《Optics & Laser Technology》：Harnessing quantum-dot-enhanced long-range surface plasmon resonance for high-precision detection of milk fat concentration
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摘要在乳制品行业中，检测牛奶脂肪浓度对于确保产品质量及发现掺假行为至关重要。传统的表面等离子体共振技术存在较大的金属损耗，导致其衰减场的穿透深度较低（小于200纳米），这限制了其在检测大型生物分子时的应用。针对这一问题，研究人员设计了一种长距离表面等离子体共振多层芯片，采用对称的
摘要 在乳制品行业中，检测牛奶脂肪浓度对于确保产品质量及发现掺假行为至关重要。传统的表面等离子体共振技术存在较大的金属损耗，导致其衰减场的穿透深度较低（小于200纳米），这限制了其在检测大型生物分子时的应用。针对这一问题，研究人员设计了一种长距离表面等离子体共振多层芯片，采用对称的绝缘体-金属-绝缘体结构，从而实现低损耗的等离子体模式，并将穿透深度提升至3.7微米。此外，该平台还整合了硒化镉和硒化铅量子点，使得其性能指标分别达到1693和1732 RIU?1 。由于量子点单层的引入，传播中的等离子体场与量子点周围的吸收作用相互耦合，增强了局部场强，进而提升了FOM值。所设计的结构还被用于通过改变折射率（1.3404–1.3657）来检测牛奶脂肪浓度（0–33.3体积%）。牛奶脂肪浓度的变化会影响到牛奶样本的光学性质和成分，而这些变化又源于细菌污染。该方法为未来对牛奶质量及其他液体分析物进行无损、高精度的光学检测提供了有效途径。
引言 牛奶脂肪含量是评估牛奶质量、营养价值以及检测乳制品是否掺假的重要参数[1]。传统的脂肪分析方法，如格尔伯试验、巴布科克法以及红外光谱法，需要复杂的样品预处理、经验丰富的操作人员以及较长的分析时间，因此难以用于实时监测[2]、[3]。此外，牛奶是一种光学性质不均匀的液体，其中含有会散射光线的脂肪球和蛋白质，这使得用传统方法精确测定脂肪含量变得十分困难。因此，开发一种快速、无需标记且灵敏度高的检测方法对于准确检测牛奶脂肪含量至关重要。表面等离子体共振技术因其能够检测牛奶这类复杂液体样本中微小的折射率变化而成为理想的选择[3]。由于该技术对金属-介质界面处的折射率变化具有极高的敏感度，因此被广泛应用于化学研究、生物传感、食品质量检测以及环境监测等领域[4]、[5]、[6]、[7]。在动量匹配条件下，当p偏振的电磁波与薄贵金属膜表面的自由电子集体振荡发生共振时，就会产生表面等离子体共振现象，这类贵金属膜通常为金或银[8]。在共振状态下，部分入射光能会转化为沿金属-介质界面传播的表面等离子体极化子，从而导致反射光强度显著降低[9]、[10]。共振条件对周围介质极为敏感，即使分析物浓度发生微小变化，也会导致共振角度或波长出现可检测的变化[11]、[12]、[13]。
尽管表面等离子体共振技术具有诸多优势，但传统的棱镜耦合型传感器却受到金属层固有欧姆损耗的限制，这些损耗会削弱等离子体的传播并使共振峰变宽[14]、[15]、[16]。这种损耗会降低衰减场在传感介质中的穿透深度，进而限制其与光学性质不均匀的分析物之间的有效相互作用[17]。在牛奶这类复杂液体中，这一问题更为突出。牛奶是一种复杂的乳状液，较大的相互作用体积使得传感器能够更深入地探测样本，从而与较大的脂肪分子发生相互作用，而不仅仅是样本的表面层。牛奶中含有多种成分，包括脂肪球、蛋白质、矿物质以及大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌和布鲁氏菌等微生物污染物[18]、[19]、[20]、[21]，这些成分都会影响牛奶的光学性质。尤其是细菌污染会导致牛奶基质内的折射率发生变化。较高的穿透深度能够让衰减场与更多的脂肪球发生相互作用，从而使共振角度出现更明显且更容易检测到的变化[22]、[23]、[24]。2024年，Karki等人报道了利用传统表面等离子体共振技术检测牛奶脂肪浓度的方法，他们实现的穿透深度可达600纳米[25]。为克服这些限制，人们设计了长距离表面等离子体共振传感器。在这种传感器中，金属层两侧各有一层薄的介质层，这使得在两个金属-介质界面处都能激发相应的等离子体模式[26]。根据金属层两侧的折射率差异，这些模式会组合成对称和反对称的等离子体模式[27]。