基于石墨烯纳米复合材料的光子晶体光纤表面等离子共振传感器对重金属实时灵敏检测研究

Accurate, real-time, remote detection of heavy metals in the water has an important significance in the protecting environment and the health of human body. In this project, based on the previous research, we will couple graphene nano-composite material in the inner wall of the cladding ventage of special photonic crystal fiber(PCF) to realize the rapid response of heavy metals by the optical flow control technology, and research the key technology of low energy consumption, easy operation, low cost of the PCF surface plasmon resonance(SPR) sensor based on graphene nano-composite material with the method of multidimensional demodulation for surface plasmon resonance peak. This project specific research consist of the SPR effect of graphene on metal nano-structure; the establishment of the coupling mechanism and the sensing mechanism of plasma film and PCF core film; the preparation with different morphologies and sizes of grapheme-metal nano-composite system; the design and construction of a PCF-SPR sensor based graphene-metal nano-composite system and the experimental study for the detection of heavy metals in the water. Through the project research we hope to provide a technical method of the real-time, rapid, sensitive detection of trace heavy metals(Pb2+, Cd2+) in the water.

准确、实时、远程检测水体重金属对保护环境和保障人身健康具有重要意义。在团队前期研究的基础上，本项目提出采用光流控技术在特种光子晶体光纤包层空气孔内壁形成快速响应重金属的石墨烯纳米复合材料，并结合对表面等离子共振峰的多维解调方法，针对低耗能、易操作、低成本的基于石墨烯纳米复合材料的光子晶体光纤表面等离子体共振传感器关键技术进行研究。具体研究石墨烯对金属纳米结构的表面等离激元的影响；建立等离子体模和光子晶体光纤芯模的耦合机理及传感机制；制备具有不同形貌和尺寸的石墨烯基金属纳米复合体系；设计构建一种基于石墨烯-金属纳米复合体系的光子晶体光纤SPR传感器；开展其用于水体重金属检测方面的实验研究。通过本项目的研究希望能为实现对水环境痕量重金属Pb2+、Cd2+的实时、快速、灵敏检测提供一条技术方法。

研究团队按照项目技术路线较好地完成了课题提出的基于石墨烯复合材料SPR增强传感的机理及科学问题研究的核心目标，重点完成了通过金属纳米结构调控实现表面等离激元增强，有效揭示了石墨烯基金属纳米复合材料用于激励和增强表面等离子体共振的机理和机制。项目在材料结构耦合及器件制备等方面开展了探索性研究试验，为耦合控制工艺的优化提供了新的启发。项目实现了系列新型SPR纳米复杂结构的合成及调控，完成了基于纳米金属复合结构的光纤SPR传感系统的搭建，并开展了相关实验测试及检测应用，通过试验实现了对水环境痕量汞等重金属的实时快速灵敏检测，研究成果为基于石墨烯的新型光子传感技术和器件的研究提供一条新的途径。同时项目建立了SPR/SRERS实验研究平台，并在其上开展了富有成效的检测拓展应用研究，拓展了一些衍生性研究内容及有价值的研究课题。