石墨烯及氧化石墨烯在光纖傳感器的研究與應用.pdf

1、石墨烯是一種由碳原子緊密堆積成的單原子層二維蜂窩狀晶格結構的碳質材料，由碳原子以sp2雜化軌道形成，厚度僅為頭發(fā)直徑的20萬分之一（0.334nm），是構造其它維數(shù)碳質材料的基本單元。石墨烯具有極大的比表面積（2630m2/g），超高的熱導率（3000-5000W/mK），超高的載流子遷移率（2×105cm2V-1s-1），超高的光透過率（單層石墨烯對白光的吸收率只有2.3％）等獨特的特性。氧化石墨烯是天然的晶質石墨經化學氧化并且剝離后

2、的產物。每一層石墨烯單片上引入了許多含氧官能團，但氧化石墨烯在結構上仍保持石墨烯的層狀結構，因此氧化石墨烯在水溶液或者有機溶液中比石墨烯具有更佳的親和性。良好的生物相容性、單原子厚度和可修飾性使石墨烯及氧化石墨烯在傳感器的研究中展現(xiàn)出了極大的吸引力和研究價值。近幾年，石墨烯及氧化石墨烯在傳感器領域，尤其是在光傳感器領域的應用得到了廣泛的關注。石墨烯及氧化石墨烯的熒光淬滅性和分子吸附性，以及對金屬納米結構的惰性保護作用，使其在光纖傳感器及

3、表面增強拉曼散射（SERS）傳感器中具有巨大的應用潛力。因此，基于石墨烯及氧化石墨烯的光纖傳感器和SERS傳感器得到了廣泛研究。本論文是在這些研究的基礎上，結合石墨烯及氧化石墨烯對光纖傳感器展開了一系列研究。
　　本文基于石墨烯及氧化石墨烯的獨特傳感特性，設計了氧化石墨烯光纖折射率傳感器和基于氧化石墨烯/銀納米顆粒/還原氧化石墨烯復合薄膜結構的光纖SERS傳感器。
　?。?）U型光纖傳感器相對直型光纖傳感器、錐形光纖傳感器及

4、其他類型光纖傳感器具有更加穩(wěn)定的結構，更高的靈敏度，并且容易加工。用纖芯直徑62.5μm，包層直徑125μm的塑料包覆多模石英光纖來制作U型光纖探針。通過Hummers方法制備合成氧化石墨烯，用旋涂機和加熱平臺把氧化石墨烯薄膜固定到U型光纖探針表面。利用氧化石墨烯可有效捕捉待測分子的特性，基于折射率傳感器原理制作成氧化石墨烯U型光纖傳感器。氧化石墨烯-U型光纖傳感器總共包括四個部分：分別是光源、氧化石墨烯U型光纖傳感區(qū)、光纖光譜儀和電腦

5、。用氧化石墨烯U型光纖傳感器對體積濃度5%-100%的乙醇溶液進行了吸收率響應檢測，傳感器展現(xiàn)出了測量范圍大、高靈敏度、高分辨率和快速的反應與恢復時間的傳感性能，并對中國白酒進行了實際樣品檢測，說明氧化石墨烯U型光纖傳感器具有實際檢測應用的潛力。
　?。?）在光纖端面上組裝氧化石墨烯/銀納米顆粒/還原氧化石墨烯復合薄膜結構（GO/AgNPs/rGO）來制作光纖 SERS傳感器。氧化石墨烯薄膜作為分子富集層可有效捕獲待測分子，還原氧

6、化石墨烯薄膜作為惰性涂層來保護銀納米顆粒在大氣環(huán)境下不受氧化，銀納米顆粒由于其優(yōu)異的SERS活性可以為SERS檢測提供熱點。銀納米顆粒是通過光化學沉積法制備得到的，選取 R6G分子作為探針分子，對銀納米顆粒的光化學沉積時間進行了優(yōu)化。用R6G作為探針分子，對制作的GO/AgNPs/rGO復合薄膜光纖SERS傳感器的SERS性能與GO、AgNPs、rGO/AgNPs、GO/AgNPs復合薄膜的SERS活性進行了比較，并對SERS活性較高的