当介质条件接近对称时，就会激发低损耗的对称模式，从而减少金属内部的电磁场约束，进而大幅降低损耗[28]。与传统表面等离子体共振模式及反对称模式相比，对称型长距离表面等离子体共振模式的衰减场穿透能力更强，共振线宽更窄[29]。这些特性提升了其对折射率变化的敏感度，尤其适用于那些吸收较弱且光学性质不均匀的材料[30]。要实现近乎对称的介质环境，通常需要使用低折射率的缓冲层或粘附层，当介质隔层的折射率与传感介质的折射率相近时，性能最为优异[31]、[32]。许多研究都证明了长距离表面等离子体共振系统在化学和生物传感领域的应用效果。Kumar等人[24]强调了精确控制介质厚度对于获得窄共振带宽和提高灵敏度的重要性。Bakar等人[33]则利用基于聚合物的介质层，在光学性质复杂的食用油样本中进行了长距离表面等离子体共振传感实验。近年来，关于长距离表面等离子体共振的研究越来越注重材料工程和结构优化，以进一步提升传感器性能。低损耗的介质材料对于维持对称的等离子体状态以及减少阻尼损耗至关重要，这样才能确保共振稳定性并提高场穿透能力[34]。人们还研究了功能性界面层的应用，以此来定制光与物质的相互作用，提升传感器的响应速度。不过，如何在保持结构简洁性和重复性的同时提升性能，仍然是一个重大挑战[35]。理想的长距离表面等离子体共振结构通常包括高折射率耦合棱镜、介质隔层、薄的等离子体金属膜，以及靠近传感介质的第二个介质层。所提出的结构能够提升电磁场在传感介质中的穿透能力，进而增强分析物与传感器的相互作用。研究人员通过传递矩阵法进行数值模拟，研究等离子体的传播特性以及其对折射率变化的敏感度。模拟结果表明，随着动量匹配程度的提高，穿透深度也会逐渐增加，这说明电场穿透能力得到了提升。传感器的灵敏度则是通过观察在恒定波长和入射角下，折射率变化所导致的反射强度变化来评估的[36]、[37]、[38]。使用低损耗的介质材料能够进一步提升长距离表面等离子体共振的性能和传感效率。
章节节选 方法 图1展示了所提出的长距离表面等离子体共振传感器的结构示意图。该传感器的结构起始为一个折射率为1.778的SF11棱镜。选择SF11棱镜是因为其较高的折射率，这有助于入射的p偏振光与表面等离子体极化子之间实现高效的动量匹配，从而增强等离子体耦合效应，提升传感性能[39]。折射率为1.377的氟化镁则被用作
结果与讨论 本节介绍了这项研究的模拟结果。首先对金属层以及MgF 2
结论 本研究设计了一种经过量子点增强的长距离表面等离子体共振传感器，并通过数值模拟对其进行了优化，以实现牛奶脂肪含量的精准测量。所提出的SF11/MgF2 /Au/MgF2 /QDs多层结构，借助介质对称性设计，能够激发低损耗的对称等离子体模式。通过系统地优化粘附层、等离子体层以及量子点层的厚度，成功地提升了共振的锐度以及电磁场的穿透能力。
作者贡献说明 Akila Chithravel： 撰写——审稿与编辑、软件应用、方法设计、正式分析、数据整理、概念构思。Jaswitha Bode： 撰写——初稿编写、方法设计、实验研究、概念构思。Yesudasu Vasimalla： 撰写——初稿编写、方法设计、实验研究、概念构思。Santosh Kumar： 撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理、概念构思。Anand M. Shrivastav： 撰写——审稿与编辑、项目监督、方法设计、实验研究、资金支持
资金支持 Anand M. Shrivastav感谢SRMIST提供的“选择性卓越研究计划”资助。他还感谢印度科技部设立的“激励教师研究基金” （DST/INSPIRE/IFF CALL-24/IFA24-ENG 440）。Akila则感谢SRMIST提供的研究奖学金。此外，这项工作还得到了印度科内鲁·拉克什马亚教育基金会 以及阿努桑丹国家研究基金会 （ANRF/ARG/2025/003993/LS）的支持。
利益冲突声明 作者们声明不存在任何利益冲突。他们没有已知的、可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
利益冲突声明 作者们再次声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
Akila Chithravel|Jaswitha Bode|Yesudasu Vasimalla|Santosh Kumar|Anand M. Shrivastav
