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2020. V. 87. № 1. P. 50–55. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-01-50-55

Ссылка на англоязычную версию:

Zhiquan Li, Xiaogang Wu, Kai Tong, Xiaopeng Jia, Wenchao Li, and Qiang Li, "Sucrose concentration sensor based on MoS₂ nanofilm and Au nanowire array enhanced surface plasmon resonance with a graphene oxide nanosheet," Journal of Optical Technology. 87(1), 40-44 (2020). https://doi.org/10.1364/JOT.87.000040

Аннотация:

Представлен метод определения концентрации сахарозы в водном растворе, основанный на использовании поверхностного плазмонного резонанса. Разработанная структура датчика включает в себя призму, на контактирующую с раствором сахарозы грань которой нанесена гибридная нанопленка из оксида графена и MoS2, выбранная для усиления поверхностного плазмонного резонанса на основе наночастиц Au. Методом конечных элементов проанализировано влияние толщины каждого из слоев на чувствительность датчика и показано, что последняя может быть существенно улучшена при оптимальном выборе толщины. Определена оптимальная толщина этих слоев, обеспечивающая чувствительность в 0,16° на 1% изменения концентрации. Определена зависимость угла поверхностного плазмонного резонанса от концентрации сахарозы во всем диапазоне изменения концентрации от 0 до 70%.

Ключевые слова:

поверхностный плазмонный резонанс, чувствительность датчика, оксид графена, нанопроволоки из золота, концентрация сахарозы, метод конечных элементов

Коды OCIS: 130.6010, 230.0230, 240.6680, 260.0260

Список источников:

1. Devanarayanan V.P., Manjuladevi V., Gupta R.K. Surface plasmon resonance sensor based on a new opto-mechanical scanning mechanism // Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. V. 227. P. 643–648.
2. Vachali P.P., Li B., Bartschi A., Bernstein P.S. Surface plasmon resonance (SPR)-based biosensor technology for the quantitative characterization of protein–carotenoid interactions // Archives of Biochemistry and Biophysics. 2015. V. 572. P. 66–72.
3. Sankiewicz A., Laudanski P., Romanowicz L., Hermanowicz A., Roszkowska-Jakimiec W., Debek W., Gorodkiewicz E. Development of surface plasmon resonance imaging biosensors for detection of ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase L1 // Analytical Biochem. 2015. V. 469. P. 4–11.
4. Turton A., Bhattacharyya D., Wood D. Measurement science and technology liquid density analysis of sucrose and alcoholic beverages using polyimide guided love-mode acoustic wave sensors // Meas. Sci. and Technol. 2006. V. 17. P. 257–263.
5. Fujiwara E., Ono E., and Suzuki C.K. Application of an optical fiber sensor on the determination of sucrose and ethanol concentrations in process streams and effluents of sugarcane bioethanol industry // IEEE Sensors J. 2012. V. 9. P. 2839–2843.
6. Barnes W.L., Dereux Al., Ebbesen T.W. Surface plasmon subwavelength optics // Nature. 2003. V. 424. P. 824–830.
7. Maharana P.K., Bharadwaj S., Jha R. Electric field enhancement in surface plasmon resonance bimetallic configuration based on chalcogenide prism // J. Appl. Phys. 2013. V. 114. P. 014304.
8. Wijaya E., Lenaerts C., Maricot S., Hastanin J., Habraken S., Vilcot J.P., Boukherroub R., Szunerits S. Surface plasmon resonance-based biosensors: From the development of different SPR structures to novel surface functionalization strategies // Current Opinion in Solid State and Materials Sci. 2011. V. 15. P. 208–224.
9. Abbas A., Linman M.J., Cheng Q. Sensitivity comparison of surface plasmon resonance and plasmon-waveguide resonance biosensors // Sensors and Actuators B. 2011. V. 156(1). P. 169–175.
10. Homola J., Yee S.S., Gauglitz G. Surface plasmon resonance sensors: Review // Sens. Actuator B. 1999. V. 54(1–2). P. 3–15.
11. Nair R.R., Wu H., Jayaram P.N., Grigorieva I.V., Geim K. Unimpeded permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes // Science. 2012. V. 335(6067). P. 442–444.
12. Joshi R.K., Carbone P., Wang F.C., Kravets V.G., Su Y., Grigorieva I.V., Wu H., Geim K., Nair R.R. Precise and ultrafast molecular sieving through graphene oxide membranes // Science. 2014. V. 343. P. 752–754.
13. Cittadini M., Bersani M., Perrozzi F., Ottaviano L., Wlodarski W., Martucci A. Graphene oxide coupled with gold nanoparticles for localized surface plasmon resonance based gas sensor // CARBON. 2014. V. 69. P. 452–459.
14. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., & Svirk Y.P. Sensitivity of fast-response nanographite photodetector at high temperature // Optical Sensors. 2009. V. 7356. P. 73560X.
15. Zhang H., Sun Y., Gao S., Zhang J., Zhang H., Song D. Novel graphene oxide based surface plasmon resonance biosensor for immunoassay // Small. 2013. V. 9. P. 2537–2540.
16. Bin Mat Yunus W.M., Bin Abdul Rahman A. Refractive index of solutions at high concentrations // Appl. Opt. 1988. V. 27(16). P. 3341–3343.
17. Sosnova M.V., Dmitruk N.L., Korovin A.V., Mamykin S.V., Mynko V.I., Lytvyn O.S. Local plasmon excitations in onedimensional array of metal nanowires for sensor applications // Appl. Phys. B. 2010. V. 99(3). P. 493–497.

