利用铋铁氧体和MXene功能层增强表面等离子体共振传感技术 Rajeev Kumar, Lalit Garia, Chang-Won Yoon, Mangal Sain

《Physchem》：Enhanced Surface Plasmon Resonance Sensing Using Bismuth Ferrite and MXene Functional Layers Rajeev Kumar, Lalit Garia, Chang-Won Yoon and Mangal Sain

　　摘要：本研究采用铋铁氧体（BiFeO3）和MXene（Ti3C2Tx）设计了一种表面等离子体共振（SPR）生物传感器，旨在提高633纳米波长下的灵敏度。其中，MXene作为生物识别元件（BRE）层，确保了生物分子的稳定可靠吸附。MXene是一类具有类金属导电性的二维（2D）材料，具有较大的表面积，能够吸附生物分子，并提高生物相容性。通过添加导电的2D MXene层和高折射率的BiFeO3介电层，显著增强了传感界面的光-物质相互作用和衰减场穿透能力。反射率分析表明，随着分析物折射率（RI）的增加，共振角度出现了明显且一致的变化，这表明了强烈的等离子体耦合。本研究考察了在优化后的银（Ag）和BiFeO3层厚度下的灵敏度。当银层厚度为39纳米、BiFeO3层厚度为3纳米时，获得了最大灵敏度340.68°/RIU，以及显著的优值（FoM）47.38/RIU。尽管半高宽（FWHM）略有增加，但整体检测精度（DA）和FoM得到了显著提升。此外，所提出的结构实现了198.50纳米（在RI:1.330时）和199.52纳米（在RI:1.335时）的穿透深度（PD）。由于其高灵敏度、可重复性和可靠性，该SPR生物传感器具有在生物化学、环境和医学检测中的应用潜力。

1. 引言
抗原、抗体或病毒蛋白已通过SPR技术被检测到[1]。SPR传感器因其高灵敏度、实时响应能力和无需荧光或放射性标记即可进行定量分析的能力，被广泛应用于生物传感、医学诊断、环境监测和药物-蛋白质相互作用研究[2,3]。最近涉及纳米材料、2D材料和多层结构的发展进一步提高了基于SPR的传感器的灵敏度、检测精度和适用性[4,5]。SPR传感器是一种高度灵敏的无标记光学传感平台，用于检测金属-介电界面处折射率（RI）的微小变化。其传感原理基于偏振光，在特定共振条件下激发薄贵金属层（通常是金（Au）、银（Ag）或铜（Cu）表面的表面等离子体（SPs），即自由电子的相干振荡[6]。目标分析物（如生物分子、化学物质或气体）与传感表面的相互作用会导致共振角度的可检测变化，从而改变分析物的RI。Kretschmann配置[7]是最常用的SPR传感器实现方式，其中光通过高折射率棱镜耦合以激发金属层中的SPs。在具有不同RI的介质界面处，偏振光照射金属层，激发自由电子并检测它们的集体运动。SPR利用无标记技术可以实时定量测量相互作用分子的动力学、热力学参数和结合亲和力。与其他方法相比，该传感器使用的样品量较少，且数据质量更高，同时具有中等高的通量。在此设置中，利用Kretschmann配置检查SPP模式时，金属层厚度调整为几十纳米，衰减波通过金属层并耦合到SP模式。棱镜耦合的SPR传感器结构典型地是在棱镜基底上涂覆一层等离子体金属（如Au和Ag）[6]。当横向磁（TM）偏振入射光发生全内反射时，在棱镜/金属层界面产生衰减波。该波随后穿过薄金属膜，在金属层与传感介质（SM）的交界处激发SPs。当SPs被激发时，反射光的角谱在固定波长处出现共振凹陷。分析物RI的微小变化会导致共振位置的变化，因为SP的激发依赖于SM的RI。通过利用这种共振角度的变化，可以实现RI变化的灵敏检测。在传感操作中，有效的检测至关重要。