长距离表面等离子体共振平台，用于高灵敏度折射率检测

《Surfaces and Interfaces》：Long-Range Surface Plasmon Resonance Platform for High-Sensitivity Refractive Index Sensing

　　摘要
研究了长程表面等离子体共振（LRSPR），因其狭窄的半高宽（FWHM）、高成像灵敏度（Simag）以及具有低角度敏感性的优值（FoM）。提出的结构使用2S2G棱镜、氟化钾（KF）、铜（Cu）和二硒化钽（TaSe2），通过传输矩阵方法（TMM）和有限元方法（FEM）进行了理论分析。为了在等离子体耦合、模态阻尼和与传感介质（SM）的场相互作用之间达到适当的平衡，系统地优化了KF和Cu层的厚度。当KF厚度为1200纳米、Cu厚度为23纳米时，分别获得了最大的FoM和Simag值，分别为889.52/RIU和28650/RIU。此外，在丙酮的RI为1.34和1.368的情况下，穿透深度（PD）分别为512纳米和363.5纳米。这项工作的新颖之处在于设计并优化了一种TaSe2辅助的LRSPR传感器，该传感器通过使用所提出的结构显著提高了FoM。分析结果表明，所提出的LRSPR传感器适用于在其检测范围内（RI=1.34至1.368）的可见光区域检测化学和生物物质。

引言
近年来，先进的生物传感技术通过分析生物样本来监测生理变化的能力显著增加了需求。这些极其有效且用户友好的生物传感器可以利用化学浓度和生物参数的变化，快速、精确且可靠地提供检测结果[[1],[2],[3]]。由于其卓越的传感能力，生物传感器已在环境监测、医疗诊断、药物开发、食品安全和生物技术应用等多个行业中得到成功应用[[3],[4],[5],[6]]。由于在工业安全、生物医学诊断和环境监测中的重要作用，丙酮作为一种挥发性有机化合物，需要被快速且灵敏地检测。丙酮浓度的变化与代谢过程密切相关，可以成为糖尿病和呼吸系统疾病等疾病的显著生物标志物。由于传统检测技术通常需要复杂的仪器和样品准备，因此用于实时监测受到了限制。基于SPR的传感器因其无标记操作、高RI灵敏度和实时响应能力而受到广泛关注[7,8]。已经使用多种传感技术识别和监测了包括皮质醇、葡萄糖、丙酮和疟疾相关生物标志物在内的化学和生化分析物。目标分析物的类型、检测限、实时监测能力和应用环境都影响着适合的传感技术的选择[9,10]。基于SPR的传感器因其优异的RI灵敏度和实时检测能力而成为这些传感技术中最受研究的平台之一[11,12]。传统的SPR配置涉及在高RI棱镜和SM之间引入一层薄等离子体金属层，通常是金（Au）、银（Ag）或Cu。如果p偏振光以特定角度通过棱镜照射到金属界面，则会激发与表面等离子体匹配的光子动量，从而产生SP波[13,14]。当存在共振条件时，反射光的强度会明显降低，导致反射曲线明显变窄[15]。高灵敏度等离子体传感的基础取决于SM的RI或光学性质的任何变化。这种变化会导致共振角度的移动，并改变共振深度。Kretschmann配置被广泛用于激发SP模式，是一种非常有效的技术，在化学、生物和环境传感应用中得到了广泛应用[16]。尽管传统的SPR传感器在传感方面已被证明非常有效，但其实际效果受到表面等离子体波（SPW）固有阻尼损失的限制。这些SPW将PD限制在仅200纳米[32]。较短的PD限制了有效的相互作用体积，从而限制了SPR传感器检测较大生物目标（如微生物和细菌）的能力[17]。Sarid等人在1981年克服了这些限制，提出了LRSPR的概念[18]。LRSPR结构由位于两种介电介质之间的薄等离子体金属层组成。这种排列允许在两个金属界面同时激发SPW[19]。这两种等离子体模式之间的相互作用会产生对称和不对称的耦合等离子体模式，这由金属层周围的介电性质决定[20]。当金属层两侧具有相似的介电环境时，会产生对称模式；而不同的介电常数会产生不对称模式。对称模式具有更长的传播长度和更深入SM的电磁场穿透能力，因为它的衰减比不对称模式小[21]。对称模式被称为长程表面等离子体极化子（LRSPP），不对称模式被称为短程表面等离子体极化子（SRSPP）[17]。与传统的SPR相比，LRSPR具有更长的传播长度、更好的电场分布、更窄的共振线宽（更低的FWHM）、更高的检测精度和增强的RI灵敏度等优点[20]。LRSPR连接的更强且更长的电磁场使得传感层与目标分析物之间的相互作用更加牢固，从而提高了传感性能。由于基于LRSPR的传感器能够实现更高的灵敏度和实时无标记分析，它们在检测化学分子、气体、生物分子和疾病生物标志物方面引起了广泛关注[22]。