18. Simsek E. On the surface plasmon resonance modes of metal nanoparticle chains and arrays // Plasmonics. 2009. V. 4(3). P. 223–230.
19. Schmidt M.A., Sempere L.P., Tyagi H.K., Poulton C.G., Russell P.S.J. Waveguiding and plasmon resonances in twodimensional photonic lattices of gold and silver nanowires // Phys. Rev. B. 2008. V. 77(3). P. 033417.
20. Yang M.R., Chu S.Y., Chang R.C. Synthesis and study of the SnO2 nanowires growth // Sensors and Actuators B: Chemical. 2007. V. 122(1). P. 269–273.
21. Oh W.K., Yoon H., Jang J. Characterization of surface modified carbon nanoparticles by low temperature plasma treatment // Diamond and Related Materials. 2009. V. 18(10). P. 1316–1320.
22. Byun K.M., Shuler M.L., Kim S.J., Yoon S.J., Kim D. Sensitivity enhancement of surface plasmon resonance imaging using periodic metallic nanowires // J. Lightwave Technol. 2008. V. 26(11). P. 1472–1478.
23. Yao H., Duan J., Mo D., Günel Yu.H., Chen Y., Liu J., Schäpers T. Optical and electrical properties of gold nanowires synthesized by electrochemical deposition // J. Appl. Phys. 2011. V. 110(9). P. 094301.
24. Kim J.A., Hwang T., Dugasani S.R., Amin R., Kulkarni A., Park S.H., Kim T. Graphene based fiber optic surface plasmon resonance for bio-chemical sensor applications // Sens. Actuators B: Chem. 2013. V. 187. P. 426–433.
25. Mak K.F., Lee C., Hone J., Shan J., Heinz T.F. Atomically thin MoS2: A new direct-gap semiconductor // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 105. P. 136805.
26. Ouyang Q., Zeng S., Dinh X.Q., Coquet P., Yong K.T. Sensitivity enhancement of MoS2 nanosheet based surface plasmon
resonance biosensor // Proc. Engineering. 2016. V. 140. P. 134–139.
27. Roy K., Padmanabhan M., Goswami S., Sai T.P., Ramalingam G., Raghavan S., Ghosh A. Graphene-MoS2 hybrid structures
for multifunctional photoresponsive memory devices // Nat. Nanotechnol. 2013. V. 8. P. 826–830.
28. Lee K.S., Son J.M., Jeong D.Y., Lee T.S., Kim W.M. Resolution enhancement in surface plasmon resonance sensor based
on waveguide coupled mode by combining a bimetallic approach // Sensors. 2010. V. 10(12). P. 11390–11399.
29. Gupta B.D., Sharma A.K. Sensitivity evaluation of a multi-layered surface plasmon resonance-based fiber optic sensor:
A theoretical study // Sens. Actuators B: Chem. 2005. V. 107(1). P. 40–46.
30. Castellanos-Gomez A., Agraït N., Rubio-Bollinger G. Optical identification of atomically thin dichalcogenide crystals //
Appl. Phys. Lett. 2010. V. 96(21). P. 213116.
31. Meshginqalam B., Ahmadi M.T., Ismail R., Sabatyan A. Graphene/graphene oxide-based ultrasensitive surface plasmon
resonance biosensor // Plasmonics. 2017. V. 12(6). P. 1991–1997.
32. Verma A., Prakash A., Tripathi R. Sensitivity enhancement of surface plasmon resonance biosensor using graphene and
air gap // Opt. Commun. 2015. V. 357. P. 106–112.
33. Choi M., Kim N.H., Eom S., Kim T.W., Byun K.M., Park H.H. Fabrication and characterization of gold nanocrown arrays
on a gold film for a high-sensitivity surface plasmon resonance biosensor // Thin Solid Films. 2015. V. 587. P. 43–46.
34. Maurya J.B., Prajapati Y.K., Singh V., Saini J.P. Sensitivity enhancement of surface plasmon resonance sensor based
on graphene-MoS2 hybrid structure with TiO2-SiO2 composite layer // Appl. Phys. A. 2015. V. 121. P. 525–533.