表面等离子共振传感器 基于lumerical fdtd模拟等离子共振吸收的折射率传感器
基于lumerical fdtd模拟等离子共振吸收的折射率传感器
关键词：FDTD；金纳米盘；表面等离子体；超材料；折射率传感
在表面等离子体激元学研究中，金属纳米粒子的光学特性是许多应用的基础，例如化学和生物医学传感、 表面增强光谱、和近场扫描光学显微镜。金或银纳米粒子中的电子与入射光场相互作用时产生局域表面等离子体共振 (LSPR)。这种 LSPR 现象强烈依赖于纳米结构的尺寸、形状和周围介电环境。特别是后者 的依赖性开辟了一条折射率传感的道路，对于一定的折射率变化，LSPR现象将导致较大的光谱偏移，从而可以检测介电环境微小的变化。在实际应用中，金属纳米结构的损失是不可避免的。 为了实现低损耗器件，人们通过优化结构几何形状和使用增益材料来降低损耗。超材料是共振金属纳米结构，其晶胞远小于光的工作波长，通过正确设计超材料中的电磁响应，可以实现完美的吸收。一般来说，在实际应用中，理想的吸收体对入射角和光的偏振不敏感。
我们的传感器方案提出了潜在的折射率传感器平台，其中局域表面等离子体共振传感基于简单的反射率测量，只需使用单波长光源就可完成。图 1 展示了吸收体传感器结构的几何形状。它由两个功能层组成：最上层是金纳米盘阵列，最下层是金镜，这两层由 MgF2 电介质隔开。该结构设计为在垂直入射时在 x 和 y 方向上与偏振无关。
图1 传感器结构
为了证明我们的吸收器用作LSPR传感器的可行性，图2a显示了空气（n=1）和水（n=1.312）的仿真反射光谱，周围介质折射率的变化会导致反射光谱谷的移动；图2b展示进一步研究LSPR折射率传感器的灵敏性，将折射率差值为0.01的不同溶液作为周围介质进行仿真，可以看出该器件具有高灵敏度。
图2 (a)传感器在水和空气中的反射率光谱；(b) 传感器的灵敏度仿真
由于金属纳米结构的表面等离子共振强烈依赖于结构的尺寸、形状和周围介电环境，因此我们对纳米结构的不同半径和高度进行仿真，以实现能够运用于不同波段的折射率检测（图3），因此也可以设置相应的结构大小满足我们想要的波长下的折射率传感和检测。
图3 (a)不同半径的Au纳米盘反射率光谱；(b) 不同高度的Au纳米盘反射率光谱
为了更好地理解等离子吸收的性质，我们模拟了谐振时的纵向截面电场分布，如图 4a 所示。 很明显，光波入射时，两层之间会产生局域电磁场的强烈增强。 因此，电磁场可以有效地限制在中间 MgF2 层中，导致光谱中出现明显的反射率下降。图 4b 显示了等离子共振波长下Au圆盘周围的电近场强度剖面（横向截面），可以看出Au圆盘边缘周围的电场强度显著增强。
图4 (a) xz截面的电场分布；(b) xy截面的电场分布
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镀金表面等离子体共振的生物传感器是一种几方光子晶体光纤平台？
«——【·前言·】——»
生物传感器是一种紧凑型分析设备，它将生物元素与物理化学换能器相结合，以检测和量化样品中的特定生物或化学化合物。 利用各种生物成分可以作为生物传感器配置的一个例子。
基于表面等离子体共振的生物传感技术由于其广泛的传感应用和出色的灵敏度，引起了人们的广泛关注。SPR技术的独特之处在于其无标记和实时检测功能，无需样品标记即可直接洞察生物分子相互作用。
这种无损方法具有高灵敏度，甚至可以检测低浓度的分析物，并提供有价值的动力学数据，例如缔合率和解离率。它的多功能性涵盖广泛的生物分子和分析物，使其适用于各种研究领域，包括药物开发、生物分子研究和诊断。
