本实用新型涉及光学实验以及生物医学检测技术领域，特别是涉及一种光学各向异性生物传感芯片。
背景技术：
表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance，spr)，是发生在平面金属薄膜界面的一种物理光学现象，20世纪90年代后，发展成为一种研究生物分子相互作用的新技术。
表面等离子体共振(spr)的技术原理为：用一束线偏振光以一定角度入射到镀有金属膜的玻璃基片上，使光束发生全反射，当金属薄膜表面介质的折射率或厚度发生变化时，反射光谱中反射强度最低值的位置(即spr角)会发生变化，据此可以检测生物分子间的反应并获得目标分析物的浓度、折射率变化等信息。
目前，spr生物传感芯片是spr生物分子互作仪最为核心的组件，直接决定着spr生物分子检测系统的灵敏度和应用范围。近年来，随着材料科学的快速发展以及人们对医疗诊断检测技术要求的不断提高，石墨烯、二维过渡金属硫化物等许多新型二维材料被用于改善和提高生物传感系统的检测性能。然而，由于金属膜以及石墨烯、二维过渡金属硫化物等二维材料均具有相对较高的吸收系数，现有技术中的spr生物传感芯片通常只有在入射光为p偏振态且严格满足波矢匹配条件下，才能激发产生spr角，极大地限制了生物传感芯片的应用范围。
此外，由于受到氧化作用以及水汽的影响，亦或由于二维材料自身较低的生物相容性，现有技术中spr生物传感芯片的传感性能仍不尽人意，探测灵敏度较低，因此，进一步拓宽spr生物传感芯片的应用范围、提高生物传感芯片的探测灵敏度依旧十分迫切。
技术实现要素：
本实用新型的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种光学各向异性生物传感芯片。
为此，本实用新型提供了一种光学各向异性生物传感芯片，其包括玻璃基片、金膜、二维黑磷烯、二维ws2原子膜和埃洛石纳米管层，其中：
一层金膜镀于玻璃基片顶面；
金膜的上表面，覆盖有二维黑磷烯；
二维黑磷烯的上表面，覆盖有一层二维ws2原子膜；
该层二维ws2原子膜的上表面，覆盖有一层埃洛石纳米管层；
该层埃洛石纳米管层的上表面，用于放置目标检测物。
其中，金膜的厚度为30～60nm；
二维黑磷烯由三层黑磷烯组成；
二维ws2原子膜由单层ws2组成。
其中，所述金膜、二维黑磷烯、二维ws2原子膜与埃洛石纳米管层之间通过范德瓦耳斯力连接。
由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本实用新型提供了一种光学各向异性生物传感芯片，本实用新型提供的生物传感芯片，对激发光源的要求不局限于传统生物传感芯片所要求的p偏振光，对s偏振光和p偏振光均具有非常高的探测灵敏度。
此外，本实用新型提供的光学各向异性生物传感芯片，制备方法简单，环保无毒无污染，保存时间长，可为食品质量检测、环境污染物分析以及生物医学分子诊断等领域提供技术支持，具有重大的生产实践意义。
附图说明
图1为本实用新型提供的一种光学各向异性生物传感芯片的结构示意简图；
图1中，1为玻璃基片，2为金膜，3为二维黑磷烯，4为二维ws2原子膜，5为埃洛石纳米管层，6为目标检测物：7为直角坐标系；
图2为本实用新型提供的一种光学各向异性生物传感芯片对不同化学溶液的光响应图谱，激发光源的偏振态为p偏振光；
在图2中，a0、a1和a2分别为图1中的生物传感芯片绕直角坐标系7中的z轴旋转0°、45°和90°后去离子水的光响应曲线；b0、b1和b2分别为图1中的生物传感芯片绕直角坐标系7中的z轴旋转0°、45°和90°后乙醇的光响应曲线；
图3为本实用新型提供的一种光学各向异性生物传感芯片对不同化学溶液的光响应图谱，激发光源的偏振态为s偏振光；
在图3中，c0、c1和c2分别为图1中的生物传感芯片绕直角坐标系7中的z轴旋转0°、45°和90°后去离子水的光响应曲线；d0、d1和d2分别为图1中的生物传感芯片绕直角坐标系7中的z轴旋转0°、45°和90°后乙醇的光响应曲线；
