组成图示
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传感器类型
表面等离子共振(SPR)生物传感器
检测对象
低分子量生物分子（low molecular weight biomolecules，泛指生物分子相互作用），样品基质：PBS 溶液（磷酸盐缓冲液）
检测原理
TM 偏振光经 SF10 棱镜和 Cr/Au 界面激发传播表面等离子体（SP），Au 亚波长光栅同时激发局域表面等离子体（LSP）热点，增大表面反应面积并增强近场。SiO2 间隔层将 Au 光栅与底层 Au 膜部分隔离，抑制 LSP 与 SP 之间的破坏性耦合，使共振反射谷更深、信噪比更高。当低分子量生物分子结合到 SAM 表面时，界面折射率发生变化，改变 SP/LSP 共振条件，导致共振角发生位移。通过角度扫描反射率读出共振角变化，其位移与界面折射率变化近似线性。该结构以无标记方式利用 LSP 热点和 SP 传播模式实现信号放大，最优结构灵敏度增强因子达 12.53。
检测灵敏度
SEF: 12.53；最小反射率: 0.01；折射率范围: 1.33–1.70；R = 0.9997；共振角: 73.27°–77.57°
效应效果
数值模拟表明，最优 DG-LSPR 结构（Λ=50 nm、占空比 0.2、dG=20 nm、dS=40 nm）相比传统 SPR 具有约 13 倍灵敏度，SEF 为 12.53，最小反射率降至 0.01，反射谷更深，有利于提高信噪比和检测限。FDTD 结果显示，加入 40 nm SiO2 间隔层后最大 EZ 场强由 21.5 增至 47.1，LSP 热点增强；有效介质理论分析表明间隔层使 R34 与 R45 反射场相位差接近 180°，发生相消干涉。共振角随 SAM 折射率 1.33–1.70 线性变化，R=0.9997。论文未提供实验选择性、稳定性、RSD 或实际样品回收率，但作者认为该无标记 LSPR 结构可用于低分子量生物分子相互作用的高灵敏监测。
传感器的构成
- 基底/棱镜：SF10 玻璃棱镜，承载 TM 偏振光并支持表面等离子体激发。
- 粘附层：2 nm Cr，增强 Au 膜与基底附着。
- 金属换能层：40 nm Au 薄膜，支持传播表面等离子体（SP）。
- 介质间隔层：SiO2 间隔层（最优 dS=40 nm），隔离 Au 光栅 LSP 与底层 SP，减少破坏性耦合。
- 金属光栅层：Au 亚波长光栅（dG=20 nm，Λ=50 nm，占空比 0.2），激发局域表面等离子体（LSP）热点并增大表面反应面积。
- 识别/功能化层：1,6-己二硫醇自组装单分子层（SAM，1 nm），模拟生物分子吸附并改变界面折射率。
- 样品层：PBS 溶液（n=1.33）及低分子量生物分子分析物，提供待测相互作用。
- 读出层：角度扫描反射率系统（633 nm TM 光），以共振角位移作为传感信号。
中文摘要
本研究提出一种金属-介质双层亚波长光栅局域表面等离子共振（LSPR）生物传感器，用于增强低分子量生物分子相互作用的无标记检测。传感器由 SF10 棱镜、2 nm Cr 粘附层、40 nm Au 薄膜、SiO2 介质间隔层和 Au 亚波长光栅组成，表面以 1,6-己二硫醇自组装单分子层（SAM）功能化。作者采用严格耦合波分析（RCWA）和时域有限差分（FDTD）方法，系统研究光栅周期、占空比、光栅厚度及间隔层厚度对反射率、灵敏度增强因子（SEF）和近场分布的影响。结果表明，Au 光栅可激发局域表面等离子体热点并增大表面反应面积，但易导致反射曲线宽浅；引入 SiO2 间隔层可抑制传播表面等离子体与局域模式之间的破坏性耦合，使共振处形成更深吸收带。最优结构（Λ=50 nm、占空比 0.2、dG=20 nm、dS=40 nm）的 SEF 达 12.53，最小反射率为 0.01，共振角随界面折射率变化呈高度线性，R=0.9997。该结构有望提高 LSPR 传感器对低分子量生物分子的检测灵敏度。
英文摘要
In this study, we investigated the enhanced sensing performance of a localized surface plasmon resonance (LSPR) biosensor by employing metal-dielectric double-layered subwavelength grating structures. The numerical results showed that the LSPR substrate with a dielectric spacer can provide not only a better sensitivity but also a significantly improved reflectance characteristic. While the presence of metallic gratings leads to a broad and shallow reflectance curve inevitably, the dielectric spacer can prevent the propagating surface plasmons from being interfered by the locally enhanced fields excited at the gold gratings, finally resulting in a strong and deep absorption band at resonance. Therefore, the proposed structure could potentially open a new possibility of the enhanced LSPR detection for monitoring biomolecular interactions of low molecular weights.