生物结合事件对RI的影响会改变SPP波的传播常数。共振峰是最常用的特征之一。使用这种方法，在生物分子结合到传感器表面之前和之后都会记录共振峰的位置。目标生物分子的结合改变了有效RI，进而改变了SPP波的传播常数，导致共振发生在不同的入射角度。因此，测量共振角度的变化。钙钛矿型多铁氧化物BiFeO3具有相对较高的RI、良好的热稳定性和化学稳定性，以及铁电和磁性质的组合，这些特性增强了界面处的电磁相互作用。由于其这些特性，BiFeO3成为SPR传感器中有用的介电间隔层，提高了衰减场的限制效果和灵敏度。此外，BiFeO3具有适中的带隙（约2 eV）、良好的化学稳定性、机械稳定性和耐腐蚀性，能够在恶劣的操作条件和重复的传感循环中保持性能[9]。当作为SPR传感器中的中间间隔层时，这些介电和磁电特性有助于增强局部场和电磁相互作用，从而增强共振凹陷并提高对分析物RI微小变化的灵敏度。自2004年以来，包括MXene、黑磷和过渡金属硫族化合物（TMDCs）在内的多种2D材料被发现，它们具有独特的光学、化学、机械和电学性质[10,11,12]。大约十年前发现MXene后，它最近受到了关注。由于其独特的性质——包括较大的表面积、化学-机械稳定性、强的载流子限制和高的生物分子结合能——MXene作为SPR配置中的交互层显示出有前景的应用潜力。表面终止方式决定了MXene的优良等离子体材料特性[6]。SPR传感器有效地利用了通过表面终止处理的MXenes来检测分子。MXenes是一类具有大表面积、类金属导电性和多种可调表面官能团的二维过渡金属碳化物和氮化物，可以吸附生物分子并提高生物相容性。此外，它们强的光-物质相互作用和高电导率提高了等离子体耦合和信号稳定性。BiFeO3和MXene层共同作用，改善了场局部化，提供了稳定的界面，并提高了多层SPR结构中的分析物吸附能力，从而实现极高的灵敏度检测。为了提高SPR传感器的性能，许多近期研究探讨了复杂的材料组合。例如，参考文献[13]中研究了优化的多层等离子体结构以提高灵敏度和电场限制。类似地，研究[14]表明，在金属层中添加功能性纳米材料可以显著增强等离子体-分析物相互作用并提高传感效率。在相关研究[15]中，评估了为高精度传感应用设计的多层等离子体系统的光学响应。为了实现更好的等离子体耦合、更强的场局部化和改进的生物传感能力，这些研究共同展示了结合介电层与先进材料的日益增长的兴趣。本研究提出了一种基于BiFeO3和MXene层的SPR生物传感器，可以在1.33–1.335生物相关RI范围内显著提高灵敏度。所提出的结构将高折射率的铁电BiFeO3间隔层与导电MXene功能层协同结合，同时增强电磁场限制、等离子体耦合和生物分子吸附效率，这与使用单一介电层或2D材料层的传统SPR设计不同。在优化的银和BiFeO3厚度下，计算了性能参数，如灵敏度、检测精度（DA）、优值（FoM）和穿透深度（PD）。此外，还详细分析了PD和电场强度，以评估衰减场限制的程度及其与传感介质（SM）的相互作用。研究还包括电场分布分析、PD分析和±5%的制造公差评估，以证明其稳健性和实际可行性。这些综合的结构、理论和性能改进使得所提出的传感器成为高性能和制造耐用的精确生物医学和生物化学检测平台。与先前报道的基于MXene和介电辅助的SPR传感器相比，本工作的新颖之处在于将高折射率的多铁氧化物BiFeO3介电层与MXene功能材料协同集成，同时增强等离子体耦合、电磁场限制和生物分子吸附，从而显著提高灵敏度和稳健性。所提出的结构通过高折射率BiFeO3和MXene的协同集成，同时增强了电磁限制、等离子体耦合、分析物吸附和结构稳定性，从而实现了更高的灵敏度、更好的稳健性和实际可行性，即使一些SPR传感器也使用了2D材料和介电间隔层。

2. 提出的结构、制造可行性、折射率和建模