图4为现有技术的裸金芯片得到的生物传感芯片，对不同化学溶液的光响应图谱，激发光源的偏振态为p偏振光；
在图4中，e为目标检测物6为去离子水时的光响应曲线，f为目标检测物6为乙醇时的光响应曲线；
图5为现有技术的裸金芯片上只自组装一层二维ws2原子膜4所得到的生物传感芯片对不同化学溶液的光响应图谱，激发光源的偏振态为p偏振光；
在图5中，g为目标检测物6为去离子水时的光响应曲线，h为目标检测物6为乙醇时的光响应曲线；
图6为现有技术的裸金芯片和裸金芯片上只自组装一层二维ws2原子膜4所得到的生物传感芯片对不同化学溶液的光响应图谱，激发光源的偏振态为s偏振光。
在图6中，i和m为目标检测物6为去离子水时的光响应曲线，j和n为目标检测物6为乙醇时的光响应曲线；i和j为现有技术的裸金芯片得到的生物传感芯片对不同化学溶液的光响应图谱；m和n为现有技术的裸金芯片上只自组装一层二维ws2原子膜4所得到的生物传感芯片对不同化学溶液的光响应图谱。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段更容易理解，下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，还需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”等应做广义理解，例如，可以是固定安装，也可以是可拆卸安装。
对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
参见图1，本实用新型提供了一种光学各向异性生物传感芯片，包括玻璃基片1、金膜2、二维黑磷烯3、二维ws2(二硫化钨)原子膜4和埃洛石纳米管层5，其中：
一层金膜2镀于玻璃基片1顶面；
金膜2的上表面，覆盖有二维黑磷烯3；
二维黑磷烯3的上表面，覆盖有一层二维ws2(二硫化钨)原子膜4；
该层二维ws2(二硫化钨)原子膜4的上表面，覆盖有一层埃洛石纳米管层5；
该层埃洛石纳米管层5的上表面，用于放置目标检测物6。
也就是说，本实用新型的光学各向异性生物传感芯片，包括从下到上依次设置的玻璃基片1、金膜2、二维黑磷烯3、二维ws2(二硫化钨)原子膜4和埃洛石纳米管层5等多个介质膜。
需要说明的是，玻璃基片1和金膜2一起构成裸金芯片，裸金芯片是镀有金膜2的玻璃基片1。
在本实用新型中，具体实现上，所述光学各向异性生物传感芯片采用逐层自组装介质膜的方式进行制作。
需要说明的是，玻璃基片1、金膜2、二维黑磷烯3、二维ws2(二硫化钨)原子膜4和埃洛石纳米管层5，它们采用的材料均是现有的材料，它们是现有的材料层(膜)或者产品(部件)。
在本实用新型中，具体实现上，目标检测物6(即目标分析物)可以为去离子水、乙醇、蛋白质溶液、血清等多种生物化学溶液。
需要说明的是，对于本实用新型，二维黑磷烯3在平面内晶向的非对称性，使得生物传感芯片绕直角坐标系7中的z轴旋转时，能够呈现出光学各向异性。
对于本实用新型，埃洛石纳米管层5既用于封装保护二维黑磷烯3，又利用其高的生物相容性、大的比表面积、易带电的外表面等优异特性，增强生物传感芯片的探测灵敏度。
需要说明的是，对于直角坐标系7，在直角坐标系7中，o为坐标原点，z轴垂直于生物传感芯片中的介质膜面(即xoy坐标平面平行于二维黑磷烯3的表面)，延逆时针方向绕z轴旋转生物传感芯片，二维黑磷烯3的扶手椅型晶向(锯齿型晶向与之垂直)与x轴的夹角定义为生物传感芯片的旋转角度，例如，当旋转角度为0°时，二维黑磷烯3的扶手椅型晶向平行于直角坐标系7中的x轴。
还需要说明的是，在本实用新型中，二维黑磷烯3具有光学各向异性，沿扶手椅型、锯齿型、z轴三个晶向上的折射率不同，例如，在632.8nm波长位置处，二维黑磷烯3沿三个晶向的折射率分别为narm＝2.770+0.507i、nzig＝2.716+0.033i、nz＝6.2，根据波法线菲涅尔方程，计算得到的两个正交特许线偏振光的折射率，本实用新型提出的生物传感芯片，在激发光束为p偏振光时，可以激发表面等离子体共振spr，在激发光束为s偏振光时，可以激发泄漏模共振(lossy-moderesonance)，所以，本实用新型提出的光学各向异性生物传感芯片，对激发光源的要求，并不局限于传统生物传感芯片所要求的p偏振光。