SPR具有最少的样品要求和快速分析，是理解生物分子之间动态相互作用的强大且不可或缺的工具，在各种科学和技术应用中具有重要意义。 该技术已用于生物传感，生物成像，水测试，食品安全，化学检测和气体检测，生物分析物检测等。
因为最现代的SPR技术提供了结构收缩，降低成本，坚固性，高灵敏度和制造灵活性。从本质上讲，它是一种光学过程，其中光子与自由金属电子相互作用以产生称为表面等离子体波的电磁波。
基于光子晶体光纤工作原理的SPR传感器使用引导倏逝场。当光通过全内反射穿过核心时，从包层发出的电磁场称为消逝场。在基于PCF的SPR传感器结构中，金属表面上的自由电子在穿过包层区并撞击等离子体金属表面时被倏逝场激发。
当入射光子的频率和自由电子的振荡频率匹配时，自由电子开始共振，在这种情况下发生SPW。SPW在金属介电界面上产生。 在共振状态下，会产生对介电介质适度折射率波动极其敏感的强损耗峰。
有效折射率和表面等离子体极化子模式的值必须相等才能发生共振。在共振情况下，磁芯引导模式将大部分能量传递给SPP模式。具有常规气孔阵列配置的芯层和包层构成了PCF，这是一种较新的光纤形式。
PCF的传播特性由气孔的这种规则布置控制。修饰的TIR和光子带隙可作为PCF中的导光机制。与传统光纤相比，基于PCF的SPR传感器具有许多优势。PCF的导向特性可以通过调整气孔的大小和PCF中的环数来改变。
PCF通常可以在微米尺度上制造。与棱镜耦合和传统的基于光纤的SPR传感器相比，基于PCF的SPR传感器为缩小传感器尺寸提供了一个可能的平台。此外，PCF的特殊品质为纳米传感器的发展创造了一扇新的大门。
可以使用各种包层结构来改变倏逝场，以提供最佳的传感性能。为了产生SPR现象，最近使用金，银，铜和铝作为等离子体金属层研究了大多数基于PCF的传感器。
由于其缺乏带间跃迁和适度的阻尼损耗，从光学角度来看，银可以被认为是最大的等离子体材料。 不幸的是，在水溶液存在下会形成气质氧化层，这大大降低了传感能力。
另一种具有吸引力的等离子体材料是铝，它具有高电子密度和适度的阻尼损耗。然而，它遭受与银类似的氧化问题。金经常用作基于PCF的SPR传感器中的活性等离子体材料。与其他金属相比，金具有化学惰性，不易氧化。
此外，使用当前的制造技术，它易于形成和生物相容性。当两种模式的实际分量在特定波长相等时，磁芯引导模式和SPP模式之间会发生模式耦合。根据附近分析物的变化，共振波长为红移或蓝移，因为SPP模式对周围分析物的折射率特别敏感。
建议的传感器的主要缺点是与波长询问相比，其幅度灵敏度范围减小，灵敏度较低。 同年，他们还提出了一种基于SPR的石墨烯PCF传感器。建议的传感器分辨率为 4 × 10−5RIU 和 860 RIU 的振幅灵敏度−1。
为了减少氧化问题，石墨烯被用作等离子体材料。明显的缺点是，随着石墨烯层数的增加，灵敏度降低。A. A. Rifat在2015年和他的同事提出了一种简单的两环六边形晶格PCF传感器。
所提出的传感器具有4000 nm/RIU的最大灵敏度，用于波长询问和320 RIU−1用于振幅审讯。建议的传感器分辨率为 2.5× 10−5和 3.125 × 10−5采用波长时的RIU。该传感器的主要优点包括更简单的设计和制造过程。
缺点是传感性能受到金层厚度的显着影响。随着金层厚度的增加，振幅灵敏度降低。2016年，A. A. Rifat和其他人提出了一种基于PCF的SPR生物传感器，其中传感层和等离子体金属层位于纤维结构之外。
