二硫化钨纳米片敏化的纤维等离子体生物传感器，用于提高血红蛋白检测的灵敏度

《Optical Fiber Technology》：Tungsten disulfide nanosheet-sensitized fiber plasmonic biosensors for enhanced sensitivity in hemoglobin detection

血红蛋白检测光纤表面等离子体共振传感器灵敏度提升研究。采用双周期硫化钨纳米片修饰金膜侧 polish 多模光纤传感结构，通过增强有效折射率与光场相互作用，实现血红蛋白检测灵敏度达2450.21 nm/RIU（提升42%），检测限0.13 mg/mL（较对照组提升64%），具备化学无标记、便携高效特性。

　　在现代医学领域，血红蛋白（Hemoglobin，简称Hb）浓度的检测是诊断和治疗多种血液疾病的关键环节。Hb作为红细胞中的一种重要蛋白质，不仅承担着氧气运输的功能，还在人体代谢和物质传递中发挥着不可替代的作用。然而，当前Hb检测方法仍存在诸多局限性，例如操作繁琐、成本高昂、需要复杂的仪器设备以及依赖侵入式采样等。这些问题限制了Hb检测在临床实际应用中的广泛推广，特别是在需要快速、便携和非侵入式检测的场景下，例如重症患者的实时监测或偏远地区的现场诊断。因此，开发一种简单、无标记、便携、经济且高效的Hb检测技术成为当前研究的热点。

近年来，表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）技术因其卓越的灵敏度、稳定性和即时性，被广泛应用于光学生物传感领域。该技术通过金属表面的自由电子与入射光的相互作用，产生等离子体共振效应，从而实现对目标物质的高精度检测。传统的SPR传感器通常采用单一金属层作为等离子体共振的条件，这种设计在检测低分子量或低浓度的生物分子时表现出一定的局限性。为了克服这一问题，研究者们开始探索将二维（2D）纳米材料引入SPR结构中，以提升其检测性能。这些材料，如石墨烯、黑磷和MXenes等，因其独特的物理化学性质，例如纳米级厚度、高比表面积、高电子迁移率以及量子限域效应，展现出显著的潜力。

其中，过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides，简称TMDCs）因其优异的光学和电子特性而受到广泛关注。TMDCs包括多种材料，如二硫化钼（MoS?）、二硒化钨（WSe?）和二硫化钨（WS?）等。这些材料不仅具有纳米级的厚度，还拥有较大的比表面积和特殊的层间相互作用，使其在增强SPR传感器性能方面表现出色。特别是WS?，作为一种典型的TMDC材料，其高折射率、多孔结构和良好的生物相容性使其在生物传感领域具有独特的应用价值。

基于上述背景，本研究提出了一种基于WS?纳米片的光纤表面等离子体共振（Fiber SPR）生物传感器，旨在提升Hb检测的灵敏度和实用性。该传感器的核心结构由侧向抛光的多模光纤（Side-Polished Multimode Fiber，简称SPMMF）构成，其作为信号光引导的波导层，能够有效地传输和调控光信号。在SPMMF表面，通过沉积一层金薄膜，形成了表面等离子体共振的基础平台。随后，在金薄膜上进一步覆盖WS?纳米片，构建了具有增强性能的复合传感层。WS?纳米片的引入不仅提高了传感器对折射率变化的响应能力，还增强了其对Hb分子的检测灵敏度。

实验结果显示，经过两次WS?纳米片沉积的传感器在折射率检测方面表现出最佳性能，其灵敏度达到了2450.21 nm/RIU，相较于未进行WS?沉积的传感器提升了42%。此外，在Hb检测方面，该传感器在浓度范围为0 mg/mL至10 mg/mL时，实现了6.89 nm/(mg/mL)的共振波长响应，其检测限（Limit of Detection，简称LOD）为0.13 mg/mL，比未使用WS?沉积的对照组提高了64%。这些显著的性能提升主要得益于WS?纳米片的高折射率、较大的比表面积以及多孔结构，这些特性共同作用，增强了传感器对目标物质的响应能力，并改善了光与物质之间的相互作用。