在本实用新型中，由于二维黑磷烯3的光学各向异性特性，使得本实用新型提出的生物传感芯片具有旋转角度和激发光束偏振态两种可调控的自由度。
需要说明的是，埃洛石纳米管呈现中空管状结构，管内和管边缘是铝羟基，管外为硅-氧-硅基团，单元层内也存在一定数量的羟基，因此，埃洛石纳米管的表面易带有电荷且具有高的生物相容性和大的比表面积。因此，在本实用新型中，埃洛石纳米管层5的这些天然优异特性，不仅有助于提高目标检测物6与生物传感芯片的相互接触面积，而且有利于增强共振光场与目标检测物6的相互作用。在本实用新型中，通过选择与二维ws2(二硫化钨)原子膜4的激子共振波长相近的激发波长(如氦氖激光器的激发波长632.8nm，氦氖激光器用于发出一束线偏振光)，有助于进一步增强局域spr或泄漏模共振光场。所以，本实用新型提出的生物传感芯片具有更高的探测灵敏度。
还需要说明的是，当目标检测物6的折射率(化学溶液或生物医用药品的成分与浓度、果蔬食品的质量好坏，直接影响自身折射率的变化)发生改变时，反射光谱中反射强度最低值的位置(即spr角或泄漏模共振角)会发生变化，据此可以检测目标检测物6的成分、浓度、质量等生物化学信息。此为现有的检测技术，在此不再赘述。
在本实用新型中，具体实现上，金膜2的厚度为30～60nm。
在本实用新型中，具体实现上，根据传输矩阵理论模拟计算的反射光谱，二维黑磷烯3优先选择三层黑磷烯(厚度约为1.59nm)，二维ws2(二硫化钨)原子膜4优先选择单层ws2(厚度约为0.618nm)，埃洛石纳米管层5的厚度介于300～560nm之间。
在本实用新型中，具体实现上，玻璃基片1优先选择肖特n-sf11光学玻璃，该型号玻璃具有相对较高的折射率(在可见光范围内约为1.78)。在理论模型中，该玻璃基片为入射介质，所以被视为半无限介质，作用：一是作为基底支撑上面的介质膜，二是折射率大一些的光学玻璃基底更有利于发生全反射以激发共振场。考虑到实际应用中芯片的厚度，其实只要玻璃基片1的厚度远远大于入射光的波长即可。
需要说明的是，在本实用新型中，所述金膜2、二维黑磷烯3、二维ws2(二硫化钨)原子膜4与埃洛石纳米管层5之间通过范德瓦耳斯力(即分子间作用力)连接，可以形成范德瓦耳斯异质结，使得生物传感芯片的整体结构稳定。
在本实用新型中，需要说明的是，由于二维黑磷烯3在平面内具有扶手椅型和锯齿型两个非对称的晶向，且其复折射率严重依赖于晶格方向和入射光的偏振状态，因此，使得生物传感芯片具有光学各向异性以及多自由度的光学调节功能。
在本实用新型中，需要说明的是，二维黑磷烯3被封闭于裸金芯片(即镀有金膜2的玻璃基片1)与几百纳米厚的埃洛石纳米管层5以及二维ws2(二硫化钨)原子膜4之间，因此，本实用新型提出的技术方案，有助于提高二维黑磷烯3的抗腐蚀、抗氧化能力(因为暴露于空气中的二维黑磷烯极易被氧化)。
在本实用新型中，需要说明的是，二维ws2原子膜4在激发波长620nm附近具有较强的激子共振吸收，因此，选择合适的激发波长(如氦氖激光器的激发波长632.8nm，氦氖激光器用于发出一束线偏振光)，有助于实现激子共振与spr场或泄漏模共振场的耦合增强，从而提高生物传感芯片的检测灵敏度。
在本实用新型中，鉴于埃洛石纳米管具有高的生物相容性、大的比表面积、易带电的外表面等优异特性，因此，埃洛石纳米管层5的设计，能够极大地增强生物传感芯片与目标检测物6的相互作用，进而提高传感芯片的探测灵敏度。
在本实用新型中，玻璃基片1为光学基底，用于支撑上面的介质膜，可被视为入射介质；
具体实现上，金膜2用于产生表面等离子激元，玻璃基片1和金膜2一起构成裸金芯片；
具体实现上，二维黑磷烯3用于使生物传感芯片具有光学各向异性，在激发光束为p偏振光时，可以激发spr，而在激发光束为s偏振光时，可以激发泄漏模共振；
