基于MoS2量子点/黑磷结构的超灵敏SPR皮质醇生物传感器

《Next Materials》：Ultrasensitive SPR cortisol biosensor utilizing MoS2 quantum dots/black phosphorus-based structure

　　

本研究提出了一种用于生理皮质醇检测的超灵敏、无标记表面等离子体共振(SPR)生物传感器的计算框架。利用TM偏振照明下的转移矩阵方法(TMM)，研究人员优化了一种基于Kretschmann构型的多层结构，该结构包含低折射率FK51A棱镜、银(Ag)等离子体薄膜以及二硫化钼量子点(MoS₂ QDs)和黑磷(BP)的杂化二维材料界面。在皮质醇的生理折射率(RI)范围(1.3297–1.3311)内进行的系统数值评估确定了最佳构型为FK51A/MoS₂ QDs(5 nm)/Ag(45 nm)/BP(9.54 nm, 18单层)。这一最终确定的光电模型表现出卓越的光子-等离子体转换，有效减轻了内部光阻尼并防止了光谱展宽。该生物传感器在分析物RI为1.3300时实现了显著的峰值角灵敏度640.66 °/RIU。关键的是，该设计克服了传统灵敏度与光谱分辨率之间的权衡，产生了品质因数(FoM)为99.314 RIU^-1和检测精度(DA)为0.0297 deg^-1。这些紧密约束的电磁指标确立了所提出的MoS₂ QD/BP架构作为用于痕量内分泌标志物准确、实时临床监测的稳健且极具竞争力的理论平台。

皮质醇（cortisol）作为肾上腺皮质释放的主要糖皮质激素，调控代谢、免疫及神经内分泌应激反应，其水平异常与库欣综合征、阿狄森病及心理应激等严重内分泌紊乱密切相关。传统定量检测方法如酶联免疫吸附试验（ELISA）和高效液相色谱（HPLC）因样品制备耗时、需荧光标记且无法实时监测结合动力学，难以满足痕量生理标志物检测需求。表面等离子体共振（SPR）技术凭借无标记、实时监测局部折射率（RI）变化的能力，成为解决上述问题的关键平台，但传统单金属SPR结构面临灵敏度饱和及光谱展宽等局限。为此，研究人员旨在通过引入二维（2D）纳米材料优化界面电磁场，构建超灵敏、无标记的SPR生物传感器，以实现对皮质醇的精准临床监测。该研究发表于《Next Materials》。

为开展研究，研究人员主要采用了基于Kretschmann构型的转移矩阵方法（TMM）进行数值模拟。该方法在TM偏振照明下（λ=633 nm）计算多层结构的反射率，系统优化了银（Ag）膜厚度（40-60 nm）及黑磷（BP）层数（1-18层），并评估了四种结构变体（S1-S4）的性能。研究基于皮质醇的生理RI范围（1.3297-1.3311）对应浓度0.36-4.5，未涉及实际样本队列。

**3.1 优化Ag厚度和棱镜以增强传感器性能**
通过TMM对Ag层厚度（40-60 nm）进行参数扫描，发现45 nm为最佳临界厚度。在此厚度下，传感器在RI梯度（1.3297-1.3311）中实现最大角位移0.1922°，灵敏度达137.28 °/RIU，同时保持品质因数（FoM）109.93 RIU^-1和检测精度（DA）0.1539 deg^-1。超过45 nm后，光学阻尼增强导致灵敏度骤降至91.57 °/RIU，证实了Ag层厚度对光子-等离子体转换效率的关键调控作用。

**3.2 所提出结构的影响**
在优化Ag层后，进一步调节BP层数（1-18层）以突破灵敏度瓶颈。当BP层数增至18层（9.54 nm）时，结构S3（FK51A/MoS₂ QDs/Ag/BP/SM）在RI=1.3300处实现峰值角灵敏度640.66 °/RIU，同时FoM为99.314 RIU^-1、DA为0.0297 deg^-1。相较之下，含Cys间隔层的S4结构因中间层导致光场能量耗散，灵敏度降至427 °/RIU，证实了BP与Ag直接接触的界面设计对相位匹配条件的最优调控。

**3.3 制造可行性步骤**
基于理论优化，研究提出逐层沉积工艺：采用化学气相沉积（CVD）在FK51A棱镜表面生长5 nm MoS₂量子点薄膜，随后通过物理气相沉积（PVD）精确沉积45 nm Ag膜，最后利用原子层沉积（ALD）或脉冲激光沉积（PLD）制备9.54 nm（18层）BP层。该工艺需严格控制厚度以维持理论计算的结构相位匹配条件。

**3.4 性能比较研究**
将所提出的FK51A/MoS₂ QDs/Ag/BP结构与现有文献中的SPR平台对比，该结构在灵敏度（640.66 °/RIU）、FoM（99.314 RIU^-1）和DA（0.0297 deg^-1）上均显著优于基于Au/Graphene/MoS₂（282.22 °/RIU, FoM 35.40）及Phosphorene/Cu-Ni（347.78 °/RIU, FoM 45.12）的结构，验证了杂化量子点/BP界面的优越性。

讨论部分指出，该设计通过低折射率FK51A棱镜、优化Ag膜厚度及BP层的各向异性电磁场增强，有效克服了传统灵敏度与光谱分辨率之间的权衡。结论翻译如下：
总之，本研究成功设计并理论验证了一种高度优化的、无标记表面等离子体共振（SPR）生物传感器，专门用于生理皮质醇的超灵敏定量。利用转移矩阵方法（TMM），研究人员系统参数化了一种基于Kretschmann的架构，确定了FK51A/MoS₂ QDs（5 nm）/Ag（45 nm）/BP（9.54 nm）几何构型为最优配置。MoS₂量子点与18层黑磷的协同杂化显著增强了光子-等离子体耦合，同时严格抑制了灾难性辐射阻尼。因此，所提出的传感器在分析物折射率1.3300处实现了640.66 °/RIU的峰值角灵敏度。通过同时提供99.314 RIU^-1的品质因数和0.0297 deg^-1的检测精度，该设计有效克服了传统绝对灵敏度与光谱分辨率之间的物理权衡。这些稳健的理论指标确立了所提出架构作为实时临床监测痕量内分泌标志物的高度竞争性和实用平台。未来研究将专注于该结构的物理制造和实验表征，以验证其实际临床效能，同时采用有限元法（FEM）和时域有限差分法（FDTD）模拟进行全面数值交叉验证。