通过基于氧化石墨烯的表面等离子体共振（SPR）架构中的金属薄膜来优化尿液葡萄糖传感性能

《Frontiers in Nanotechnology》：Tuning urine glucose sensing via metal films in graphene-oxide-based SPR architectures

本研究通过理论模拟和计算优化了基于SF6棱镜的金属/Si3N4/GO多层表面等离子体共振（SPR）传感器，系统比较了Au、Ag、Cu、Al四种金属的灵敏度、分辨率和检测准确性。结果表明：Au灵敏度最高（75° RIU?1），但共振线宽最宽（4.21°）；Ag、Cu、Al因窄线宽（0.47°-1.63°）和较高检测准确度（1.80-1.92）更适合角分辨检测。优化参数为Ag/Au 50nm、Cu 55nm、Al 40nm，Si3N4 15nm，GO 5.10nm，在0.015-10g/dL浓度范围内实现线性Δθ-RI响应（R2≈0.96-0.97），为尿葡萄糖检测提供了明确的制造参数和金属性能图谱。

　　本研究探讨了基于氧化石墨烯（GO）的表面等离子体共振（SPR）结构在尿液葡萄糖（UGLU）检测中的性能表现。通过采用固定架构（SF6/金属/Si3N4/GO）并在633 nm波长下进行分析，我们旨在明确等离子体金属（如金、银、铜和铝）在尿液葡萄糖检测中的关键作用。研究通过转移矩阵模拟，并与参考SPR数据进行对比验证，从而识别出各层的厚度窗口，并评估其在临床相关浓度梯度下的角度响应。金属的选择不仅影响共振角度的变化，还决定了灵敏度、分辨率和检测精度。在保持其他层不变的前提下，通过对比不同金属的特性，我们发现金（Au）提供了最大的共振角度变化和最高的灵敏度，而铜（Cu）和铝（Al）则表现出最窄的共振宽度，从而提升了检测的准确性和品质因子（QF）。银（Ag）则在灵敏度和分辨率之间取得了平衡，显示出较深的共振谷值。这些趋势在所研究的UGLU浓度范围内保持稳定，表明在固定角度噪声条件下，单纯提高灵敏度并不一定能最大化检测分辨率。

研究中提出的实验可行路径包括使用低温沉积的Si3N4层、纳米级的GO涂层以及超薄的介电帽层以保护基础金属。此外，还提出了应对尿液基质效应的策略，并为选择性操作（如酶或受体层）提供了可能的路径。研究结果不仅提供了可直接用于制造的参数建议，还绘制了一种金属依赖的设计图，适用于尿液基SPR传感。在具备分散数据的情况下，该设计也可扩展到多波长检测。

尿液葡萄糖是临床上用于筛查和监测血糖稳态紊乱的重要指标。当血糖浓度超过肾脏阈值时，会出现葡萄糖尿，即滤过的葡萄糖未能被完全重吸收。尽管个体间的阈值存在差异，但0.18 g dL?1左右的值较为常见。常规的尿液葡萄糖检测方法依赖于彩色试纸，这些试纸通过葡萄糖氧化酶/过氧化物酶反应与指示染料结合，从而实现定性或半定量的检测。然而，这种方法受到基质干扰、动态范围有限以及半定量读数可能漏检低浓度葡萄糖尿或在高浓度时出现饱和的限制。因此，有必要开发互补的方法，以提高灵敏度同时保持操作的简便性。

光学生物传感，尤其是表面等离子体共振（SPR）技术，为无标记、实时检测提供了方法，能够通过金属/介电界面附近的折射率（RI）扰动实现定量分析。在棱镜耦合的Kretschmann–Raether配置中，偏振光束通过金属薄膜的倏逝场激发表面等离子体极化子（SPPs），从而在角度或波长上实现共振，使检测成为可能。对于葡萄糖水溶液，其折射率随浓度线性增加，为角向SPR检测提供了一个良好的替代指标。

棱镜材料是耦合效率和角度分辨率的关键变量。虽然许多实现采用BK7或其他冕玻璃，但高折射率的火石玻璃如SCHOTT N-SF6（n ≈ 1.799 at 632.8 nm）则能够提供更大的平面波矢量，从而实现更小的入射角度和更窄的共振谷，这有助于提高角度检测的图示化指标。同时，金属的选择对耦合和损耗具有显著影响。金（Au）因其化学稳定性和生物相容性仍然是主要选择，但其带间吸收会扩展共振。银（Ag）通常会产生更尖锐、更深的谷，但容易氧化或硫化。铜（Cu）在保护或与薄介电材料结合时，重新成为一种有前景的等离子体金属，提供具有竞争力的分辨率。铝（Al）则因其在可见/紫外波段的应用以及CMOS兼容性而受到关注，但其原生氧化物和较高的阻尼效应需要通过堆叠设计加以管理。

