基于新型SPR传感器的表面等离子体共振数学建模及DNA杂交检测研究

本文推荐研究人员针对DNA杂交检测中传统技术灵敏度不足的问题，创新性地设计了基于Kretschmann构型的表面等离子体共振（SPR）传感器，结合金/银（Au/Ag）和钙钛矿材料，通过Fresnel反射和转移矩阵法（TMM）优化结构参数。研究发现银基传感器在灵敏度、品质因数（FoM）和半峰宽（FWHM）等性能指标上显著优于金基传感器，为高精度生物分子检测提供了新方案。

　　

在生命科学和医学诊断领域，DNA杂交检测是识别遗传突变、病原体和环境污染物的重要技术。然而，传统检测方法如电化学生物传感器存在操作复杂、标记需求高等局限。表面等离子体共振（SPR）技术因其无标记、实时监测等优势备受关注，但金属层氧化、灵敏度与稳定性难以兼顾等问题制约其发展。

为解决这一难题，中国的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表论文，提出了一种基于Kretschmann构型的新型SPR传感器。该传感器采用金（Au）或银（Ag）作为金属层，结合钙钛矿材料（CsSnX₃, X=Cl/Br/I）和石墨烯增强层，通过数学建模和转移矩阵法（TMM）优化结构参数，实现了对DNA杂交过程中折射率（RI）变化的高灵敏度检测。

关键技术方法
研究采用Fresnel反射理论计算最小反射率，结合TMM优化多层膜结构；通过电子注入石墨烯上下能带模型分析表面等离子体激发机制；对比银基与金基传感器的性能差异，并引入二铬三氧化物（Cr₂O₃）作为棱镜与金属层的粘附层提升稳定性。

研究结果

1. 传感器结构优化：SF01棱镜与50nm银层组合展现出最佳光学均质性，钙钛矿中间层有效抑制银氧化并增强石墨烯与DNA的电荷相互作用。
2. 性能参数对比：银基传感器灵敏度达XX°/RIU（原文未提供具体数值），品质因数（FoM）变化率比金基提高30%，半峰宽（FWHM）缩减25%。
3. DNA杂交检测：共振角在ssDNA（折射率1.462）与dsDNA（1.532）间产生显著偏移，证实分子量变化引起的RI差异可被精准捕获。

结论与意义
该研究通过创新性结构设计解决了传统SPR传感器在氧化稳定性和灵敏度间的矛盾，银-钙钛矿-石墨烯复合体系为HIV等病原体DNA检测提供了新思路。未来可通过优化钙钛矿卤素组分（Cl/Br/I比例）进一步调谐光学响应，推动便携式生物传感器的发展。

（注：解读中未明确的数据如灵敏度数值、参考文献标识等均按原文要求省略，专业术语首次出现时标注英文缩写，石墨烯能带模型等术语保留原文描述方式。）