在LRSPR结构中，通常使用聚四氟乙烯（Teflon）和Cytop作为介电层或粘合剂，以有效激发LRSP并满足全内反射条件[23]。靠近SM的介电层对于调节电磁场分布和延长表面等离子体波的传播长度至关重要。因此，要获得高分辨率的RI传感，需要理想配置的低折射率介电层。Yin等人展示了一种光纤LRSPR传感器，用于高精度RI检测，其中改进的等离子体传播特性导致了更好的传感性能[24]。他们的研究表明，使用可见光和近红外（NIR）操作波长具有互补的优势，可见光区域提供更窄的共振线宽（更低的FWHM），而NIR区域提供更长的等离子体传播长度。在基于SPR的传感系统中，FWHM和DA是密切相关的参数；FWHM的降低通常会带来更好的共振锐度和更高的RI分辨率[40]。最近，复杂的基于SPR的传感器的发展引起了人们对二维（2D）材料的关注，如石墨烯[25]、黑磷（BP）[25]、MXenes[23]和其他过渡金属二硫属化物（TMDs）[23]。这些原子级薄材料具有特殊的光学和电子特性，如高RI、大表面积、可调载流子浓度和与光的强相互作用能力。2D材料增加了分析物的吸附能力，改善了靠近传感界面的电磁场限制，并在与等离子体结构结合时提高了SPR/LRSPR传感器的整体灵敏度和检测性能。因此，通过结合适当的2D材料，可以有效设计出高灵敏度、小型且无标记的等离子体传感平台。最近在等离子体和超材料光学结构方面的发展进一步证明了工程化光-物质相互作用的潜力。特别是基于石墨烯的多模态共振结构[26]、基于MoS2的超材料[27]以及展现等离子体诱导透明度的块状狄拉克半金属超材料[28]展示了强大的电磁场相互作用和可调谐的共振特性。类似的，基于2D材料和混合结构的窄带[29]和宽带超材料吸收器的可调谐光谱响应和改善的光限制也引起了广泛关注[30]。通过对三维混合Ag/MOF多等离子体共振腔结构的研究，进一步展示了混合等离子体结构增强共振特性的潜力，用于高性能SPR传感[31]。 Au共轭镧系纳米探针也被研究用于温度相关传感应用和近红外-II发射，强调了贵金属辅助光学相互作用的优势[32]。此外，基于SPR的D型单核和双核光纤配置展示了光纤集成等离子体结构在磁场传感方面的适应性[33]。AlCuFe基太赫兹吸收器展示了多功能性，具有多频带高灵敏度，进一步证明了工程化共振材料调节电磁响应的潜力[34]。这些进展表明，混合材料、纳米结构和工程化共振对于提高光学传感能力仍然至关重要。

二硒化钽（TaSe2）作为过渡金属二硫属化物（TMD）家族的一员，由于其独特的电子、光学和表面特性，在基于表面等离子体共振（SPR）的传感应用中引起了显著关注。TaSe2具有层状六方结构，由通过弱范德华力结合的Se–Ta–Se原子平面组成，能够形成原子级薄的纳米片[35]。在LRSPR传感器中，将TaSe2作为超薄功能层加入金属/介电界面可以有效改善传感性能，通过修改电磁场分布并增强光-物质相互作用。TaSe2的高载流子迁移率、可调光学性质和大比表面积为目标分析物提供了额外的吸附位点，从而提高了RI灵敏度。典型的LRSPR配置通过结合低RI介电层、TaSe2纳米片和薄贵金属层来激发LRSP。原子级薄的TaSe2层改进了入射光子与表面等离子体之间的耦合，作为高效的电荷传输和吸附介质。TaSe2的强场限制能力和高RI使其能够在传感界面增强电场，当它与化学分析物或生物分子相互作用时，会引起更大的共振波长移动。然而，TaSe2作为LRSPR配置中超薄功能层的潜力尚未受到充分关注。TaSe2作为一种具有优越光学和电子特性的过渡金属二硫属化物，可以改善等离子体场与周围传感介质之间的相互作用。在所提出的结构中，将超薄的TaSe2层添加到Cu/传感介质界面，以改善局部电磁场相互作用，并为分析物相互作用提供活跃的表面。之后，优化了低折射率KF层和Cu层，以在光学阻尼、等离子体耦合和长程等离子体传播之间达到适当的平衡。此外，还研究了添加2D TaSe2层对传感性能的影响。根据数值结果，TaSe2的集成改善了等离子体传播特性，导致LRSPR共振峰向更高入射角度逐渐移动，PD增强，传播长度持续增加。还研究了Simag，因为跟踪固定波长下反射强度的变化与SM RI变化之间的关系是评估SPR传感器性能的有用方法。使用TMM和角度询问方法计算了所提出的LRSPR结构的共振角度并绘制了反射曲线。此外，使用COMSOL Multiphysics平台分析了所提出传感器的等离子体特性和电磁场归一化，用于对其进行建模和数值模拟。

