該可視化顯示了用于膜的石墨烯層。圖片來源：曼徹斯特大學(xué)

在美國(guó)，由于利斯特氏菌，沙門氏菌或大腸桿菌等有害細(xì)菌的污染，2017年發(fā)出了100多次食品召回通知。一種新的傳感器設(shè)計(jì)有一天可以使產(chǎn)品在進(jìn)入超市貨架之前更容易檢測(cè)食物中的病原體，從而避免了受污染食品有時(shí)致命的疾病。

在《光學(xué)材料快報(bào)》上，研究人員報(bào)告了一種傳感器的新設(shè)計(jì)，該傳感器可以同時(shí)檢測(cè)多種物質(zhì)，包括危險(xiǎn)細(xì)菌和其他病原體。除了食品安全之外，新設(shè)計(jì)還可以改善對(duì)多種其他應(yīng)用中氣體和化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)。

“我們的設(shè)計(jì)基于石墨烯片，石墨烯片是只有一個(gè)原子厚的碳的二維晶體，??”中國(guó)暨梁大學(xué)的研究小組成員肖炳剛說�！霸搨鞲衅鞑粌H高度靈敏，而且可以輕松調(diào)整以檢測(cè)不同的物質(zhì)�！�

用石墨烯感應(yīng)

石墨烯的出色光學(xué)和電子特性使其對(duì)于使用被稱為等離激元的電磁波的傳感器具有吸引力，該等離激元響應(yīng)于曝光而沿著導(dǎo)電材料的表面?zhèn)鞑ァ．?dāng)感興趣的物質(zhì)靠近石墨烯表面時(shí)，可以通過測(cè)量傳感器的折射率變化來檢測(cè)該物質(zhì)。

近年來，研究人員已經(jīng)利用石墨烯的獨(dú)特性能來為各種應(yīng)用創(chuàng)建傳感器和材料。與金和銀等金屬相比，石墨烯具有更強(qiáng)的等離激元波，且傳播距離更長(zhǎng)。另外，可以通過施加極化電壓而不是重新創(chuàng)建整個(gè)器件來改變石墨烯響應(yīng)的波長(zhǎng)。但是，以前的研究工作很少能證明靈敏的石墨烯傳感器可與檢測(cè)細(xì)菌和生物分子所需的紅外波長(zhǎng)配合使用。

對(duì)于這種新型傳感器，研究人員使用理論計(jì)算和模擬設(shè)計(jì)了一系列納米級(jí)石墨烯圓盤，每個(gè)圓盤都包含一個(gè)偏心孔。該傳感器包括離子凝膠和硅層，可用于施加電壓以調(diào)節(jié)石墨烯的特性，以檢測(cè)各種物質(zhì)。

圓盤及其孔之間的相互作用產(chǎn)生了所謂的等離激元雜交效應(yīng)，從而增加了設(shè)備的靈敏度�？缀蛨A盤還會(huì)產(chǎn)生不同的波長(zhǎng)峰值，每個(gè)波長(zhǎng)峰值都可用于同時(shí)檢測(cè)不同物質(zhì)的存在。

研究人員使用中紅外波長(zhǎng)進(jìn)行的仿真顯示，與使用無孔圓盤相比，他們的新傳感器平臺(tái)對(duì)氣體，液體或固體中存在的物質(zhì)更敏感。

研究人員現(xiàn)在正在努力改進(jìn)用于制造納米級(jí)光盤陣列的工藝。這些結(jié)構(gòu)的制造精度將極大地影響傳感器的性能。

肖說：“我們還想探索石墨烯等離子體激元雜交效應(yīng)是否可以用于輔助雙波段中紅外光通信設(shè)備的設(shè)計(jì)。”