2.1. 提出的结构
图1展示了一种基于CaF2棱镜的Kretschmann配置SPR生物传感器。一层薄银（Ag）反射以一定角度（θ）入射的p偏振光，从而在金属-介电界面激发SPs。由于BiFeO3的高RI，其在银层上使用。BiFeO3的高实部是提高SPR传感器性能的关键因素。BiFeO3的强电子极化、钙钛矿晶体结构和多铁性质（结合了铁电和反铁电性质）是其高实部的主要原因。尽管BiFeO3是一种众所周知的钙钛矿型多铁氧化物，具有耦合的铁电和磁有序性，但本SPR分析中并未特别利用其极化切换、磁光耦合和外部场调节。本工作中使用BiFeO3的主要原因是其高实部、大的介电常数以及优异的热稳定性和化学稳定性——所有这些都对Kretschmann配置中的等离子体行为有显著影响。由于BiFeO3的高介电常数，入射p偏振光与表面等离子体极化子（SPP）模式之间的相位匹配得到改善，从而在金属-介电界面实现了更强的电磁场限制。通过增加衰减场与传感介质之间的重叠，这种改进的限制效应放大了折射率微小变化引起的共振角度变化。因此，尽管BiFeO3本身具有铁电和磁性质，但本研究中描述的灵敏度提高仅归因于其厚度优化和介电性质。尽管在当前的理论建模中没有明确使用BiFeO3的多铁性质，但将其作为固有材料属性和未来可调节SPR设备的可能优势进行了说明。图1. 提出的SPR传感器。通过改善靠近传感表面的光-物质相互作用，这种改进的场局部化提高了传感器对分析物区域RI变化的灵敏度。此外，由于RI的实部相对较低，光学吸收最小，从而实现了更尖锐的共振凹陷、更好的优值（FoM）和更高的检测精度（DA）。BiFeO3层作为一种有效的功能介电介质，同时支持强等离子体耦合和在生物相关RI范围内的稳定生物传感操作，这得益于其铁电极化、化学稳定性和高介电常数。然后，涂覆一层薄MXene以增强生物分子的固定、产生大量的表面官能团并加强局部电场。通过微流控细胞的进出通道的分析物溶液包含在上方传感层中。当目标生物分子附着到传感表面时，反射光的共振角度会发生变化，因为它们改变了金属界面附近的局部RI。这一变化为检测提供了基础，实现了无标记、实时的生物相互作用监测。这种多层（CaF2/Ag/BiFeO3/MXene）结构总体上提高了信号稳定性、灵敏度和场限制能力，使其非常适合用于精确的生物传感应用。

2.2. 制造可行性
为了实现高选择性、稳定性和重复性，在制造SPR传感器之前必须彻底清洁CaF2棱镜，如图2所示。用去离子水冲洗棱镜表面以去除任何松散颗粒后，通过丙酮和异丙醇中的超声清洗去除有机污染物。在氮气干燥后，可以使用UV-臭氧或氧气等离子体处理来消除剩余污染物并提高表面润湿性。这种清洁程序确保了表面的光滑性和化学均匀性，从而增强了后续层的附着力，降低了表面粗糙度，并使SPs的激发更加稳定。棱镜清洁完成后，使用物理气相沉积（PVD）[16,17]方法涂覆一层Ag。这种优质且均匀的Ag层支持稳定的SPR信号，同时减少了阻尼损失。随后，通过化学气相沉积（CVD）方法沉积一层BiFeO3介电层[18]。这层BiFeO3通过加强金属-介电界面处的电磁场限制并保护Ag层免受环境恶化的影响，进一步提高了信号稳定性。最后，使用CVD技术在BiFeO3层上沉积MXene层[18]。

2.3. 材料的折射率
