本發(fā)明涉及生物傳感器，尤其涉及植物葉片重金屬檢測用spr傳感器芯片及其制備方法和用途。

背景技術：

1、現(xiàn)有技術檢測植物葉片重金屬離子存在的問題：在植物葉片重金屬離子檢測中，傳統(tǒng)的離子選擇電極測量等方法可能存在以下問題：（1）樣品前處理繁瑣：傳統(tǒng)的離子選擇電極測量通常需要對植物葉片樣品進行樣品制備、抽提離子等復雜的前處理流程，操作復雜，易造成操作誤差和樣品污染。（2）檢測靈敏度不高：傳統(tǒng)方法的檢測靈敏度有限，不能滿足對微量重金屬離子的快速、準確檢測要求。（3）實時監(jiān)測困難：傳統(tǒng)離子選擇電極測量方法通常需要破壞樣品結構，無法進行實時、實時監(jiān)測，難以了解重金屬離子的動態(tài)變化。

2、表面等離子體共振（surface?plasmon?resonance，spr）是指在金屬表面，受外界電磁場激發(fā)，金屬的導帶電子發(fā)生共振的現(xiàn)象。棱鏡型spr的典型模型是一個全反射棱鏡，全反射表面鍍有一層或多層金屬膜，當光信號在全反射面的入射角大于臨界角時，光信號發(fā)生全反射，在此條件下，光信號的p偏振光在棱鏡全反射面與金屬膜的分界面向金屬膜介質傳輸光信號，該光信號即為倏逝波，其振幅呈指數(shù)衰減，導致金屬介質中的自由電子形成表面等離子波。如果調整光信號的入射角或波長為某一數(shù)值時，表面等離子波的頻率與倏逝波的波數(shù)相等，它們將發(fā)生能量耦合，產生共振，隨即入射光信號的能量被吸收，發(fā)射光強相應降低，當反射光能量在一定角度內急劇減小，此時在反射光譜出現(xiàn)共振峰，對應的誘使反射光完全消失的入射角稱之為共振角。

3、傳統(tǒng)的spr?傳感器芯片主要以金屬薄膜結構為主，靈敏度、精度和fom?等均較差，提高?spr?傳感器芯片性能主要有添加傳感材料、改變幾何形狀或增加通道數(shù)量等幾種方法，其中添加傳感材料是最有效的。然而，通過對現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，加入普通的體材料（mgf2、?si3n4等）對性能改善較差，尤其對靈敏度和精度提高較小，限制了?spr?傳感器的發(fā)展。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提高spr傳感器在檢測植物葉片重金屬離子的靈敏度和準確性，針對現(xiàn)有技術的上述不足，提出植物葉片重金屬檢測用spr傳感器芯片及其制備方法和用途。

2、植物葉片重金屬檢測用spr傳感器芯片，包括棱鏡，所述棱鏡上依次覆蓋金屬層和二維材料層，所述二維材料層包括mxene二維材料和bluep/tmdcs二維材料。

3、上述技術方案進一步設置為：所述金屬層為ag膜，ag膜的厚度為10~60nm。

4、上述技術方案進一步設置為：所述bluep/tmdcs為bluep/ws2、blue?p?/?wse2、bluep?/?mos2、blue?p?/?mose2中的一種。

5、上述技術方案進一步設置為：所述bluep/tmdcs二維材料設有1~5層，每層所述bluep/tmdcs二維材料厚度為0.75~0.78nm。

6、上述技術方案進一步設置為：所述棱鏡材質為bk7玻璃，折射率為n1?=?1.5151，厚度為da1?=?200?nm。

7、上述技術方案進一步設置為：所述bluep/tmdcs二維材料的制備方法包括如下步驟：

8、s1、將白磷粉在惰性氣體保護，300~400℃條件下加熱，轉化為藍磷；

9、s2、硫族單質加熱升華為蒸汽，硫族元素蒸汽與過渡金屬源反應，生成tmdcs，所述硫族單質為硫或硒，所述過渡金屬源為wo3或moo3；

10、s3、通過物理氣相沉積或化學氣相沉積法，將藍磷和tmdcs沉積在同一基底上，控制沉積過程的溫度和氣氛，形成穩(wěn)定的bluep/tmdcs異質結結構；

11、s4、對bluep/tmdcs異質結結構在高溫真空氣氛下退火，得到bluep/tmdcs二維材料。

12、一種基于二維材料的spr傳感器芯片的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

13、s1、選擇玻璃作為基底材料，在基底材料表面沉積ag膜；

14、s2、在ag膜上沉積mxene二維材料和bluep/tmdcs二維材料，得到spr傳感器芯片。

15、一種植物葉片重金屬檢測用spr傳感器，包括he-ne激光器、偏振片、spr傳感器芯片、旋轉臺、光電探測器、透鏡、互補金屬氧化物半導體器件相機、主控單元，顯示器；所述he-ne激光器用于產生入射光，所述入射光通過偏振片射入spr傳感器芯片中，所述spr傳感器芯片安裝在旋轉臺上，所述反射光通過光電探測器和透鏡被互補金屬氧化物半導體器件相機捕獲后傳輸?shù)街骺貑卧?/p>

