一种基于金属-电介质光子晶体的葡萄糖传感器，通过使用二维材料提高了其灵敏度

《Scientific Reports》：A metal-dielectric photonic crystal-based glucose sensor with sensitivity enhancement by using 2D materials

　　

摘要

金属-电介质光子晶体（MDPhCs）能够在MDPhC与相邻介质（分析物）的界面上支持布鲁赫波（BLSWs）的激发，这种晶体已成为高灵敏度检测气态分析物的非常有前景的替代方案。在本文中，我们扩展了这一概念，用于葡萄糖的检测。当基于BLSWs的共振现象在Kretschmann结构中出现狭窄的凹陷时，其具有超高的灵敏度。此外，提高灵敏度的一种可能方法是使用二维材料作为MDPhC的覆盖层，例如黑磷或二硫化钼（MoS?）。对于由两层TiO?/Au组成的MDPhC，并在其表面覆盖一层TiO?，我们证明在模拟葡萄糖溶液时，基于BLSWs的共振现象可以被有效检测到。当葡萄糖的折射率（RI）在1.32797–1.32867之间时（波长为1.55 μm），对应于生理相关的葡萄糖浓度范围0–500 mg/dL，系统能够实现该现象。通过波长探测，我们获得了19.9 μm/RI单位的折射率灵敏度、10?? RI?1的性能系数（FOM）以及5.0 × 10?? RI单位的检测限（LOD）。进一步分析发现，当在MDPhC表面覆盖单层黑磷或MoS?时，折射率灵敏度可提高至26.9 μm/RI单位；性能系数达到10?? RI?1，检测限低至3.7 × 10?? RI单位；相应地，在葡萄糖浓度范围内，灵敏度可提升至0.0379 nm/(mg/dL)，检测限降低至2.6 mg/dL。这项研究展示了基于BLSWs的传感器使用MDPhCs时的卓越性能，通过引入二维材料可以显著提升其灵敏度。这类传感器有望广泛应用于各种生物传感领域。