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
互补DNA（cDNA），样品基质为磷酸盐缓冲液（PBS）
检测原理
该传感器采用 Kretschmann 棱镜耦合结构，632.8 nm TM 偏振光经棱镜激发金膜/石墨烯界面的表面等离子体。表面固定的单链 DNA（ssDNA）探针与样品中的互补 DNA（cDNA）特异性杂交，形成双链 DNA（dsDNA），使传感界面生物分子层厚度和折射率增加（ssDNA 折射率约 1.462，dsDNA 约 1.52）。界面折射率变化改变表面等离子体动量匹配条件，导致共振角偏移和反射/透射场变化。器件被建模为二端口网络，S11、S21、S12、S22 的幅度和相位随结合事件改变；其中 S11 幅度对应归一化反射率，S11 相位在共振附近快速跃变。石墨烯层增强生物分子吸附并改善光学响应，从而提升灵敏度。
检测灵敏度
未报告
效应效果
该文为基于 FDTD 的理论设计与模拟研究，未报告实验选择性、抗干扰、稳定性、重现性（RSD）、实际样品加标回收率或与 ELISA/HPLC/qPCR 等方法的直接对比。模拟结果表明，引入石墨烯层可增强生物分子吸附并改善光学响应，使 S 参数变化更明显；在 DNA 杂交前后，共振角由 50.069° 移至 50.69°，偏移约 0.62°，S11 相位在共振附近发生快速跃变，最大相位偏移约 329.8°。作者认为，相比仅测量共振峰偏移，同时利用 S 参数幅度和相位可作为新的检测指标，其中 S11 对目标分析物响应最大，有望提高无标记 DNA 检测灵敏度。
传感器的构成
- 基底/换能器：棱镜（flint glass prism），以 Kretschmann 构型耦合激光并激发表面等离子体。
- 金属换能层：金膜（Au，50 nm），提供金属/介质界面并支持表面等离子体共振。
- 纳米修饰层：石墨烯（graphene，2 nm），增强生物分子吸附并改善光学响应。
- 识别元件：单链 DNA（ssDNA）探针，固定于传感器表面，特异性结合互补 DNA（cDNA）。
- 样品介质：磷酸盐缓冲液（PBS），提供 cDNA 扩散与杂交反应环境。
- 信号读出：光学检测系统（optical detection system），采集反射光并计算 S 参数幅度与相位。
中文摘要
本文提出一种基于 S 参数分析的变入射角多层表面等离子共振（SPR）生物传感器，并首次将 S 参数（包括幅度和相位）应用于多层 SPR 生物传感器研究。该传感器采用 Kretschmann 棱镜耦合结构，在棱镜基底上依次设置金膜和石墨烯层，表面固定单链 DNA 作为识别探针，用于捕获互补 DNA 并发生杂交形成双链 DNA。通过有限差分时间域方法模拟 632.8 nm TM 偏振光在不同入射角下的反射/透射响应，将器件建模为二端口网络，利用 S11、S21、S12、S22 的幅度和相位变化作为检测指标，而非仅依赖共振角偏移。结果表明，引入石墨烯层可增强生物分子吸附并改善光学响应，S11 的幅度与相位对目标 DNA 结合变化更敏感；共振角由结合前 50.069° 移至结合后 50.69°，S11 相位在共振附近发生快速跃变，最大相位偏移约 329.8°。研究还分析了双链 DNA 厚度/折射率变化以及石墨烯层数对 S 参数幅度和相位的影响，为高灵敏度无标记 DNA 检测提供了新的设计思路。
英文摘要
In this paper, S-parameters investigation of a variable incidence angle multilayer SPR biosensor is presented. Both magnitude and phase of the S-parameters are taken into account in the investigation. The work presented in this paper is the first attempt to apply S-parameters analysis to a multilayer SPR biosensor. The goal is to improve sensitivity through involving S-parameters including their phase values. In addition, further investigation is carried out to understand the relationship between the S-parameters and thickness of biomolecular layer and also the design parameters including the number of graphene layers.