《Next Research》：Design and Performance Analysis of SPR Sensor Using Black Phosphorus and Cadmium Materials-Based Structure for Real-Time Glucose Detection in Urine Samples
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实时尿液葡萄糖检测的表面等离子体共振传感器研究采用黑磷与硫化镉合金复合结构，通过优化55 nm银层和FK51A棱镜配置，灵敏度达395.05 °/RIU，较传统方法提升2.8倍。
阿伦·卡尔蒂克·兰卡（Arun Karthik Lanka）|桑迪普·博杜（Sandeep Boddu）|耶苏达苏·瓦西马拉（Yesudasu Vasimalla）|巴拉吉·拉马钱德兰（Balaji Ramachandran）|普拉巴卡兰·N（Prabakaran N）|桑托什·库马尔（Santosh Kumar）
印度安得拉邦瓦德德斯瓦兰（Vaddeswaram）科内鲁·拉克希米亚教育基金会（Koneru Lakshmaiah Education Foundation）电子与通信工程系纳米技术卓越中心，邮编522302
摘要
准确且早期地检测尿液中的葡萄糖对于糖尿病和其他代谢性疾病的诊断与监测至关重要。为此，需要一种高度敏感、经济高效且准确的识别方法。本文介绍了一种创新的表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）传感器，该传感器首次结合使用了黑磷（Black Phosphorus）这种二维材料与硫化镉（Cadmium Sulfide）和硫化镉镓（Cadmium Gallium Sulfide）来实现实时葡萄糖检测。该传感器基于克雷奇曼配置（Kretschmann Configuration）设计，采用FK51A棱镜来增强表面等离子体激发。通过传递矩阵方法（Transfer Matrix Method）和角查询技术（Angular Inquiry Technique）在633纳米波长下评估了其性能。通过对不同浓度的葡萄糖进行分析，验证了传感器的有效性。仿真结果显示：该传感器的灵敏度为395.05 × 10^(-6) RIU（Rationale Unit），品质因数为119.42，信噪比为0.716，检测准确率为114.50，优值为111.54。这些数据表明该传感器是一种高效的葡萄糖监测工具。当这些材料以多层结构结合使用时，能够更有效地限制等离子体场，使其灵敏度比传统SPR传感器高出约2.8倍，并显著提高共振稳定性。
引言
生物液体在糖尿病和其他代谢性疾病的诊断与管理中起着关键作用，尤其是在尿液中早期且准确地检测葡萄糖方面[1]。尿液分析是一种快速、低成本且无创的血糖检测方法，对于持续健康监测具有很高的价值[2]。健康人的尿液中仅含有微量葡萄糖；而高葡萄糖水平（糖尿）、肾衰竭、糖尿病或其他代谢性疾病可能表明存在这些问题[3]。尿液中的葡萄糖含量受多种因素影响，包括激素失衡、营养状况和药物使用[4]。因此，持续监测对于早期诊断和有效疾病管理非常重要[5]。传统的葡萄糖检测方法包括分光光度法（Spectrophotometric）、电化学法（Electrochemical）和酶法（Enzymatic）[6]。尽管这些方法应用广泛，但通常灵敏度较低，样品制备复杂，且易受环境因素干扰[7]。例如，基于酶的检测方法依赖于氧化反应，但随着时间推移效果会下降，传感器稳定性也较差[8]。尽管电化学传感器性能良好，但需要校准，并且对pH变化敏感[9]。因此，需要更灵敏、可靠且实时的葡萄糖检测平台[10]。表面等离子体共振（SPR）传感器无需标记物，具有高灵敏度，能够实现实时检测，使其成为生物传感的理想选择[11]。SPR传感器通过光与金属表面自由电子的相互作用产生共振位移，这种位移与折射率（Refractive Index, RI）的变化相关[12]。最近的SPR技术发展通过引入具有改进光学和电学特性的纳米颗粒来提高灵敏度[13]。最新研究进一步利用二维材料（如黑磷BP和石墨烯）改进了多层等离子体结构，为本传感器的设计提供了灵感[7,11,14]。为了增强等离子体激发效果，所提出的传感器设计结合了FK51A棱镜和克雷奇曼配置[14]。由于银（Ag）具有优异的等离子体行为和较低的内损耗，被选为金属层材料[15]。通过添加硫化镉（CdS）薄膜（一种高折射率和高光学吸收率的半导体）进一步改善了等离子体波的 confined effect[16]。引入硫化镉镓（CdGaS4）后，增强了传感器的响应，提高了光定位能力并放大了共振信号[17]。最后，选择黑磷作为传感层，因其具有较高的表面积与体积比、良好的光-物质相互作用以及优异的生物相容性[18,19,20]。最近的研究探索了黑磷在生物传感中的应用，因其可调带隙和强光-物质相互作用[20]。在本研究中，我们提出了一种新的SPR传感器，结合使用了黑磷与CdS和CdGaS4层来提高尿液中葡萄糖的检测能力。传感器的整体设计和理论基础详见本文第2节。第3节阐述了仿真结果，并将所提传感器的性能与现有方法进行了比较。该传感器能够实时工作，具有高灵敏度和稳定的性能，有助于解决非侵入式葡萄糖监测中的常见问题[21]。引入CdS、CdGaS4和黑磷层后，增强了光场效果，减少了信号波动。总体而言，这种半导体与二维材料的组合使得传感器设计更加紧凑，可有效应用于医学诊断。
设计与方法
本节介绍了开发传感器所需的重要设计特点，并解释了用于分析其与光相互作用的数学建模技术。同时提供了评估传感器准确性、效率和可靠性的关键性能参数，以便全面了解其功能。
结果与讨论
本节探讨了所提传感器的仿真结果，该传感器采用角查询技术进行工作。通过将反射曲线与入射角关联起来（波长固定为633纳米）进行分析。在调整层厚度后，评估了传感器的性能。随后使用优化后的设计检测不同浓度下的葡萄糖。此外，还讨论了标准的制造步骤。
结论
本文提出了一种无需标记物、高性能的SPR传感器，用于检测尿液中的葡萄糖，该传感器采用了CdS、CdGaS4和黑磷。通过优化银层厚度（55纳米）及选择合适的棱镜，显著提高了传感性能。通过与其他结构的比较，证实所提出的结构（S5）具有更好的检测效果。
伦理声明
本文不包含任何作者参与的人类受试者相关研究。
数据可用性
本研究使用和/或分析的数据集可向相应作者提出合理请求后获取。
作者贡献声明
阿伦·卡尔蒂克·兰卡（Arun Karthik Lanka）：撰写初稿、进行研究、进行正式分析、数据整理。
桑迪普·博杜（Sandeep Boddu）：撰写、审稿与编辑、验证。
耶苏达苏·瓦西马拉（Yesudasu Vasimalla）：项目管理、方法设计、概念构思。
巴拉吉·拉马钱德兰（Balaji Ramachandran）：验证、软件开发、资源协调。
普拉巴卡兰·N（Prabakaran N）：数据可视化、验证。
桑托什·库马尔（Santosh Kumar）：撰写、审稿与编辑、验证、监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。
资助
本研究得到了印度科内鲁·拉克希米亚教育基金会（Koneru Lakshmaiah Education Foundation）的支持。