为了进一步调节场的约束并减轻阻尼，可以通过薄层高折射率介电材料来控制棱镜模式与SPP之间的相位匹配。硅氮化物（Si3N4）因其较高的折射率、较低的光学损耗和良好的薄膜形成能力，成为这种角色的热门选择。最近的设计表明，仅需几纳米厚的Si3N4层即可在不牺牲耦合的前提下，使共振角的谷变得更尖锐并调整其工作范围。

有趣的是，在功能/亲和界面中，氧化石墨烯（GO）相比原子薄的二维晶体（如石墨烯及其衍生物）具有实际优势。GO提供了丰富的含氧官能团（环氧、羟基和羧基），这些官能团有助于酶和受体的共价或非共价固定，且可通过可扩展的湿法沉积技术覆盖大面积，同时由于其高表面积而增强了吸附能力，这对于构建稳定、可再生的UGLU接口非常有利。因此，GO修饰的等离子体堆叠结构成为平衡灵敏度、可制造性和化学稳定性的合理选择。

基于此，本研究首次提出了基于SPR的UGLU检测架构，并在633 nm波长下采用角向检测方法进行理论和计算设计探索。我们采用高折射率的SF6棱镜作为耦合器，并在保持其他层不变的情况下，对Ag、Au、Cu和Al等金属进行了系统的对比研究。Si3N4层用于调节耦合并提供保护/粘附作用，而GO层则作为未来受体固定的功能平台。通过转移矩阵方法（TMM）对多层堆叠进行光学响应计算，以量化共振角偏移、全宽度半高（FWHM）、角度灵敏度（Sθ）、检测精度和综合图示化指标。

通过将等离子体金属与固定架构SF6/metal/Si3N4/GO分离，我们明确了金属对耦合强度、损耗和传感性能的影响。优化后的配置揭示了高折射率耦合和GO功能界面如何抵消金属依赖的损耗，并扩展UGLU的可用动态范围。这些分析在制造之前进行，有助于降低后续实验的风险，并为实际SPR生物传感器的合成和测试提供明确的材料选择和厚度窗口。因此，Ag、Au、Cu和Al的比较评估，结合Si3N4层和GO功能层，为从低到高UGLU水平的性能范围绘制了清晰的图谱，并为台面实验提供了明确的基础。

研究采用了转移矩阵模型，并通过与参考数据的对比验证，确保了模型的准确性。随后，我们将分析的参数集用于优化SF6/metal/Si3N4/GO堆叠结构。金属层的厚度对共振特性具有重要影响，我们发现不同金属的厚度变化导致共振角偏移、灵敏度和宽度的显著差异。通过调节Si3N4层的厚度，我们进一步优化了共振特性，使其在保持高灵敏度的同时，实现了更小的残留反射率和更窄的共振宽度。GO层的厚度也对共振特性产生影响，我们发现其厚度变化导致共振角偏移和灵敏度的变化，同时保持了低残留反射率和稳定的共振宽度。

在UGLU浓度变化的背景下，我们评估了不同金属的传感性能。结果显示，金属厚度对共振角偏移和灵敏度有显著影响，而Si3N4和GO层的优化则有助于实现更小的残留反射率和更窄的共振宽度。在浓度梯度下，Au提供了最大的共振角偏移和灵敏度，但其共振宽度较宽，导致检测精度较低。Ag和Cu则在灵敏度和分辨率之间取得了平衡，显示出较深的共振谷和较窄的共振宽度，从而提高了检测精度。Al和Cu的共振宽度最窄，因此在高精度检测中表现出色。

通过对比不同金属的性能，我们发现Au在灵敏度方面具有优势，而Cu和Al在检测精度和品质因子方面表现更佳。Ag则在灵敏度和分辨率之间取得了平衡。这些特性在所有浓度范围内保持稳定，表明金属的选择对共振特性具有决定性影响。因此，本研究不仅提供了适用于尿液基SPR传感的制造参数，还明确了不同金属在灵敏度和分辨率方面的优劣，为未来研究提供了重要的参考依据。