《Microchemical Journal》：SPR-PCF sensor with internal arc-shaped microchannels for precise sucrose concentration detection
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本文提出了一种基于表面等离子体共振（SPR）的光子晶体光纤（PCF）蔗糖浓度检测传感器，通过内部金涂层增强光-物质相互作用。仿真显示其最大波长灵敏度46,190.47 nm/RIU，振幅灵敏度1930.98 RIU?1，检测分辨率9.33×10?7 RIU，适用于食品、制药和生物医学领域的蔗糖浓度精准检测。
Srishti Singh | Dharmendra Kumar | Vijay Shanker Chaudhary | Santosh Kumar
印度北方邦戈勒克布尔市Madan Mohan Malaviya技术大学电子与通信工程系
摘要
本研究提出了一种基于光子晶体纤维（PCF）和表面等离子体共振（SPR）技术的蔗糖浓度检测传感器，该传感器具有内部传感机制。在固体核心圆形晶格上的弧形微通道内沉积了一层金，以增强光与物质的相互作用。通过有限元方法（FEM）评估了传感器在0%至50%蔗糖浓度范围内的性能。仿真结果显示，该传感器具有最高的波长灵敏度（WS）为46,190.47 nm/RIU、振幅灵敏度（AS）为1930.98 RIU?1以及极低的检测分辨率（9.33 × 10?? RIU），展现了出色的性能。此外，制造可行性分析表明，即使晶格间距、金属层厚度和圆形空气孔直径存在±5%的变化，传感器也能保持结构稳定性。因此，这种高灵敏度且制造耐受性强的传感器成为食品、制药和生物医学行业中检测蔗糖浓度的理想工具。
引言
蔗糖，即白糖，天然存在于甜菜和甘蔗等植物中。它被广泛用于商业和生物应用中，是最常见的碳水化合物之一[1]。蔗糖直接影响产品质量、生化反应以及代谢活动（如发酵效率和营养价值）。因此，准确测量溶液中的蔗糖浓度对于食品加工、制药和生物医学行业至关重要。在医学领域，蔗糖被用作诊断指标来评估肠道和十二指肠的通透性。由于蔗糖通常在这些消化道中不被吸收或仅被少量吸收，其大量存在表明可能存在通透性增加（如炎症或肠道渗漏综合征）。因此，准确且灵敏的蔗糖水平测量对于早期诊断非常重要[2][3]。这种检测有助于医生诊断影响肠道内壁的疾病，如乳糜泻、克罗恩病或其他胃肠道疾病。许多患者在出现严重并发症之前可能没有症状。传统的诊断方法（如活检和内镜检查）虽然有效，但具有侵入性，并不适合大规模筛查。基于SPR的PCF传感器提供了一种快速、无创的替代方案，能够高灵敏度地检测血液或尿液中的蔗糖吸收情况。
基于SPR的传感器因其能够实时检测周围介质的折射率（RI）变化而受到广泛关注[4]。它们具有出色的灵敏度、快速响应、高精度以及无需标记的操作方式，并且不受电磁干扰的影响。这些特性使得它们非常适合用于化学和生物传感应用，例如医学诊断、环境监测、食品安全和保障等领域，这些领域要求即时且准确的检测而无需样品预处理[5]。SPR是一种在金属和电介质界面发生的共振振荡现象，其独特的光学机制基于p偏振光的衰减场与金属表面自由电子的相互作用。当满足相位匹配条件时，会激发表面等离子体波（SPW），这使得共振条件对分析物RI的变化非常敏感。由于蔗糖溶液的RI与其浓度呈线性关系，SPR成为检测蔗糖浓度的理想技术。将SPR与PCF技术结合使用，可以实现紧凑、高灵敏度和可调的检测功能，使其成为工业和生化蔗糖监测领域的有前景的方法。