Exploring the Feasibility of the Anisotropic Property of ReS₂ in Long-Range Surface Plasmonic Sensing for Superior Performance

Resumen Técnico: Exploración de la viabilidad de la propiedad anisotrópica de ReS₂ en la detección plasmónica de superficie de largo alcance para un rendimiento superior

Planteamiento del problema
Los sensores de Resonancia de Plasmón de Superficie Convencional (CSPR), aunque ampliamente utilizados para la detección sin marcadores, sufren limitaciones inherentes que incluyen altas pérdidas de propagación, profundidades de penetración poco profundas (típicamente 100–200 nm) y curvas de resonancia anchas que reducen la precisión de detección (DA) y la resolución de detección. Mientras que los sensores de Resonancia de Plasmón de Superficie de Largo Alcance (LRSPR) se desarrollaron para abordar estos problemas ofreciendo una penetración más profunda (500–1000 nm) y curvas de resonancia más estrechas, los diseños existentes a menudo dependen de nanomateriales isotrópicos. Esto restringe la explotación de las propiedades ópticas direccionales para la mejora de la detección. Además, existe una brecha de investigación significativa con respecto a la investigación sistemática de nanomateriales anisotrópicos, específicamente el disulfuro de renio (ReS₂), dentro de las arquitecturas LRSPR, particularmente en lo que respecta al rendimiento comparativo de diferentes metales plasmónicos y configuraciones de multicapas de ReS₂.

Metodología
Los autores proponen un novedoso sensor LRSPR con configuración Kretschmann diseñado para aprovechar las propiedades ópticas anisotrópicas del ReS₂. La estructura del sensor consiste en un prisma de vidrio de calcogenuro 2S2G, una capa dieléctrica de Cytop, una capa metálica plasmónica de plata (Ag), una capa de pasivación de niobato de litio (LiNbO₃) de 10 nm para prevenir la oxidación de la Ag, y una capa de ReS₂ (monocapa, bicapa o tricapa) que sirve como elemento de reconocimiento biomolecular (BRE).

Aspectos metodológicos clave incluyen:

• Selección de materiales: Se seleccionó la plata (Ag) sobre el oro (Au) y el aluminio (Al) debido a su función dieléctrica real negativa superior y menores pérdidas ópticas a la longitud de onda de operación de 633 nm. El LiNbO₃ actúa como una barrera protectora, mientras que el ReS₂ se orienta con sus cadenas atómicas de Re-Re paralelas a la polarización de la luz incidente (θ = 0°) para maximizar la absorción óptica y la interacción luz-materia.
• Técnicas de simulación: El rendimiento del sensor se analizó mediante el Método de la Matriz de Transferencia (TMM) en MATLAB para calcular las curvas de reflectancia y las métricas de rendimiento. Las distribuciones de campo electromagnético y los modos de Polaritón de Plasmón de Superficie de Largo Alcance (LRSPP) se investigaron utilizando simulaciones de COMSOL Multiphysics.
• Métricas de rendimiento: El estudio evalúa la Sensibilidad Angular ($S_{ang}$), la Sensibilidad de Imagen ($S_{img}$), la Precisión de Detección ($DA$), el Factor de Mérito Angular ($FOM_{ang}$), el Factor de Mérito de Imagen ($IFOM$) y la Profundidad de Penetración ($PD$).

Contribuciones Clave

1. Primera implementación de ReS₂ en LRSPR: Este trabajo representa la primera investigación sistemática de ReS₂ en una arquitectura de detección LRSPR, utilizando sus propiedades anisotrópicas para mejorar la adsorción e interacción biomolecular.
2. Optimización comparativa de metales: El estudio proporciona una comparación exhaustiva de Ag, Au y Al como capas plasmónicas cuando se combinan con variaciones en el espesor de ReS₂, identificando a la Ag como el metal óptimo para esta configuración específica.
3. Análisis de multicapas: La investigación analiza sistemáticamente las configuraciones de monocapa, bicapa y tricapa de ReS₂, demostrando cómo el espesor de la capa influye en la sensibilidad y las características de resonancia.
4. Estrategia de pasivación: Se propone la integración de una capa de LiNbO₃ para mitigar los problemas de oxidación asociados con la Ag, asegurando la estabilidad química sin comprometer el rendimiento óptico.

Resultados
Los resultados de la simulación indican que el sensor propuesto supera significativamente tanto a los sensores CSPR convencionales como a los diseños LRSPR reportados previamente:

• Configuración óptima: El sensor basado en Ag con una monocapa de ReS₂ logró la mayor Sensibilidad de Imagen ($S_{img}$) de 18,361 RIU⁻¹ y una Precisión de Detección ($DA$) de 100/°. La configuración de bicapa produjo una $S_{img}$ de 20,320 RIU⁻¹, mientras que la de tricapa alcanzó 22,237 RIU⁻¹.
• Resolución y precisión: Los sensores propuestos exhibieron valores de ancho de banda a media altura (FWHM) extremadamente estrechos (0.01° a 0.02°), lo que resultó en una alta Precisión de Detección (hasta 100/°) y valores de Factor de Mérito Angular ($FOM_{ang}$) de 1,200 RIU⁻¹ para las configuraciones de monocapa y bicapa.
• Profundidad de penetración: El diseño propuesto demostró profundidades de penetración significativamente más profundas en comparación con CSPR (225.14 nm), oscilando entre 713.11 nm (monocapa) y 644.22 nm (tricapa), facilitando una mejor interacción con los analitos.
• Comparación con el estado del arte: Los valores de $S_{img}$ e $IFOM$ del sensor propuesto exceden sustancialmente los de la literatura existente (por ejemplo, la Ref [43] reportó una $S_{img}$ de 4,998 RIU⁻¹ e $IFOM$ de 546.7 (°RIU)⁻¹). El diseño de monocapa propuesto logró un $IFOM$ de 1.8361×10⁶ (°RIU)⁻¹.

Significancia
El artículo afirma que el diseño propuesto ofrece una solución novedosa y de alto rendimiento para la detección biomolecular ultrasensible. Al utilizar eficazmente las propiedades anisotrópicas del ReS₂ y optimizar las capas metálicas plasmónicas y de pasivación, el sensor logra una sensibilidad, resolución angular y profundidad de penetración superiores en comparación con los sensores LRSPR convencionales y existentes. Los autores sostienen que el modelado demostrado y la viabilidad de fabricación (mediante técnicas estándar como el recubrimiento por rotación, PVD y métodos de sol-gel) respaldan la aplicación práctica de este sensor en sistemas de biosensado avanzados, particularmente para la detección de bajas concentraciones de biomoléculas donde la alta precisión y la penetración profunda del campo son críticas.