在本研究中，使用折射率为1.4329且厚度为半无限的CsF2棱镜来实现耦合[22]。SP是由厚度为30-60 nm、折射率为0.0803 + 4.2347i的Ag层产生的[6]。由于Ag层容易氧化，因此采用了BiFeO3和MXene层来提高灵敏度。BiFeO3和MXene层的厚度分别为1-3 nm和0.993 nm[23]，其折射率分别为2.9680[24]和2.38 + 1.33i[6]。考虑到每层的厚度和折射率（Ag、BiFeO3和MXene），使用传递矩阵方法（TMM）来分析所提出的SPR传感器[10,25,26]。通过优化Ag和BiFeO3的厚度，可以在固定MXene层厚度的情况下，实现与分析物的更好相互作用和更强的等离子体耦合，从而提高基于折射率的生物传感性能。水生生物流体的折射率范围为ns = 1.33–1.335[6]，在这个小范围内的微小变化与人体内的病理变化密切相关。纯水的折射率接近1.33，而蛋白质、葡萄糖、脂质、细胞或病原体浓度升高会导致折射率向1.335增加。例如，健康人的血浆通常显示折射率在1.333到1.334之间，但糖尿病等疾病会提高葡萄糖水平，从而导致折射率的可检测增加。疟疾等传染病引起的血红蛋白含量和红细胞形态的变化也会导致在这个范围内的折射率变化。炎症和心血管疾病会导致血浆蛋白和纤维蛋白原水平升高，从而导致折射率向更高值变化。早期癌症和肝脏功能障碍也会导致微小的折射率变化，这些变化保持在1.33–1.335范围内。所提出的SPR传感器为检测生物流体（如血清、血浆、尿液和唾液）中的疾病生物标志物提供了一个理论平台。然而，为了提高选择性和稳定性并防止非特异性蛋白质吸附，需要对表面进行特定的生物受体修饰和防污涂层处理，以便直接分析复杂的生物样本。因此，当前工作侧重于传感平台的设计和理论评估，而实际的生物流体分析还需要进一步的表面修饰和实验验证。尽管MXene表现出波长依赖性的色散光学行为，但本研究在固定的633 nm操作波长下研究了Ag、BiFeO3和MXene的光学常数[24]。

2.4. 理论建模
本研究使用传递矩阵方法（TMM）结合菲涅尔方程作为基本理论来研究SPR传感器。菲涅尔方程描述了光在具有不同折射率的两种介质边界处的反射行为，有助于模拟入射p偏振光与棱镜、金属和二维材料层之间的相互作用。TMM方法通过考虑每个边界处电场和磁场分量的连续性，将这一概念应用于设计的传感器配置中。通过应用界面处的场切向分量，可以求解麦克斯韦方程[27]。

3. 结果与讨论
3.1. 灵敏度分析
图3a显示了在不同BiFeO3厚度（1 nm、2 nm和3 nm）下，Ag层厚度变化对灵敏度的影响。随着Ag层厚度的增加，灵敏度首先上升，达到峰值，然后下降。这种模式表明，在理想的Ag层厚度38-40 nm时，等离子体激发最强。之后，较厚的Ag层会导致过多的反射，减弱场进入介质的穿透能力，从而降低灵敏度。BiFeO3厚度分别为1 nm、2 nm和3 nm时，灵敏度的变化范围分别为201.68到298.05°/RIU、225.97到345.95°/RIU和263.47到340.68°/RIU。在3 nm的BiFeO3厚度下，灵敏度在一定的Ag层厚度后先增加，然后降低到100.03°/RIU。此外，3 nm的BiFeO3层厚度提供了最高的灵敏度（340.68°/RIU），其次是2 nm和1 nm。在传感界面，较厚的BiFeO3层增强了光限制和场强度，从而加强了与分析物的相互作用并提高了灵敏度。对于不同的BiFeO3厚度和折射率（ns = 1.33和1.335），图3b中绘制了最小反射率（Rmin）与Ag厚度之间的关系。随着Ag厚度的增加，Rmin值先下降然后在某个Ag层厚度处上升，表现出典型的表面等离子体共振（SPR）行为。最佳耦合条件通过最低的Rmin值得到确认，该值出现在大约35-40纳米的Ag厚度处，此时观察到最高的灵敏度。当SM的折射率（RI）从1.33增加到1.335时，Rmin值略有变化；这种变化反映了由于RI变化引起的共振。在较厚的BiFeO3层中，更强的场耦合和改善的等离子体激发也表现为更深的共振凹陷，特别是在3纳米厚的层中。图3c显示了在不同Ag和BiFeO3厚度组合下，折射率为1.33和1.335时的反射率与入射角曲线。