基于TiO2 -FG异质结构的近红外表面等离子体共振传感器：性能优化与生物传感应用

研究人员针对传统表面等离子体共振（SPR）传感器性能受限问题，提出了一种基于铝（Al）-二氧化钛（TiO2 ）-氟化石墨烯（FG）异质结构的新型传感器。通过优化多层材料组合与几何参数，该传感器在1550 nm波长下实现了462.8 RIU?1 的超高品质因数（FOM），为血红蛋白（Hb）浓度检测等生物医学应用提供了高灵敏度解决方案。

　　

在当今生物传感技术快速发展的背景下，表面等离子体共振（SPR）传感器因其无需标记、高灵敏度和实时检测等优势，成为生物分子相互作用研究的重要工具。然而，传统SPR传感器仍面临性能瓶颈：金（Au）和银（Ag）等贵金属成本高且易氧化，而常用二维材料如黑磷（BP）和MXene稳定性差，导致传感器品质因数（FOM）难以突破200 RIU^?1
。尤其在血红蛋白（Hb）浓度检测领域，现有技术如分光光度法灵敏度不足，无法满足临床对贫血等疾病的精准诊断需求。

为解决这些问题，来自国内某研究机构的研究团队在《Optik》发表了一项创新研究。他们设计了一种基于铝（Al）-二氧化钛（TiO₂
）-氟化石墨烯（FG）异质结构的SPR传感器，通过材料组合优化和几何参数调控，实现了FOM值高达462.8 RIU^?1
的突破性性能，较现有技术提升超5倍。

研究采用三项关键技术：1）转移矩阵法（TMM）计算多层结构光学响应；2）有限元法（COMSOL Multiphysics）验证仿真结果；3）角度 interrogation（角度扫描）技术分析反射光强变化。研究团队首先对比了BK₇
、CaF₂
等棱镜材料，筛选出最佳光耦合基底；随后优化了Al金属层厚度以平衡辐射阻尼效应；最后通过TiO₂
与TiSi₂
的介电性能比较，选定高折射率、低损耗的TiO₂
作为介电层。

传感器结构设计
研究采用Kretschmann棱镜耦合构型，p偏振光以1550 nm波长入射。通过TMM计算发现，Al-TiO₂
-FG三层结构在近红外区（NIR）具有更强的等离子体共振效应，FG的高比表面积和可调氟化度显著提升了生物分子吸附效率。

结果与讨论
以水为分析物时，传感器在折射率变化Δn_a
=0.01下表现出69.50°和70.70°的双共振峰，FOM达442.68 RIU^?1
。进一步应用于Hb浓度检测时，传感器对120-160 g/L浓度范围的Hb表现出线性响应，灵敏度为4°^?1
，优于传统SPR传感器5倍以上。误差分析表明，纳米薄膜厚度偏差在±5%范围内时，FOM波动小于3%，证实了设计的工艺容错性。

结论
该研究通过Al-TiO₂
-FG异质结构的协同优化，创造了目前SPR传感器领域的最高FOM记录（462.8 RIU^?1
）。TiO₂
的介电增强效应与FG的分子捕获能力相结合，为贫血诊断、病原体检测等生物医学应用提供了新范式。研究团队特别指出，该设计仅需三层材料即可实现性能突破，大幅降低了制造复杂度，具有显著的产业化潜力。

这项工作的意义不仅在于性能指标的突破，更开创了"低成本金属+介电层+可调二维材料"的新型SPR传感器设计范式。未来通过替换FG表面的功能团，该平台可扩展至癌症标志物、病毒抗原等更多生物分子的超灵敏检测领域。