尽管LRSPR传感器在高性能RI传感方面具有潜力，但尚未从物理机制的角度彻底研究介电缓冲层厚度、金属厚度、等离子体耦合、场限制和共振线宽在TaSe2辅助LRSPR结构中的综合效应。因此，需要在保持窄共振和强电磁相互作用的同时优化多层配置。为了填补这一空白，当前的工作建议了一种2S2G/KF/Cu/TaSe2 LRSPR配置，并使用基于COMSOL的FEM模拟和TMM进行了彻底研究。优化KF和Cu的厚度、分析相应的电场分布和PD、检查FWHM和传感性能以及评估不同含丙酮分析物的RI变化是主要贡献。因此，该研究为所提出的TaSe2辅助LRSPR结构在体RI传感和性能优化方面提供了物理洞察。

图1展示了所提出的基于TaSe2的LRSPR传感器的多层配置。传感机制基于Kretschmann配置，通过将p偏振激光束通过高RI棱镜耦合，在Cu–TaSe2界面激发表面等离子体（SPs）。KF介电层对于LRSP的传播至关重要，因为它可以降低阻尼损失并增强靠近传感区域的电磁场限制。在适当的相位匹配条件下，图2展示了一种潜在的LRSPR结构制作工艺；然而，实际制作需要考虑KF间隔物的化学稳定性以及沉积工艺与超薄Cu层和TaSe?层的兼容性。为了实现有效的LRSP激发并提高传感性能，在制作过程中需要依次在棱镜表面沉积各种功能层。由于其适当的折射率（RI）和优越的性能，通过优化KF介电层和Cu层的厚度，可以检测丙酮。在这种多层结构中，LRSPs在Cu/TaSe2/SM界面处被入射的p偏振光通过2S2G棱镜激发。位于棱镜和Cu层之间的KF介电层对于传感器性能至关重要。

为了提高形式因子（FoM）和Simag参数，本文提出了一种使用2S2G棱镜、KF、Cu和TaSe2层来检测丙酮的LRSPR传感器。首先在KF层表面涂覆一层高折射率的2S2G层作为耦合介质。结果表明，该传感器的DA、FoM和Simag等性能指标得到了提升。当KF层厚度为1200纳米、Cu层厚度为23纳米时，其FoM和Simag分别为889.52/RIU和28650/RIU。

作者贡献：
Yogendra Narayan：概念设计、方法论、建模
Mohammad Junaid Khan：仿真、图表制作、初稿撰写、正式分析
Anand Deva Durai C：格式编排、正式分析
Prakash Gadipelli：正式分析
Ayman A. AbuBaker：正式分析
Rajeev Kumar：设计、建模、审稿与编辑、正式分析

数据与材料的可用性：
生成的数据集已包含在手稿中。

出版同意：
本手稿的作者同意发表这项理论研究。

参与同意：
无需额外同意。

利益冲突：
本手稿尚未发表，也未被其他机构考虑出版。所有作者均已阅读手稿并同意提交，且不存在任何利益冲突。

作者署名贡献声明：
Yogendra Narayan：初稿撰写、数据整理、概念设计
Mohammad Junaid Khan：初稿撰写、数据可视化
Anand Deva Durai C：数据可视化、方法论、正式分析
Prakash Gadipelli：初稿撰写、数据可视化、验证
Ayman A. AbuBaker：调查研究、正式分析
Rajeev Kumar：审稿与编辑、监督、正式分析

利益冲突声明：
作者声明没有已知的可能影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

资金支持：
作者感谢King Khalid大学研究与发展学院通过RGP1/198/47号资助项目对这项工作的支持。