SPR角度由每条曲线中的明显凹陷表示。随着RI的增加或层厚度的变化，共振凹陷向更高的角度移动。这种变化是主要的传感机制；更大的角度变化表明设备对分析物RI的变化更加敏感。从反射率曲线可以看出，当较薄的Ag层与稍厚的BiFeO3层结合时，会产生更深更尖锐的共振凹陷。由于电磁场在界面的更强限制，传感器的分辨率得到了提高。这种金属-介质厚度的优化直接提高了传感器的灵敏度和可靠性，使其适用于精确检测SM中的微小生物分子变化。表1展示了在Rmin值为0.30 a.u.时，不同Ag和BiFeO3层厚度组合的SPR生物传感器的性能参数。可以看出，当BiFeO3层厚度从1纳米增加到3纳米，而Ag厚度从50纳米减少到39纳米时，传感器的灵敏度从281.20°/RIU增加到340.68°/RIU。这种改进归因于较厚的BiFeO3层在传感界面更好的光场限制和更强的等离子体耦合。随着BiFeO3厚度的增加，在ns = 1.33和1.335下的Rmin值减小，表明光-等离子体相互作用更强，共振凹陷更深。更高的灵敏度导致半高宽（FWHM）略有扩大，表明反射率曲线的宽度增加是由于耦合增强所致。因此，整体性能（FoM）显示了灵敏度和共振清晰度之间的权衡，而分辨度（DA = 1/FWHM）略有下降。尽管具有最高的灵敏度，但BiFeO3 = 3纳米和Ag = 39纳米的配置由于FWHM较宽而FoM较低。因此，优化后的结构BiFeO3 = 2纳米和Ag = 47纳米提供了最佳的总体性能（FoM = 66.60/RIU）、高灵敏度（329.68°/RIU）和良好的分辨度（DA）。图3：(a) 灵敏度；(b) 在优化Ag厚度下，ns = 1.33和1.335时的Rmin值；(c) 不同Ag和BiFeO3厚度的反射率曲线。表1：在Rmin值为0.30 a.u.时测量的性能参数。图4显示了所提出的SPR传感器在RI从1.33变化到1.335时的传感性能。如图4a所示，观察到强烈的光-等离子体耦合和对微小RI变化的高灵敏度，反射率曲线中出现了明显且尖锐的SPR凹陷，并且随着分析物RI的增加，共振角度系统地向更高的入射角移动。在RI分别为1.330、1.331、1.332、1.333、1.334和1.335时，获得的共振角度分别为83.68°、84.01°、84.35°、84.70°、84.04°和85.38°。由于导电MXene层和高RI BiFeO3层的共同作用，传感界面处增强了电磁场限制，大大增强了与分析物的衰减场相互作用，这是这种明显角度变化的主要原因。图4b显示了灵敏度和Rmin值随分析物RI变化的情况。灵敏度的变化范围是从332.88°/RIU到340.68°/RIU。图4c显示FWHM随RI的轻微增加，导致DA略有下降；然而，由于灵敏度的显著提高，FoM明显增加。总体而言，这些发现表明所提出的SPR传感器提供了出色的整体性能、高灵敏度和显著的分辨度，使其非常适合涉及微小RI变化的精确生物传感应用。图4：(a) 反射率曲线与入射角；(b) 灵敏度和Rmin；(c) FWHM、DA和FoM随RI的变化。图5a相应地展示了在RI为1.33和1.35时，所提出结构上的归一化电场分布。表面等离子体激发在Ag-BiFeO3界面附近产生一个尖锐的电场峰，表明强烈的衰减场局部化。虽然MXene层改善了表面相互作用和稳定性，从而在传感层产生更高的场强度，但具有高折射率的BiFeO3的存在进一步加强了这种限制。场幅度在界面之外向SM（分析物）的指数衰减，其中PD是场强度降至其最大值的1/e（37%）的距离，定义为衰减波穿透深度。随着RI的提高，衰减场在SM中稍微深入，对于RI 1.330，PD约为198.9纳米，对于RI 1.335，PD约为199.5纳米。