16、spr傳感器檢測植物葉片中重金屬離子的方法，包括以下步驟：

17、s1、在溫室內栽培植株，采用正交實驗的方法進行重金屬試劑的定時澆灌，獲得含不同濃度重金屬離子的植物葉片；

18、s2、將含不同濃度重金屬離子的植物葉片利用植物型溶劑溶解成標準液體樣本，按照標準液體樣本中重金屬離子濃度梯度，依次采用spr傳感器采集632.8?nm波段下的標準液體樣本spr光譜成像數(shù)據，制備標準曲線；

19、s3、將待檢測的含重金屬離子植物葉片采用植物型溶劑溶解成待測液體樣本后，采用spr傳感器采集632.8?nm波段下的待測液體樣本的spr光譜成像數(shù)據，根據步驟s2中的標準曲線得到含重金屬離子植物葉片中重金屬離子含量。

20、上述技術方案進一步設置為：所述重金屬離子包括hg2+、cd2+、pb2+、cr2+、cr3+、cr6+、zn2+、cu2+中的一種。

21、本發(fā)明的有益效果是：

22、本發(fā)明中的表面等離子體共振（spr）傳感器芯片由金屬層、二維材料mxene和藍磷稀/過渡金屬硫化物（bluep/tmdcs）構成，與傳統(tǒng)的spr生物傳感器芯片的ag膜相比，本發(fā)明的spr傳感器芯片靈敏度和準確性都有很大的提高。spr共振峰的位置隨傳感器芯片的二維材料折射率的變化而變化，二維材料的折射率與其吸附的重金屬離子的質量成正比，本發(fā)明的二維材料包括mxene二維材料和bluep/tmdcs二維材料，其對重金屬離子良好的吸附特性，可提高傳感器對重金屬離子檢測的特異性和靈敏度。bluep/tmdcs二維材料具有較高的自由電子密度，載流子遷移率高，可增強spr傳感器芯片對光信號的響應，進一步增強spr傳感器的綜合性能，mxene和bluep/tmdcs結合可極大地提高spr傳感器的靈敏度和fom。

23、單層的bluep/tmdcs二維材料能帶對齊為間接帶隙ii型，隨著bluep/tmdcs二維材料的層數(shù)增加至2~5層時，bluep/tmdcs二維材料轉變?yōu)橹苯訋秈i型能帶排列，最后轉變?yōu)榻饘傩?。當材料轉變?yōu)榻饘傩院?，會帶來以下好處：?）提高傳感器芯片的靈敏度：金屬性的bluep/tmdcs二維材料具有較高的自由電子密度和載流子遷移率，spr?是發(fā)生在金屬與傳感介質界面處，自由電子集體振蕩的一種現(xiàn)象，也就是與其表面電荷密度相關，具有金屬性的二維材料可以有效提高ag膜-mxene-bluep/tmdcs復合結構的自由電子密度，增強光吸收，從而促進更強烈的spr傳感器激發(fā)，增強傳感器對光信號的響應，從而提高傳感器的靈敏度；金屬性的bluep/tmdcs二維材料載流子遷移率高，使得ag膜與bluep/tmdcs二維材料之間能夠存在高強度的電荷轉移，從而增強了膜層之間的電場強度，這種增強的電場強度進一步增強了表面等離子體波和待測物質之間的相互作用，?顯著提高了傳感器的靈敏度。（2）提高傳感器芯片的穩(wěn)定性：金屬通常具有高穩(wěn)定性和耐腐蝕性，轉變?yōu)榻饘傩院蟮牟牧蠒黾觽鞲衅餍酒目寡趸湍陀眯浴Ｒ虼?，將材料轉變?yōu)榻饘傩院螅瑐鞲衅餍酒赡軙@得更高的靈敏度、穩(wěn)定性和信號采集處理的便利性，適合用于需要高靈敏度和穩(wěn)定性的傳感器應用場景。隨著bluep/tmdcs二維材料的層數(shù)增加至5層以上時，bluep/tmdcs二維材料能帶結構轉變?yōu)殚g接帶隙i型能帶排列，隨著層數(shù)的增加，吸收邊紅移，光吸收響應擴展到中紅外光譜區(qū)域，吸收系數(shù)顯著增加，導致紅外光在材料表面被吸收而無法有效地傳播至傳感器芯片的激發(fā)區(qū)域，從而使spr傳感器靈敏度降低。因此bluep/tmdcs二維材料的層數(shù)在1~5層內時，傳感器的靈敏度較高。

24、3.spr傳感器作為一種高靈敏度、實時監(jiān)測、非破壞性的生物傳感技術，樣品前處理過程簡單，只需將植物葉片采用植物溶劑溶解即可，可以有效克服傳統(tǒng)方法樣品前處理繁瑣的問題。通過spr技術，可以實時、快速、高靈敏度地監(jiān)測植物葉片中重金屬離子的含量，為環(huán)境監(jiān)測和食品安全提供了有力的手段。