基于Ag/Au双金属与TaSe2杂化结构优化银层厚度以增强表面等离子体共振生物传感器多癌检测灵敏度的研究

《Sensors》：Silver Thickness Optimization for Sensitivity Enhancement in a Surface Plasmon Resonance Biosensor for Multi-Cancer Detection

　　

本研究提出一种基于BK7棱镜耦合双金属（Ag/Au）与二硒化钽（TaSe₂）杂化结构的高灵敏度表面等离子体共振（SPR）生物传感器，用于无标记折射率（RI）传感与生物传感应用。采用传输矩阵法（TMM）考察所提结构的传感性能，同时考虑多种生物传感介质（SM）及等离子体层厚度的影响。为实现最优等离子体耦合，系统研究了Ag层厚度对灵敏度与最小反射率（R_min）的影响。在1.35–1.40的长折射率范围内，于R_min处获得最大灵敏度206.32°/RIU。依据传感层不同，Ag厚度范围为39至42 nm，为多种癌症检测提供更优的共振特性。Basal、HeLa、Jurkat、PC12、MM-231与MCF-7在所研究的生物层中分别于42–39 nm优化Ag厚度下表现出显著的R_min值及最高灵敏度260.49°/RIU、280.13°/RIU、290.24°/RIU、260.49°/RIU、280.13°/RIU与290.24°/RIU。此外，在SM折射率为1.35与1.40时分别获得192.94 nm与181.5 nm的穿透深度（PD）。所提SPR生物传感器因其卓越灵敏度、低共振反射率及增强的检测能力，是生物传感、疾病诊断与实时监测应用的有前景平台。

癌症已成为全球主要致死原因之一，早期检测对降低死亡率具有重要意义。传统单金属SPR结构通常在等离子体耦合强度、光学阻尼、共振线宽与化学稳定性之间存在权衡，Ag虽具有更强的等离子体响应与更高灵敏度，但易氧化，Au虽化学稳定性更佳但阻尼与耦合特性不同。高灵敏度本身并不能保证准确传感，实际性能还取决于半高全宽（FWHM）、检测精度（DA）、表面污染、非特异性吸附与可重复性等因素，且基于折射率的SPR响应本身不具备分子选择性，因此需要合适的表面功能化与生物识别元件。这些局限促使研究人员探索杂化金属与二维材料架构，以同时改善分析物相互作用、场约束、稳定性与等离子体耦合。研究人员提出一种基于BK7棱镜的双金属SPR传感器，将二维TaSe₂层与Ag/Au双金属层相结合，其中Ag层提供强等离子体激发、更高灵敏度与更强电磁场强度，Au层增强结构稳定性并防止Ag氧化，TaSe₂凭借大表面积、优异光学性质与高吸附能力作为活性传感界面增强分析物相互作用。研究采用TMM理论研究所提配置的传感性能，系统考察灵敏度及其他性能指标与不同传感层折射率的关系，并通过优化Ag与Au层厚度评估R_min、FWHM、检测精度、品质因数（FoM）、穿透深度及层厚容差，从而对该杂化配置的理论传感性能进行更全面的评估。研究结果表明，所提传感器表现出增强的共振响应、改善的等离子体耦合与高灵敏度，在无标记折射率传感与癌细胞检测方面具有潜力。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：基于Kretschmann配置的传输矩阵法（TMM）用于模拟多层结构的光传播并计算反射率与灵敏度；采用菲涅耳方程与TMM计算反射曲线；通过特征矩阵法计算各层相位常数与光学导纳；利用电磁场分布公式分析多层SPR结构内的场分布与穿透深度；采用±10%层厚变化评估制备容差。研究中生物传感介质的折射率取值作为理论输入参数，相应百分比值仅用于区分所研究的传感条件，而非实验测量的生物标志物浓度。