理想的1/e PD和界面处的高局部场强度最大化了与分析物分子的重叠，从而增强了共振位移并提高了SPR传感器的灵敏度。由p偏振光激发的表面等离子体产生一个衰减等离子体场，这在Ag/BiFeO3界面附近表现为一个尖锐的峰。由于电场在金属-介质边界的强烈局部化，衰减波与SM中的分析物分子更有效地相互作用。通过改善限制和提高局部RI对比度，BiFeO3层提高了场强度，与裸金属层相比。MXene层通过其较大的表面积和导电性增强了衰减场，使得检测更加灵敏。当金属-介质界面处的场强度较高且PD理想时，衰减场与分析物分子之间的重叠增加。这直接通过产生更小的RI变化下的共振位移来提高SPR传感器的灵敏度。虽然MXene层提供了稳定性并改善了吸附，但Ag和BiFeO3的最佳厚度在场限制（尖锐峰）和场穿透（足够长的衰减长度）之间取得了平衡，这两者对于实现高检测性能都是必不可少的。图5b,c显示了由多层组成的所提出结构中激发的电场分布和SPP模式。SPP的一个典型特征是电场在Ag/介质界面处的强烈局部化。在Ag层中，界面处的场限制表明入射光和传导电子的集体振荡有效耦合。在图5c的介质层内部，电场的分布更加强烈和规则，可见明显的峰值延伸到SM中。这表明干涉效应进一步改善了所提出结构中的场局部化，突出了等离子体-光子相互作用的混合性质。为了调节和增强等离子体共振并实现更深的场穿透到传感区域，导电MXene层和BiFeO3铁电层是必不可少的。该结构由于电场在界面的强烈局部化，对SM的RI变化具有极高的灵敏度，因此具有高性能等离子体传感应用的潜力。图5：(a) 归一化电场；(b) 电场分布；(c) 所提出结构的SPP模式。3.2. 所提出的传感器在制造过程中的潜在挑战、限制和误差可行性所提出的SPR生物传感器的制造面临许多困难，例如实现一致的层沉积、确保各种材料之间的牢固粘附以及扩大生产过程的规模[30,31,32]。保持Ag、BiFeO3和MXene层的均匀性和精确厚度控制非常重要，因为任何变化都可能对传感器的分辨度（DA）产生不利影响。溅射和蒸发是传统的PVD方法，可能在大面积应用时导致薄膜不均匀。对于BiFeO3和MXene，可以使用CVD在原子级别实现精确的厚度控制[33,34]。通过修改气体压力、靶功率和沉积时间等变量，也可以提高溅射的均匀性。旋涂可以在图案化之前为电子束光刻抗蚀剂提供一致的层。另一个挑战是保持不同传感器层之间的牢固粘附，因为粘附不良可能导致分层并缩短传感器寿命。通过在层之间夹一层促进粘附的薄层（如钛（Ti）或铬（Cr），可以改善金属层（如Ag）对介质基板（如CaF2棱镜）的弱粘附[35]。在沉积BiFeO3和MXene层之前，使用适当的表面处理方法（如氧等离子体或UV-臭氧清洗）可以消除有机污染物并增加表面能，从而提高界面粘附和薄膜均匀性。由于BiFeO3层的复杂氧化性质和化学稳定性，其沉积和图案化需要仔细的过程控制。为了获得定义明确的薄膜，通常会遵循优化的沉积参数，并使用适当的化学反应进行反应离子刻蚀（RIE）以确保精确的厚度控制和光滑的界面。同样，由于MXene层的高导电性和强层间键合，使用传统的湿法工艺很难对其图案化和刻蚀。为了在不影响其表面功能的情况下获得一致且精确定义的MXene纳米层，通常优选基于RIE的干法刻蚀方法。综合考虑，这些表面处理和制造技术保证了高质量的BiFeO3和MXene层，这对于实现稳定的等离子体耦合和改进的SPR传感器性能至关重要。未来的研究将集中在三个主要领域，以解决现有模型和模拟的不足：更广泛的环境测试、模拟模型的改进和实验验证。为了实验验证从模拟中得出的共振位移、灵敏度、分辨度和FoM，将使用受控的薄膜沉积技术制造所提出的SPR传感器。随后将进行基于角度测量的SPR测量。