对于2000.1至33.1之间的分析物折射率，建议传感器的波长灵敏度为37 nm/RIU。使用波长询问方法的传感器分辨率为5×10-5 RIU。为了评估所建议的传感器的有效性，应用了有限元方法。
传感性能受到铜层厚度的显著影响。随着铜层厚度的减小，损耗增加，谐振频率也随之偏移。 损耗值随着铜厚度的减小而减小，在超过一定厚度阈值后显示出更大的共振曲线。这是铜层厚度需要保持在理想水平的主要原因之一。
建议的传感器表现出最大振幅灵敏度为300 RIU-1，分辨率为3.33×10−5分析物折射率为1.37，最长灵敏度为4200 nm/RIU，传感器分辨率为2.38 × 10−5RIU.这类传感器的主要问题之一是银的氧化。
2023年，A. M. Maidi等人提出了一种用于血液成分检测的PCF传感器，其中PCF的核心设计为八角形晶格。此外，两环PCF传感器在第一环上有八角形气孔，在第二环上有圆形气孔。
在制造方面，与圆形气孔相比，八角形气孔很难制造。最近，Z. Du等人提出了一种基于SPR的椭圆PCF传感器。灵敏度相当好，但椭圆形气孔使PCF难以制造。
在这项工作中，我们对基于SPR的生物传感器进行了数值研究。
所提结构的主要贡献是宽感应范围、高灵敏度和相对简单的设计架构。为了实现高灵敏度和低损耗特性，我们在这项工作中提出了一种简单的基于双核PCF结构的SPR传感器。
本工作旨在通过基于有限方法的Comsol多物理场仿真软件研究性能参数。数值分析在y偏振模式下在1.30至1.40的更宽折射率感应范围内进行。 此外，由于等离子体材料放置在PCF的最外层，因此减少了制造的主要障碍。
«——【·设计方法·】——»
所提出的SPR传感器的横截面图。所提出的生物传感器设计使用以简单的六边形晶格结构排列的圆形气孔。金属层和分析物层置于纤维结构之外，使制造更简单。气孔排列成两个环;第一环使用6个气孔，第二环使用10个气孔。
然而，前一个环中的4个气孔中有6个故意保持比其他气孔小，以使光与分析物层相互作用。相邻气孔之间的中心到中心距离定义为间距，用Λ表示。较小气孔的直径用d表示1和更大的气孔由d。
中心芯中的气孔直径用d 表示c.因此，在建议的结构中使用了三种不同直径的气孔。 金用作厚度为t金.化学气相沉积可用于制造外表面上的金层。其中实心棒毛细管、厚壁毛细管和薄壁毛细管分别代表核心、小气孔和大气孔。
«——【·仿真结果·】——»
基于SPR的PCF生物传感器的工作原理，该传感器基于倏逝场工作。在该传感器中，当光通过TIR穿过核心时，从包层中宣布的电磁场的一部分称为消逝场。 等离子体金属表面的自由电子在倏逝场穿过包层区并撞击它时被激发。
PCF的几何规格决定了所提出的SPR传感器的工作性能。为了在倏逝场和金属表面之间提供简单的制造，应使用某些参数。当发生光子的复发和自由电子的复发协调时，电子开始回响。
并且到目前为止，表面等离子体波在金属介电界面上产生，这被称为共振条件。在目前情况下出现了急剧的损失峰值，并且可以通过该峰值的频率移动或丰度变化来识别模糊分析物的折射率。
波长灵敏度定义为分析物RI中每单位变化的共振波长的变化。SPP 模式对传感介质的 RI 极为敏感。一般来说，n 伊芙SPP模式受到液体样品RI微小变化的强烈影响。
因此，损耗峰值会相应移动。对于y偏振模式，不同分析物RI的约束损耗随波长的变化。对于y偏振光的分析物RI分别为555.560、570,585,595.610、625.640、660.695、720.780、1.30、1.31、1.32和1.33，在1 nm、34 nm、1 nm、35 nm、1 nm、36 nm和1 nm处观察到约束损失的尖峰。