从材料特性来看，WS?纳米片的高折射率使其在SPR传感器中能够有效提高等离子体共振信号的强度，从而提升检测灵敏度。同时，其较大的比表面积为Hb分子提供了更多的吸附位点，有助于提高检测效率。此外，WS?纳米片的多孔结构可以促进样品的扩散，使得Hb分子更容易与传感器表面接触，进一步增强了传感器对目标物质的识别能力。更重要的是，WS?纳米片具有良好的生物相容性，能够有效保护金属薄膜免受氧化，延长了传感器的使用寿命。这种材料的引入，不仅解决了传统SPR传感器在检测低浓度生物分子时的不足，还为实现非侵入式、快速、便携的Hb检测提供了新的思路。

在实验设计方面，本研究采用了一种优化的沉积工艺，通过精确控制WS?纳米片的沉积次数和厚度，实现了对传感器性能的最佳调控。研究团队首先通过侧向抛光技术处理SPMMF，使其具有平坦的表面，便于后续的纳米片沉积。然后，利用物理气相沉积（PVD）方法在SPMMF表面均匀涂覆一层金薄膜，作为等离子体共振的支撑层。最后，在金薄膜上沉积WS?纳米片，形成复合传感层。通过多次实验优化，研究人员确定了最佳的沉积次数为两次，从而获得了最高的灵敏度和最稳定的检测性能。

该传感器的应用场景非常广泛，不仅适用于临床医学中的Hb检测，还能够用于其他生物分子的检测，例如气体、蒸汽和低浓度的生物标记物。这一特点使得该传感器在环境监测、食品安全检测以及生物医学研究等多个领域具有重要的应用价值。此外，由于其无需使用化学试剂，因此在实际应用中更加安全、环保，同时也降低了检测成本，提高了检测的可行性。

在实际操作中，该传感器的检测过程相对简便。首先，将样品溶液引入传感器的传感区域，然后通过外部光源激发SPR信号，利用光谱分析设备检测共振波长的变化。共振波长的变化与样品中Hb的浓度直接相关，因此可以通过分析共振波长的偏移量来确定Hb的浓度水平。整个检测过程可以在短时间内完成，不需要复杂的预处理步骤，也不需要专业的实验室设备，从而满足了便携性和快速性的需求。

从研究意义来看，本研究不仅为Hb检测提供了一种新的技术手段，还推动了光纤表面等离子体共振生物传感器的发展。通过引入WS?纳米片，研究人员成功地提升了传感器的灵敏度，同时保持了其结构的稳定性和生物相容性。这一成果为未来开发更高性能、更广泛适用的生物传感器奠定了基础，也为相关领域的研究提供了新的思路和方法。

此外，本研究还对WS?纳米片在生物传感中的作用机制进行了深入探讨。通过分析WS?纳米片对等离子体共振信号的影响，研究人员发现，WS?纳米片能够显著增强等离子体共振的强度，并延长其响应时间。这种增强效果主要归因于WS?纳米片的高折射率和多孔结构，它们能够有效改变等离子体共振的传播条件，从而提高传感器的整体性能。同时，WS?纳米片的引入还能够减少金属薄膜的氧化风险，使其在复杂环境中具有更好的稳定性。

综上所述，本研究提出了一种基于WS?纳米片的光纤表面等离子体共振生物传感器，成功实现了对Hb浓度的高灵敏度检测。该传感器不仅具有优异的性能，还具备便携、快速和非侵入式等优势，有望在未来应用于临床医学、环境监测和生物研究等多个领域。同时，该研究也为进一步开发基于TMDCs的生物传感器提供了重要的理论支持和技术借鉴，具有广阔的前景和应用价值。