研究结果方面，在Ag与Au厚度优化对1.35–1.40范围内癌细胞检测的影响部分，研究人员通过分析不同Ag层厚度与Au层厚度（0–10 nm）下灵敏度与R_min的差异得出，灵敏度随Ag厚度增加先升后因光学阻尼与场穿透减弱而下降，Au厚度从0增至10 nm时灵敏度显著提升，但过厚Au层会限制分子相互作用，优化Ag/Au厚度组合可产生强SPR信号、高灵敏度与低R_min；反射曲线显示共振角随SM折射率升高向高角度移动，Ag与TaSe₂层厚度显著影响共振行为，优化双金属/TaSe₂配置兼具高灵敏度、低R_min与尖锐SPR响应。在Ag厚度对不同癌细胞折射率下灵敏度与R_min的影响部分，研究人员通过分析Basal、HeLa、Jurkat、PC12、MM-231与MCF-7等介质得出，灵敏度随Ag厚度增加至某点后趋于饱和，MCF-7灵敏度最高，R_min在约30–33 nm理想Ag厚度处达到最小，反射曲线显示健康与癌细胞因折射率不同而产生共振角差异，癌细胞因细胞密度增大、形态改变与胞内生物分子浓度升高而具有更高折射率，从而产生更大共振角偏移以实现更好区分，且灵敏度随细胞折射率升高而增大。在与传统结构比较部分，研究人员通过在相同仿真条件下比较Ag/SM、Ag/Au/SM与Ag/TaSe₂/SM结构得出，Ag/Au/SM结构在所研究Ag厚度范围内灵敏度最高，Ag/TaSe₂/SM次之，均优于传统Ag/SM结构，但Ag/SM结构检测精度与FoM最高，表明引入Au或TaSe₂在提升灵敏度的同时也改变了FWHM与DA。在归一化电场与SPP模式分析部分，研究人员通过分析不同Au厚度下的电场分布得出，SP模式激发表现为Ag/Au/TaSe₂–SM界面附近电场的急剧增强，场强在界面附近强局域并随进入SM距离逐渐衰减，Au厚度是耦合入射光场与表面等离子体模式的重要因素，超薄TaSe₂层凭借高载流子迁移率、强光-物质相互作用与丰富活性位点进一步增强电场强度，在SM折射率1.36与1.40处分别获得192.4 nm与181 nm的穿透深度，二维与三维电场分布证实电磁能量在Ag、Au与TaSe₂层中强烈集中。在制备、稳定性、可重复性与误差可行性部分，研究人员通过示意图展示制备流程并分析±10%层厚变化下的反射响应得出，可采用物理气相沉积（PVD）等方法沉积Ag与Au层，并采用机械剥离、液相剥离或化学气相沉积（CVD）等方法转移或沉积超薄TaSe₂层，Au涂层可屏蔽Ag免受氧化与腐蚀，TaSe₂层增强结构稳定性，±10%层厚变化下共振角与R_min仅轻微变化而整体SPR响应保持稳定，灵敏度在191.68至221.16°/RIU范围内表现出良好容差，证实传感器稳健性与实际制备可行性。在当前工作的局限性部分，研究人员指出本研究主要依赖理论TMM，所提结构尚未制备与表征，理论模型的光学常数可能不同于实验沉积薄层，当前模型未模拟分析物特异性分子识别、吸附动力学、生化结合或表面功能化，因此所报道结果应理解为基于折射率传感性能的理论预测而非选择性癌症生物标志物检测的直接实验证据。在与已报道SPR传感结构性能比较部分，研究人员得出所提杂化SPR配置灵敏度达290.24°/RIU，显著高于已报道结构的178至263.57°/RIU范围，双金属与TaSe₂层增强了传感界面的分析物相互作用、等离子体耦合与电磁场约束。

讨论部分总结指出，虽然所提Ag/Au/TaSe₂配置表现出改善的电磁场约束与折射率灵敏度，但当前模型未描述分子识别或癌症特异性生物标志物结合，仿真使用SM有效折射率值，表明所提结构可检测折射率变化而非特定癌症生物标志物；材料稳定性本身不能保证实际生物传感中重复测量的稳定基线，蛋白质及其他生物分子可能发生非特异性吸附而改变局部折射率并引起与目标分析物无关的共振偏移，可通过再生方案、受控洗涤程序、抗污策略与合适的表面功能化减轻这些效应；当前理论模型未明确包含生物分子污染、基线漂移、再生循环或时间依赖性降解，未来研究应在代表性生物条件下纳入重复传感与再生循环以实验评估再生性能与长期稳定性。研究结论部分翻译如下：为改善生物传感应用，研究人员采用TMM理论研究了高灵敏度SPR传感器。针对多种生物传感层，系统评估了Ag层厚度对灵敏度、DA与FoM的影响。研究结果表明，优化传感界面处的等离子体激发、共振尖锐度与电磁场分布关键取决于Ag厚度。SM的折射率受Ag厚度影响。在所评估的生物层中，Basal、HeLa、Jurkat、PC12、MM-231与MCF-7在42–39 nm优化Ag厚度下分别表现出最佳R_min值与最高灵敏度260.49°/RIU、280.13°/RIU、290.24°/RIU、260.49°/RIU、280.13°/RIU与290.24°/RIU。此外，在SM折射率为1.35与1.40时分别获得192.94 nm与181.5 nm的穿透深度。引入Au层提高了Ag等离子体层的稳定性与耐久性，而TaSe₂层增强了传感界面处的分子相互作用与场约束。优化后的杂化结构在改善的DA、低R_min值与高灵敏度之间取得平衡。对于先进生物传感应用，如癌细胞检测、生物分子分析与实时折射率监测，该SPR平台具有巨大潜力。其在实际集成传感系统中的适用性可通过未来实验测试进一步验证。