可以注意到，将分析物RI从1.38增加到1.39会导致峰损失深度的单调增加。这是因为随着分析物RI的增加，岩心和SPP模式之间的指数差异变小，导致约束损耗发生显著变化。
波长灵敏度通过波长询问法测量。哪里��峰是两个连续分析物在共振条件下折射率的两条损耗曲线之间的波长差。因此在RI 5000.1至30.1的感应范围内，所提出的传感器的最高波长灵敏度为40 nm/RIU。
y偏振模的波长灵敏度分别为2000 nm/RIU、1000 nm/RIU、1000 nm/RIU、2000 nm/RIU、2000 nm/RIU、2000 nm/RIU、3000 nm/RIU、3000 nm/RIU、4000 nm/RIU、5000 nm/RIU、1 nm/RIU。
分析物RI分别为31.1、32.1、33.1、34.1、35.1、36.1、37.1、38.1、39.1和40.5000。该模式的最大波长灵敏度为1 nm/RIO，分析物RI为40.267。最大振幅灵敏度 66.<> RIU−1.
传感器RI分辨率也是所提出的传感器的关键性能指示参数。除波长灵敏度外，幅度灵敏度是决定所提传感器有效性的重要参数。振幅灵敏度通过使用振幅询问方法确定。
随着分析物RI的增加，振幅灵敏度显著增加;最大振幅灵敏度 267.66 RIU−1在Y偏振模式下，分析物RI为1.38即可实现。总结了所提出的传感器的所有参数，即传感器长度、最大损耗、共振峰移、传感器分辨率、波长灵敏度和幅度灵敏度。
«——【·制造公差调查·】——»
为了验证所提结构的制造公差，我们改变了不同的结构参数并分析了灵敏度。岩心气孔直径变化5%时的损耗谱。 在优化值下的最大损耗为62.09 dB/cm。此外，通过增加和减少dc5%，折射率为62.46时，最大损耗分别为61.74 dB/cm和1.38 dB/cm。
此外，直线弯曲的斜率解决了传感器的正常影响。从本质上讲，直接拟合商标会降低平均灵敏度和分辨率。高线性度表明，传感器的平均灵敏度和分辨率相当高，使传感器能够准确估计分析物。反应的非线性是不正常的，因为它对平均灵敏度和分辨率有很大的限制。
«——【·笔者认为·】——»
本文评估了一种基于镀金的双核PCF-SPR生物传感器。使用FEM方法研究了所提出的传感器的性能，并增强了传感器的设置以提高传感能力。 所提出的生物传感器对y偏振的最长灵敏度为5000 nm/RIU。
最大振幅灵敏度为267.66 RIU-1用于 y 极化。在此传感器中实现的传感器分辨率为 2.00 × 10–5在波长询问方法方面。PCF生物传感器的感应范围为分析物RI为1.30至1.40。
因此，整体性能和灵敏度调查表明，该传感器可以逐步检测材料的有机物和生化实例。这项研究可以扩展以获得有吸引力的结果，包括波长和振幅方面的高灵敏度，以及与其他等离子体材料的高线性度。
«——【·参考文献·】——»
菲格罗亚，《有机磷化合物作为化学战剂:综述》，化学工业出版社，2009年。
巴德尔，《有机磷中毒:马拉硫磷对哺乳动物的潜在毒性效应和潜在治疗的最新进展》，新民网出版社，2020年。
阿普兰德地方官, 《乙酰胆碱酯酶抑制剂作为大规模杀伤性武器:历史、作用机制和医学对策》，物理化学杂志出版社，2020年。
南科斯曼，《理论计算》，化学工业出版社，2010年。
夏尔马，《用于低温储能应用的相变材料维持》，浙江大学出版社，2014年。
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