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

技术摘要：探索 ReS₂ 各向异性特性在长程表面等离子体传感中的可行性以实现卓越性能

问题陈述
传统的表面等离子体共振 (CSPR) 传感器虽然广泛用于无标记检测，但存在固有的局限性，包括高传播损耗、浅穿透深度（通常为 100–200 nm）以及降低检测精度 (DA) 和传感分辨率的宽共振曲线。虽然开发了长程表面等离子体共振 (LRSPR) 传感器以解决这些问题，提供更深的穿透（500–1000 nm）和更窄的共振曲线，但现有的设计通常依赖于各向同性纳米材料。这限制了对利用定向光学特性进行传感增强的探索。此外，在系统研究各向异性纳米材料（特别是二硫化铼 ReS₂）在 LRSPR 架构中的应用方面，仍存在显著的研究空白，特别是在不同等离子体金属和多层 ReS₂ 配置的比较性能方面。

方法论
作者提出了一种新型 Kretschmann 配置的 LRSPR 传感器，旨在利用 ReS₂ 的各向异性光学特性。该传感器结构由 2S2G 硫代钙玻璃棱镜、Cytop 电介质层、银 (Ag) 等离子体金属层、10 nm 铌酸锂 (LiNbO₃) 钝化层（用于防止 Ag 氧化）以及作为生物分子识别元件 (BRE) 的 ReS₂ 层（单层、双层或三层）组成。

关键方法论方面包括：

• 材料选择： 选择银 (Ag) 而非金 (Au) 或铝 (Al)，是因为在 633 nm 工作波长下，它具有更优越的负实部介电函数和更低的光学损耗。LiNbO₃ 作为保护屏障，而 ReS₂ 的取向使其 Re-Re 原子链与入射光偏振方向（θ = 0°）平行，以最大化光学吸收和光-物质相互作用。
• 模拟技术： 使用 MATLAB 中的转移矩阵法 (TMM) 分析传感器性能，以计算反射率曲线和性能指标。使用 COMSOL Multiphysics 模拟研究电磁场分布和长程表面等离子体极化激元 (LRSPP) 模式。
• 性能指标： 本研究评估了角度灵敏度 ($S_{ang}$)、成像灵敏度 ($S_{img}$)、检测精度 ($DA$)、角度品质因子 ($FOM_{ang}$)、成像品质因子 ($IFOM$) 以及穿透深度 ($PD$)。

主要贡献

1. 首次将 ReS₂ 应用于 LRSPR： 本工作首次系统地研究了 LRSPR 传感架构中的 ReS₂，利用其各向异性特性来增强生物分子吸附和相互作用。
2. 金属比较优化： 研究对结合不同厚度 ReS₂ 的 Ag、Au 和 Al 等离子体层进行了全面比较，确定 Ag 是该特定配置下的最佳金属。
3. 多层分析： 研究系统地分析了单层、双层和三层 ReS₂ 配置，展示了层厚度如何影响灵敏度和共振特性。
4. 钝化策略： 提出了集成 LiNbO₃ 层的方案，以减轻与 Ag 相关的氧化问题，在不损害光学性能的情况下确保化学稳定性。

结果
模拟结果表明，所提出的传感器性能显著优于传统的 CSPR 传感器和先前报道的 LRSPR 设计：

• 最优配置： 基于 Ag 且带有单层 ReS₂ 的传感器实现了最高的成像灵敏度 ($S_{img}$) 18,361 RIU⁻¹ 和检测精度 ($DA$) 100/°。双层配置的$S_{img}$ 为 20,320 RIU⁻¹，而三层配置达到了 22,237 RIU⁻¹。
• 分辨率与精度： 所提出的传感器表现出极窄的半高全宽 (FWHM) 值（0.01° 至 0.02°），从而实现了高检测精度（高达 100/°）和单层及双层配置下为 1,200 RIU⁻¹ 的角度品质因子 ($FOM_{ang}$)。
• 穿透深度： 与 CSPR (225.14 nm) 相比，所设计的方案展现出显著更深的穿透深度，范围从 713.11 nm（单层）到 644.22 nm（三层），有利于与分析物进行更好的相互作用。
• 与现有技术的比较： 所提出的传感器的 $S_{img}$ 和 $IFOM$值大幅超过了现有文献（例如，文献 [43] 报道的$S_{img}$ 为 4,998 RIU⁻¹，$IFOM$ 为 546.7 (°RIU)⁻¹）。所提出的单层设计实现了 1.8361×10⁶ (°RIU)⁻¹ 的 $IFOM$。

意义
论文声称，所提出的设计为超灵敏生物分子检测提供了一种新颖且高性能的解决方案。通过有效利用 ReS₂ 的各向异性特性并优化等离子体金属和钝化层，该传感器与传统的及现有的 LRSPR 传感器相比，实现了卓越的灵敏度、角度分辨率和穿透深度。作者断言，所展示的建模和制造可行性（通过旋涂、PVD 和溶胶-凝胶法等标准技术）支持了该传感器在先进生物传感系统中的实际应用，特别是在对高精度和深场穿透要求极高的低浓度生物分子检测领域。