基于低维碳材料的SPR生物传感器，用于检测尿液中的微量葡萄糖

《Sensing and Bio-Sensing Research》：SPR biosensors based on low-dimensional carbon materials for trace urine glucose

表面等离子体共振（SPR）传感器在非侵入式尿糖检测中的应用受低维碳涂层和金属堆叠选择的影响显著。本文通过传输矩阵模型，比较了石墨烯、半导体单壁碳纳米管（s-SWCNT）、石墨烯氧化物（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）在CaF?/Cu/Si?N?结构上的性能，分析其对折射率变化的灵敏度、共振线宽和检测精度。研究发现rGO提供最高灵敏度但线宽较宽，GO则具有最窄线宽和最高检测精度，而石墨烯和s-SWCNT在两者间取得平衡。优化了金属层厚度和Si?N?间隔层，确定了不同涂层的最佳工作参数。研究为铜基SPR传感器设计提供了统一框架和定量规则，适用于痕量尿糖检测。

　　
本文针对铜基表面等离子体共振（SPR）传感器在微量尿液葡萄糖检测中的应用展开系统性研究，重点评估了石墨烯、单壁碳纳米管（s-SWCNT）、石墨烯氧化物（GO）和还原石墨烯氧化物（rGO）作为传感层材料的性能差异。研究基于理论模型和数值模拟，构建了标准化CaF?/Cu/Si?N?/(低维碳材料)/尿液检测体系，通过调整金属层厚度、间隔层厚度及低维材料厚度，揭示了不同材料对传感器性能的影响规律，并提出设计优化方案。

### 1. 研究背景与意义
非侵入式血糖监测是SPR技术的重要应用方向。传统SPR传感器多采用金或银作为金属基板，但铜基材料因更强的电磁场局域特性，在检测低浓度 analyte（分析物）时展现出独特优势。本研究聚焦于临床尿液葡萄糖浓度阈值（0.015-0.225 g/dL）对应的微小折射率变化（Δn≈4.6×10?? RIU），探索铜基平台上四种低维碳材料的综合性能，旨在为临床实用的血糖检测系统设计提供理论依据。

### 2. 研究方法与模型
采用转移矩阵模型（TMM）进行数值模拟，固定工作波长为633 nm（常见红光波长），构建CaF?棱镜-铜薄膜-Si?N?间隔层-低维碳材料-尿液检测层的标准化系统。模型通过有效介质近似（EM）处理多层复合结构，将低维材料的宏观光学特性（折射率实部与虚部）和厚度参数化，避免微观结构差异对结果的影响。性能指标包括：
- **灵敏度（S_RI）**：Δθ/Δn，衡量角度偏移对折射率变化的响应
- **检测准确度（DA）**：Δθ/FWHM，反映角度偏移与线宽的比值
- **品质因子（QF）**：1/FWHM（°?1），表征共振峰尖锐程度
- **检测限（LoD）**：δθ/(αS_RI)，结合灵敏度与检测精度

### 3. 关键研究结果与性能对比
#### 3.1 材料选择与基础性能
研究对比了四种低维碳材料的光学特性：
- **rGO**：高折射率（n≈2.75）和显著光学损耗（k≈0.41），产生最大角度偏移（Δθ≈3.87°）但线宽较宽（FWHM≈3.57°）
- **GO**：低折射率（n≈1.27）和极低损耗（k≈0.004），形成最窄线宽（FWHM≈1.38°）但灵敏度最低
- **石墨烯与s-SWCNT**：折中性能，灵敏度介于GO和rGO之间，线宽约2.8-3.0°

#### 3.2 金属层厚度优化
铜层厚度（30-55 nm）显著影响传感性能：
- **灵敏度提升**：随着厚度增加，所有材料系统灵敏度均提升（Sys?最高达333.36°/RIU）
- **线宽变化**：GO系统在55 nm厚度时线宽收窄至1.38°，而rGO系统线宽最宽（3.57°）
- **最佳工作区间**：
- **rGO**：45-55 nm厚度时，Δθ达3.87°，衰减率＞90%，但线宽仍较宽
- **GO**：30-50 nm厚度时，DA＞1.05，QF＞190
- **石墨烯与s-SWCNT**：50-55 nm厚度平衡灵敏度与线宽（S_RI≈280-290°/RIU，FWHM≈2.2°）

#### 3.3 间隔层厚度调控
Si?N?厚度（5-30 nm）通过改变场分布影响耦合效率：
- **5-10 nm区间**：GO系统（Sys?）在10 nm厚度时达到最大Δθ（10.5°），同时保持线宽＜3°
- **＞15 nm厚度**：多数系统进入过耦合状态（FWHM＞20°），仅rGO（Sys?）在25-30 nm厚度时线宽恢复至20°左右
- **优化方案**：推荐10 nm间隔层（Sys?-Sys?）或25-30 nm（Sys?），兼顾角度响应与检测精度

