基于介质-金属-介质结构的高品质因数等离子体传感器仿真设计与生物传感应用

《IEEE Access》：Simulation-Driven Design of a High Figure of Merit Plasmonic Sensor Using Dielectric- Metal-Dielectric Configuration for Sensing Applications

本刊编辑推荐：为解决传统表面等离子体共振(SPR)传感器灵敏度与品质因数(FOM)难以兼顾的问题，研究人员通过仿真驱动设计了基于NaF棱镜-铝-硅-氧化石墨烯(GO)的介质-金属-介质(DMD)结构传感器。该传感器在1550 nm近红外波段实现232°/RIU灵敏度与1856 RIU-1的超高品质因数，其线宽仅0.12°且具备优异温度稳定性，为生物分子检测提供了新方案。

　　

在生物医学检测领域，表面等离子体共振(SPR)技术因其无需标记、实时检测等优势备受关注。然而传统SPR传感器面临一个关键瓶颈：虽然通过复杂结构设计可提升灵敏度，但共振曲线展宽会导致品质因数(FOM)显著降低，制约检测精度。现有研究多聚焦于金、银等贵金属与二维纳米材料复合结构，但最高FOM仅达82 RIU^-1，难以满足高精度生物分子检测需求。

针对这一挑战，印度比尔拉理工学院研究人员在《IEEE Access》发表仿真研究，创新性地提出基于介质-金属-介质(DMD)结构的SPR传感器。该研究通过系统优化棱镜材料、等离子体金属、介质层与二维纳米材料组合，在1550 nm通信波段实现灵敏度与FOM的协同提升。尤为突出的是，传感器在±3%厚度误差与±10°C温度波动下仍保持性能稳定，展现出强健的工艺适应性。

研究采用转移矩阵法(TMM)与COMSOL Multiphysics有限元分析相结合的技术路径。首先通过棱镜-金属组合筛选确定NaF棱镜与30 nm铝膜的最佳组合，随后优化硅介质层厚度至60 nm，最后对比黑磷(BP)、石墨烯(Gr)等二维材料后选定单层氧化石墨烯(GO)作为生物分子结合层。通过五类结构对比实验，最终确立P/D/M/D/2D（棱镜/硅/铝/硅/GO）的DMD叠层架构。

性能参数分析

通过角度 interrogation模式检测折射率1.33-1.34的分析物，DMD结构呈现0.12°超窄线宽，其灵敏度达232°/RIU，检测精度(DA)为8 deg^-1，较传统SPR结构提升20倍。电场分布模拟显示，一阶共振模式与表面等离子体模式协同增强光与分析物相互作用。

应用验证

以单链DNA(ssDNA)为检测对象，在0.182 cm³/g的折射率增量条件下，传感器对1-5 μM浓度梯度均呈现明显共振角位移。当浓度升至5 μM时，共振角偏移达1.16°，验证其在实际生物样本中的检测能力。

误差容限研究

厚度偏差±3%时FOM波动仅±0.25%，温度变化±10°C导致性能偏差<1.5%。GO层厚度不敏感性（1-10层FOM变化<3%）有效规避二维材料制备厚度控制难题。

该研究突破性在于首次将NaF棱镜与铝膜组合引入SPR传感，并通过DMD结构实现FOM量级提升。相较于同类DNA检测传感器（最高FOM 86.98 RIU^-1），本设计将FOM提升至1856 RIU^-1，同时保持232°/RIU的高灵敏度。其采用的GO预功能化表面简化了生物修饰流程，而铝材料替代贵金属显著降低成本。这项研究为高精度、低成本生物医学传感器开发提供新范式，在癌症早期诊断、病原体检测等领域具有应用潜力。未来工作将聚焦于实验验证与微流控集成，推动仿真成果向实用化设备转化。