[论文解读] Ultrasensitive and highly accurate long-range surface plasmon resonance biosensors based on two-dimensional transition metal dichalcogenides

Yi Xu, Chang‐Yu Hsieh+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2017

Advanced biosensing and bioanalysis techniques参考文献 71被引用 36

一句话总结

该论文提出了一种基于二维过渡金属二硫属化合物（TMDCs）如MoS₂、MoSe₂、WS₂和WSe₂的高灵敏度、高精度长程表面等离子体共振（LRSPR）生物传感器，作为信号增强和生物分子吸附层。通过将TMDCs与金薄膜及Cytop介电层结合，成像灵敏度最高可达4,244 RIU⁻¹，检测精度超过135 deg⁻¹，优于传统SPR和石墨烯基传感器，其优势源于可调的等离子体耦合与电子转移效率。

ABSTRACT

Two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDCs), as promising alternative plasmonics supporting materials to graphene, exhibit potential applications in sensing. Here, we propose an ultrasensitive, accurate long-range surface plasmon resonance (LRSPR) imaging biosensor with two-dimensional TMDC layers, which shows higher detection accuracy than that of conventional SPR biosensor. It is found that the imaging sensitivity of the proposed LRSPR biosensor can be enhanced by the integration of TMDC layers, which is different from the previous graphene-based LRSPR or SPR imaging sensor, whose imaging sensitivity usually decreases with the number of graphene layers. The sensitivity enhancement or degradation effect for the proposed chalcogenide-cytop-gold-TMDCs based biosensor depends on the thickness of gold thin film and cytop layer. Imaging sensitivity of more than 4000 $ ext{RIU}^{-1}$ can be obtained with a high detection accuracy of more than 120 $ ext{deg}^{-1}$. We expect that the proposed TMDCs mediated LRSPR imaging sensor could provide potential applications in chemical sensing and biosensing for a highly sensitive and accurate simultaneous detection of multiple biomolecular interactions.

研究动机与目标

• 开发一种长程表面等离子体共振（LRSPR）生物传感器，其灵敏度与检测精度超越传统SPR和石墨烯基系统。
• 研究二维过渡金属二硫属化合物（TMDCs）作为LRSPR传感器中信号增强与生物分子吸附层的作用。
• 通过调节金膜与Cytop介电层的厚度，优化传感器性能，因其对灵敏度与精度具有关键影响。
• 确定折射率（RI）检测极限，并提出材料替代方案（如MgF₂）以扩展工作范围。
• 比较钨基（WS₂、WSe₂）与钼基（MoS₂、MoSe₂）TMDCs的性能，以实现最优传感效果。

提出的方法

• 传感器结构包括一个2S2G棱镜、一个Cytop介电层、一层金（Au）薄膜，以及作为活性传感层的单层TMDC（MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂）。
• 通过Kretschmann配置，使用固定入射角的p偏振光激发LRSPR模式，测量反射率-角度曲线以提取共振深度特征。
• 理论建模采用传输矩阵法计算反射率与电场分布，灵敏度定义为反射率-角度曲线的斜率（dθ/dn）。
• 检测精度（DA）通过共振深度半高全宽（FWHM）的倒数量化，数值越高表示深度越尖锐，分辨率越好。
• 通过改变金膜厚度（10–30 nm）、Cytop层厚度（1.0–2.0 μm）和传感层折射率（1.300–1.365），系统分析灵敏度与DA。
• 将性能与传统SPR和石墨烯基LRSPR传感器进行基准对比，重点比较成像灵敏度与检测精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统SPR和石墨烯基系统相比，TMDCs的引入如何影响LRSPR生物传感器的成像灵敏度与检测精度？
• RQ2 在TMDC基LRSPR传感器中，金膜与Cytop介电层的最优厚度是多少，以实现灵敏度与精度的最大化？
• RQ3 传感层折射率如何影响所提出的LRSPR生物传感器的成像灵敏度与检测精度？
• RQ4 为何在情况2中，TMDC基LRSPR传感器的成像灵敏度随传感层RI升高而提升，而在情况1中则不然？其灵敏度增强或退化的原因是什么？
• RQ5 通过用折射率更高的介质（如MgF₂）替代Cytop层，能否扩展传感器的折射率检测极限？

主要发现

• 所提出的TMDC基LRSPR生物传感器在传感层折射率为1.365时，单层MoS₂的成像灵敏度最高达4,244 RIU⁻¹，WSe₂为4,223 RIU⁻¹。
• 在相同折射率下，MoS₂与WSe₂基传感器的检测精度超过135 deg⁻¹，显著优于传统SPR与石墨烯基系统。
• 当Cytop层厚度为1.0 μm且金膜为15 nm时，灵敏度显著提升，且钨基TMDCs（WS₂、WSe₂）的灵敏度高于钼基TMDCs（MoS₂、MoSe₂）。
• 在更高传感层RI（>1.330）下，反射率-角度曲线的最小反射率显著降低，提升了信噪比，从而实现更高精度。
• 传感器的折射率检测极限为1.370；若用MgF₂（RI≈1.38）替代Cytop层，可进一步扩展该极限并提升传感器工作范围。
• 通过用银、铝或铜替代金，可进一步提升传感器性能，因其具有更窄的SPR曲线，从而具备更高的本征检测精度。