具体实现上，二维ws2原子膜4的激子共振，可以进一步增强局域spr或泄漏模共振光场，为了提高对二维黑磷烯3的保护效果，二维ws2原子膜4置于二维黑磷烯3的上面；
具体实现上，埃洛石纳米管层5，既用于封装保护二维黑磷烯3，又利用其高的生物相容性、大的比表面积、易带电的外表面等优异特性来增强生物传感芯片的探测灵敏度。
为了制备上述本实用新型提供的光学各向异性生物传感芯片，本实用新型还提供了一种光学各向异性生物传感芯片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤s1，在镀于玻璃基片1顶面上的金膜2(玻璃基片1和金膜2一起构成裸金芯片)的上表面，自组装上二维黑磷烯3；
步骤s2，将一层二维ws2原子膜4完全覆盖于所述二维黑磷烯3的上表面；
步骤s3，将溶有埃洛石纳米管的无水乙醇溶液，均匀地喷射于二维ws2原子膜4的上表面，获得样品；
步骤s4，将样品放置在加热台上，采用80°±5°的温度，加热20～60分钟，进行烘干、固化，使得无水乙醇挥发，二维ws2原子膜4和二维黑磷烯3自封闭于埃洛石纳米管层5与金膜2之间，即获得所述光学各向异性生物传感芯片。
在本实用新型中，具体实现上，在步骤s1中，金膜2的厚度为30～60nm。
在本实用新型中，具体实现上，在步骤s1中，二维黑磷烯3通过化学气相沉积原位生长在金膜2上，或者机械剥离、液相剥离制备后通过转移或者涂覆的方法将二维黑磷烯3置于金膜2上。
在本实用新型中，具体实现上，在步骤s1中，二维黑磷烯3由三层黑磷烯组成，其厚度约为1.59nm。
在本实用新型中，具体实现上，在步骤s2中，采用转移二维材料常用的现有湿法转移技术，将化学气相沉积生长的二维ws2原子膜4转移、覆盖到二维黑磷烯3上。也就是说，在步骤s2中，二维ws2原子膜4经化学气相沉积制备后，通过湿法转移技术将二维ws2原子膜4置于二维黑磷烯3上。
在本实用新型中，具体实现上，在步骤s2中，二维ws2原子膜4由单层ws2组成，其厚度约为0.618nm；
在本实用新型中，具体实现上，根据传输矩阵理论模拟计算的反射光谱，二维黑磷烯3优先选择三层黑磷烯(厚度约为1.59nm)，二维ws2(二硫化钨)原子膜4优先选择单层ws2(厚度约为0.618nm)，埃洛石纳米管层5的厚度介于300～560nm之间。
在本实用新型中，具体实现上，玻璃基片1优先选择肖特n-sf11光学玻璃，该型号玻璃具有相对较高的折射率(在可见光范围内约为1.78)。在理论模型中，该玻璃基片为入射介质，所以被视为半无限介质，作用：一是作为基底支撑上面的介质膜，二是折射率大一些的光学玻璃基底更有利于发生全反射以激发共振场。考虑到实际应用中芯片的厚度，其实只要玻璃基片1的厚度远远大于入射光的波长即可。
在本实用新型中，具体实现上，在步骤s3中，通过改变或控制无水乙醇溶液中埃洛石纳米管的浓度，可以调节在步骤s4中最终形成的埃洛石纳米管层5的厚度；
在本实用新型中，具体实现上，当步骤s3中的无水乙醇溶液中埃洛石纳米管的质量浓度为1.0％～7.5％时，在步骤s4中对应所形成的埃洛石纳米管层5的厚度介于300～560nm之间。
在本实用新型中，具体实现上，通过采用现有的kretschmann结构的生物传感系统，对本实用新型的光学各向异性生物传感芯片进行数值分析，如图2和图3所示，a0和c0、a1和c1、a2和c2分别为图1中的生物传感芯片绕直角坐标系7中的z轴旋转0°、45°、90°后去离子水的光响应曲线；b0和d0、b1和d1、b2和d2分别为图1中的生物传感芯片绕直角坐标系7中的z轴旋转0°、45°、90°后乙醇的光响应曲线；图2所用到的激发光源的偏振态为p偏振光，图3所用到的激发光源的偏振态为s偏振光。图2和图3中，横坐标为入射角(incidentangle)，纵坐标为反射比(reflectance)，下文的图4、图5与图6的横坐标和纵坐标也一样。
