组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
表面等离子共振(SPR)生物传感器
检测对象
靶标生物分子（target biomolecule，DNA 杂交模型）；样品基质：PBS 缓冲液
检测原理
该传感器采用 Kretschmann 构型，TM 偏振光经 SF10 棱镜和 Au 膜激发表面等离子体，共振角或反射率谷位置随界面附近折射率变化而移动。亚波长介质光栅通过增大表面反应面积并改变结合区近场分布，使生物分子结合引起的折射率变化（nBL 从 1.40 增至 1.50，ΔnBL=0.1）产生更大的 SPR 角度偏移。灵敏度增强因子 SEF 定义为有光栅与无光栅角度偏移之比；重叠积分 OI 将 ΔnBL 与电场强度 |EX|^2 在相互作用区积分，定量反映反应面积与场分布的共同贡献。光栅厚度增加可提高 SEF，但超过等离激元穿透深度后趋于饱和；周期减小可增大表面面积，但在 Λ=200 nm 附近因辐射阻尼导致 SEF 下降。检测为无标记、实时折射率响应。
检测灵敏度
SEF: 3.00（Λ=100 nm, dg=200 nm）；FOM: 1.12（Λ=50 nm, dg=5 nm）；FOM: 0.25（无光栅）
效应效果
数值结果显示，介质光栅相比金属光栅能保持较窄、较深的 SPR 反射曲线，减少曲线展宽和最小反射率劣化。在 Λ=50 nm 条件下，金属光栅最优 dg=5 nm 可获得 5.7 倍灵敏度提升，但曲线畸变更明显；介质光栅在 dg>100 nm 时灵敏度提升超过 4.5 倍，dg=200 nm 时最高达 5.4 倍。品质因子 FOM 方面，金属光栅为 1.12，无光栅为 0.25；当介质光栅 dg>140 nm 时，其 FOM 超过金属光栅。铬粘附层厚度对角度灵敏度影响较小，但超过 5 nm 会明显增大最小反射率，建议不超过 5 nm。研究未报告选择性、重现性或实际样品回收率，但作者认为该设计有利于高灵敏度等离激元生物传感并提高对制备误差的鲁棒性。
传感器的构成
- 基底：SF10 玻璃棱镜，提供光路并支持表面等离子波（SP）
- 粘附层：Cr 铬层（约 2 nm），增强 Au 与玻璃附着并稳定金属膜
- 换能层：Au 金膜（45 nm），激发表面等离子共振
- 纳米修饰层：亚波长介质光栅（PMMA 或 SiO2，周期 Λ、厚度 dg），增大表面反应面积并调控近场分布
- 识别层：配体/靶标探针（DNA 杂交模型，2 nm 结合层），发生结合事件改变折射率
- 信号标记物：无标记（label-free），依靠结合层折射率变化直接产生 SPR 信号
- 样品介质：PBS 缓冲液（n=1.33），提供检测环境
中文摘要
本文针对表面等离子共振（SPR）生物传感器中引入亚波长介质光栅后灵敏度提升的等离激元机制尚不明确的问题，开展数值研究。研究目的为阐明光栅周期、厚度等几何参数对 SPR 响应放大的影响，并揭示灵敏度增强背后的物理机制。数值结果表明，在 SPR 基底表面构建介质光栅能够提高传感器灵敏度，其增强来源于结合区域表面反应面积增大与局域等离激元场分布变化的共同作用。研究还讨论了金属粘附层厚度对 SPR 反射曲线和传感性能的影响，指出过厚粘附层会增大最小反射率并影响输出稳定性。所获得结果可为高灵敏度等离激元生物传感器件的优化设计提供依据，具有潜在应用价值。
英文摘要
Although subwavelength dielectric gratings can be employed to achieve a high sensitivity of the surface plasmon resonance (SPR) biosensor, the plasmonic interpretation verifying the resulting sensitivity improvement remains unclear. The aim of this study is to elucidate the effects of the grating's geometric parameters on the amplification of SPR responses and to understand the physical mechanisms associated with the enhancement. Our numerical results show that the proposed SPR substrate with a dielectric grating can provide a better sensitivity due to the combined effects of surface reaction area and field distribution at the binding region. An influence of adhesion layer on the sensor performance is also discussed. The obtained results will be promising in high-sensitivity plasmonic biosensing applications.