在实际的生物和化学传感环境中，为了确保可靠的操作，将在不同的温度、pH值、湿度和背景RI条件下评估传感器的性能，以及长期稳定性和重复性研究。图6检查了所提出的SPR传感器对±5%厚度误差的鲁棒性，这种误差可能在多层结构的实际制造过程中发生。图6a绘制了在分析物RI为1.33时，理想厚度和层厚度变化±5%时的反射率曲线。所有曲线都显示出明显的SPR凹陷，表明尽管厚度变化，表面等离子体激发仍然保持。对于±5%的误差，共振角度略有变化，凹陷深度也有轻微变化，但共振轮廓仍然清晰且尖锐。这种行为表明所提出的结构对合理的制造误差具有抵抗力，并保持稳定的等离子体耦合。图6b显示了在±5%厚度误差下灵敏度和FoM的相应变化。厚度变化并不会显著降低传感器的折射率（RI）响应性能，这一点从数据中可以明显看出：尽管灵敏度略有波动，但其数值与理想结构相比仍然保持相对较高水平。由于灵敏度变化以及共振曲线轻微的宽化或窄化共同作用，传感器的整体性能（FoM）出现了适度变化；然而，这种变化仍在可接受的范围内，足以保证可靠的传感效果。与薄5%和厚5%的对比情况相比，所提出的结构在整体性能上表现出显著优势，这证明了其设计的优化效果。图6验证了所提出的SPR传感器对制造过程中产生的厚度误差具有出色的抵抗能力，确保了灵敏度和FoM的稳定性——这是实现有效且一致生物传感应用的关键因素。尽管Ag、BiFeO3和MXene层在制造过程中存在一定变化，但所提出的SPR传感器仍能保持稳定的性能，如表2中的±5%厚度误差分析所示。在较薄和较厚的情况下，灵敏度依然很高（>300°/RIU），不过共振角度略有变化，灵敏度也有所下降。虽然反射率（DA）和FoM会受到Rmin（共振最小值）和FWHM（半高宽）微小变化的影响，但整体传感性能并未大幅降低。图6显示了±5%厚度误差下的反射率曲线（a）以及灵敏度和FoM（b）的变化情况。表2则展示了±5%厚度误差后性能参数的变化情况。在灵敏度、DA和FoM方面，表3将所提出的SPR传感器的性能与以往发表的传感器进行了对比。该传感器的灵敏度为340.68°/RIU，明显高于以往研究中235°/RIU至273°/RIU的灵敏度范围。性能的提升主要归功于包含Ag、BiFeO3和MXene的优化结构设计。尽管如此，其FoM（47.48/RIU）略低于Kumar等人的研究结果，但在2025年的研究背景下，该传感器仍表现出良好的整体性能和竞争力强的灵敏度。因此，这种配置是高灵敏度生物传感应用的一个有前景的选择，因为它相较于现有设计有显著改进。值得注意的是，一些先前报道的SPR传感器尽管灵敏度较低，但FoM却较高。所提出的基于MXene-BiFeO3的SPR传感器旨在通过改善等离子体-分析物相互作用和电磁场限制来增强性能，这不仅拓宽了共振曲线，还提高了灵敏度。虽然某些现有设计的较大场限制和PD（场深度）会导致FWHM增加，但在SPR传感器中，灵敏度和FoM之间的这种权衡是常见的现象。因此，所提出的结构在生物传感应用中提供了平衡的性能，既具有高灵敏度，又具备可接受的FoM。表3对比了现有传感器与所提出传感器的性能差异。4. 结论：所提出的SPR传感器通过优化Ag和BiFeO3层的厚度来提升灵敏度。当Ag厚度从30纳米增加到60纳米、BiFeO3厚度从1纳米增加到3纳米时，灵敏度显著提升，这表明传感界面处的电磁场限制得到了改善，从而增强了等离子体-分析物相互作用。该传感器的最大灵敏度达到了340.68°/RIU。其中，Ag厚度为39纳米、BiFeO3厚度为3纳米的结构表现出最佳性能。在较高折射率（RI）下，消逝场能进一步延伸到半导体材料（SM）中，导致PD分别为198.9纳米（RI=1.330）和199.5纳米（RI=1.335）。因此，所提出的配置相较于现有设计有显著改进，是高灵敏度生物传感应用的一个理想选择。