在本实用新型中，具体实现上，生物传感芯片的角度探测灵敏度sa定义为
在上述公式中，δθr为由目标检测物6的折射率变化所引起的共振角的改变量，δn为目标检测物6的折射率改变量(乙醇与去离子水在632.8nm波长处的折射率分别为1.3604与1.3317)，fwtm为十分之一最大共振峰值处的全宽度。
根据图2(激发光源的偏振态为p偏振光)，可以得到本实用新型提出的光学各向异性生物传感芯片绕直角坐标系7中的z轴旋转0°、45°和90°时的角度探测灵敏度sa分别为111.6、120.0和129.4riu-1。
根据图3(激发光源的偏振态为s偏振光)，可以得到本实用新型提出的光学各向异性生物传感芯片绕直角坐标系7中的z轴旋转0°、45°和90°时的角度探测灵敏度sa分别为231.6、218.7和207.2riu-1。
为了与现有技术进行比较，图4给出了现有的裸金芯片得到的生物传感芯片，对不同化学溶液的光响应图谱，图5给出了裸金芯片上只自组装一层二维ws2原子膜4所得到的生物传感芯片对不同化学溶液的光响应图谱。图4和图5所用到的激发光源的偏振态为p偏振光，由此可以得到图4和图5的角度探测灵敏度sa分别为69.6和59.4riu-1，仅约为图2所得到的本实用新型的生物传感芯片探测灵敏度的1/2。
当激发光束的偏振态为s偏振光时，图6给出了现有技术的裸金芯片和裸金芯片上只自组装一层二维ws2原子膜4所得到的生物传感芯片对不同化学溶液的光响应图谱。可以发现，由于二维黑磷烯3和埃洛石纳米管层5的缺失，无法在生物传感芯片的反射谱中观测到共振角。
基于以上技术方案可知，本实用新型是在利用二维黑磷烯3在平面内晶向的非对称性，设计出光学各向异性的生物传感芯片，并采用埃洛石纳米管层5、二维ws2原子膜4以及金膜2对二维黑磷烯3进行封装保护，特别需要说明的是，埃洛石纳米管层5具有高的生物相容性、大的比表面积、易带电的外表面等优异特性，因此，埃洛石纳米管层5的设置，能够极大地增强生物传感芯片与目标检测物6的相互作用，进而提高传感芯片的探测灵敏度。
需要说明的是，与现有技术中的裸金芯片以及只在裸金芯片上自组装一层二维过渡金属硫化物ws2所得到的传感芯片相比较，本实用新型的生物传感芯片，对激发光源的要求，不局限于传统生物传感芯片所要求的p偏振光，对s偏振光和p偏振光均具有非常高的探测灵敏度，并且该芯片的制备方法简便，环保无毒无污染，保存时间长，可广泛应用于食品质量检测、环境污染物分析以及生物医学分子诊断等领域，具有重大的生产实践意义。
综上所述，与现有技术相比较，本实用新型提供了一种光学各向异性生物传感芯片，本实用新型提供的生物传感芯片，对激发光源的要求不局限于传统生物传感芯片所要求的p偏振光，对s偏振光和p偏振光均具有非常高的探测灵敏度。
此外，本实用新型提供的光学各向异性生物传感芯片，制备方法简单，环保无毒无污染，保存时间长，可为食品质量检测、环境污染物分析以及生物医学分子诊断等领域提供技术支持，具有重大的生产实践意义。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
1.一种光学各向异性生物传感芯片，其特征在于，包括玻璃基片(1)、金膜(2)、二维黑磷烯(3)、二维ws2原子膜(4)和埃洛石纳米管层(5)，其中：
一层金膜(2)镀于玻璃基片(1)顶面；
金膜(2)的上表面，覆盖有二维黑磷烯(3)；
二维黑磷烯(3)的上表面，覆盖有一层二维ws2原子膜(4)；
该层二维ws2原子膜(4)的上表面，覆盖有一层埃洛石纳米管层(5)；
该层埃洛石纳米管层(5)的上表面，用于放置目标检测物(6)。
2.如权利要求1所述的光学各向异性生物传感芯片，其特征在于，金膜(2)的厚度为30～60nm；
二维黑磷烯(3)由三层黑磷烯组成；
二维ws2原子膜(4)由单层ws2组成。
3.如权利要求1所述的光学各向异性生物传感芯片，其特征在于，所述金膜(2)、二维黑磷烯(3)、二维ws2原子膜(4)与埃洛石纳米管层(5)之间通过范德瓦耳斯力连接。
技术总结