#### 3.4 薄膜厚度精细调整
针对rGO系统，厚度优化（1.41-6.8 nm）显示：
- **L2厚度（约2.04 nm）**：Δθ峰值4.81°，FWHM≈4.27°，检测限LoD≈1.5×10?? RIU
- **L6厚度（约5.76 nm）**：尽管Δθ降至1.08°，但检测限恶化至8.2×10?? RIU

#### 3.5 实际检测性能评估
在0.015-0.225 g/dL浓度范围内：
- **最高灵敏度**：rGO系统（Sys?）S_RI≈333°/RIU，对应检测限LoD≈1.5×10?? RIU
- **最佳检测精度**：GO系统（Sys?）DA≈1.05，QF≈193°?1
- **综合性能平衡**：s-SWCNT系统（Sys?）在0.225 g/dL时QF达94.8°?1，优于多数金基传感器

### 4. 与现有技术的对比分析
| 指标 | 本文rGO系统 | 文献[10]Ag/BlueP-WS? | 文献[11]Ag/BaTiO? |
|-----------------|-------------|-----------------------|--------------------|
| 灵敏度（°/RIU） | 333.36 | 435.00 | 348.00 |
| QF（°?1） | 77.63 | 82.70 | 102.66 |
| DA | 0.423 | 0.19 | 0.30 |
| 检测限（g/dL） | 0.015 | 0.02 | 0.05 |

结果表明：
1. **灵敏度**：rGO系统（333.36°/RIU）接近银基最高值（435°/RIU），但略低
2. **检测精度**：GO系统（QF≈193°?1）显著优于现有金基平台（最高QF≈102.66°?1）
3. **检测限**：本文系统检测限（0.015-0.022 g/dL）优于多数文献报道（0.02-0.05 g/dL）

### 5. 设计规则与工程启示
#### 5.1 材料选择策略
- **高灵敏度需求**：优先选择rGO（如Sys?），其厚度需控制在1.41-2.04 nm（实验推荐值）
- **高精度需求**：采用GO（Sys?），厚度2.55 nm时QF＞190°?1
- **工程平衡方案**：s-SWCNT（Sys?）在2.04 nm厚度时QF≈95°?1，且厚度容错性＞±0.5 nm

#### 5.2 厚度参数优化路径
1. **铜层厚度**：建议30-55 nm范围内按材料特性选择
- rGO：55 nm（Δθ=2.69°）
- GO：50 nm（Δθ=1.60°）
- 石墨烯/s-SWCNT：55 nm（Δθ≈1.9°）
2. **间隔层厚度**：5-10 nm优先
- GO系统推荐10 nm厚度（Δθ=6.8°）
- rGO系统需25-30 nm厚度（Δθ=12.05°）
3. **低维层厚度**：
- 石墨烯：0.34 nm（固定值）
- s-SWCNT：2.04 nm（固定值）
- rGO：建议优化厚度2.04 nm（对应实验值1.41 nm±30%）

### 6. 技术局限性与改进方向
1. **模型简化局限**：
- 有效介质近似未考虑实际薄膜的孔隙率（石墨烯层真实孔隙率＞15%）
- 忽略低维材料堆叠结构导致的折射率各向异性
2. **材料稳定性问题**：
- 铜在尿液中易发生氧化（实验显示30 nm厚度Cu在5分钟内氧化速率＞2%）
- 建议添加2 nm厚氮化硼（h-BN）作为钝化层
3. **检测机制待完善**：
- 未建立血糖浓度与折射率变化的非线性修正模型
- 需开发特异性生物标记层（如抗葡萄糖抗体修饰）

### 7. 临床应用价值评估
该设计在以下场景具有优势：
- **早期糖尿病筛查**：检测限0.015 g/dL可识别亚临床血糖异常
- **连续监测可行性**：Δθ与检测限随浓度变化率＜5%，满足连续监测需求
- **操作便捷性**：铜基平台兼容现有SPR设备（角分辨率0.1°可达）

### 8. 结论与展望
本研究证实：
1. 铜基SPR平台在微量检测中具有与金/银基相当的性能
2. rGO与GO分别代表高灵敏度与高精度设计的最优解
3. 优化后的Sys?（GO）系统在检测精度（DA≈1.05）和QF（193°?1）上达到国际领先水平

未来研究应着重：
- 开发Cu基抗腐蚀钝化层（如TiO?/SiO?复合涂层）
- 引入特异性生物分子标记（如葡萄糖氧化酶）
- 构建浓度依赖的动态补偿模型
- 实验验证有效介质假设的适用边界（Δn＜10?3 RIU）

该研究为临床实用的非侵入式血糖监测系统提供了关键设计参数和材料选择依据，特别在微流控芯片集成和便携式设备开发方面具有重要指导价值。