PCF（有时也称为微结构或“多孔”光纤）由实心或空心核心组成，核心周围环绕着轴向排列的空气孔[6]。其独特的微结构几何形状允许精确控制光传播、模式特性以及引导模式与等离子体表面的相互作用。通过调整空气孔的大小、排列和核心设计，基于SPR的PCF传感器能够实现更高的检测精度和波长灵敏度，从而增强了等离子体界面处的衰减场限制[7]。在传感器制造过程中，内部和外部金属涂层技术是沉积等离子体层的两种方法[9]。内部涂层技术通过将金属层和分析物引入PCF的空气孔中，增强了光与物质的相互作用，从而提高了传感器的灵敏度[10][11]；而外部涂层方法则将金属层沉积在光纤的外表面，简化了制造过程，但减少了相互作用面积[12][13][14]。对于基于SPR的传感器，选择机械稳定性强且化学反应性低的材料作为金属涂层，以确保耐用性和有效控制光反射[15]。贵金属（如金和银）因其高自由电子密度和强的光学响应而被广泛用作等离子体材料，这使得它们对蔗糖浓度变化引起的折射率变化非常敏感。近年来出现了许多用于不同分析目的的SPR-PCF传感器；然而，针对蔗糖浓度检测的专门研究仍然较少。Sarker和Faisal开发了一种基于二氧化硅核心和带有倾斜矩形空气孔的PCF传感器，并在外部涂覆TiO?–Au等离子体层，用于检测0–45%范围内的蔗糖浓度[16]。该传感器的最大波长灵敏度为19,191.9 nm/RIU，振幅灵敏度为171.61 RIU，分辨率为9.50×10?? RIU。Monazah和Salehi开发了一种花形镀金SPR-PCF传感器，用于检测1.33–1.40 RI范围内的血红蛋白和蔗糖，通过增强核心中的场限制效应实现了11,000 nm/RIU的波长灵敏度[17]。Alhamss等人发表了一种基于THz范围的PCF传感器，用于检测1.345–1.442 RI范围内的水溶液中的蔗糖浓度[18]。该设计利用简单的矩形腔体阵列通过衰减场增强光与分析物的相互作用，在2.8 THz时对70 g/100 ml的蔗糖浓度实现了99.514%的相对灵敏度，同时保持了较低的有效材料和限制损失。Wang等人报道了一种基于PCF-SPR的生物传感器，通过不连续蔗糖梯度离心法根据折射率差异检测非生理细胞的密度变化[19]。该传感器的几何结构包括三层六边形分布的圆形空气孔和内部镀金的分析物通道，以促进等离子体相互作用。其最大波长灵敏度为9000 nm/RIU，在1.33至1.53 RI的分析物浓度范围内实现了1.11×10?? RIU的分辨率。
目前大多数用于蔗糖浓度监测的基于SPR的PCF传感器采用外部涂层或复杂的非对称结构，因此存在光与物质相互作用弱和制造一致性差的问题。此外，已报道的传感器仅具有较低的波长灵敏度和检测分辨率，限制了它们在高精度生物化学和食品质量监测中的应用。这些限制凸显了开发更好SPR-PCF传感器的必要性。这种传感器必须提供超高灵敏度和宽范围检测能力，同时保持简单的制造工艺。为了解决这一问题，本研究提出了一种新型SPR-PCF传感器，其在包层区域内部具有镀金的弧形微通道，用于精确检测蔗糖浓度。通过对这种设计的数学评估，确保了其在检测蔗糖浓度方面的高精度。该传感器的独特架构显著提高了波长和振幅灵敏度。这些改进，加上在宽浓度范围内的极低检测分辨率，使其具有新颖性和实际应用价值。
几何建模
图1展示了所提出的SPR-PCF传感器的几何结构。为了清晰起见，不同的几何部分用不同的颜色表示。该传感器采用三层非对称包层结构，包含八个弧形孔和十个直径分别为d?和d?的圆形孔。四个内部弧形孔作为分析物通道，用于引入蔗糖溶液进行测试。
操作方法和结果讨论
对于所提出的几何结构，选择熔融石英作为基底材料。石英的材料色散通过Sellmeier方程确定[20]。
