Lumerical案例 | 基于MIM双环谐振器的等离子体光学生物传感器 原创

在医疗健康、食品安全与环境监测领域，病原细菌的快速精准检测始终是一项关键挑战。传统检测方法如微生物培养、聚合酶链式反应（PCR）技术等虽可靠，但存在耗时久、依赖专业设备、灵敏度不足等局限，难以满足实时监测与现场应用需求。近日，一项发表于《Scientific Reports》的研究为这一困境提供了解决方案[1] —— 基于金属-绝缘体-金属（MIM）双环谐振器的等离子体光学生物传感器，以其超高灵敏度、快速响应及多细菌区分能力，有望重塑细菌检测技术格局。

细菌检测技术的现状与痛点

细菌感染仍然是全球发病率和死亡率的主要原因，诊断延迟往往会加剧临床结果。然而，传统检测手段存在显著短板：微生物培养需数天时间，PCR与酶联免疫吸附试验（ELISA）技术依赖实验室条件且操作复杂，难以在资源有限地区推广应用。即便在技术相对成熟的场景，这些方法对早期感染的低浓度细菌也常出现漏检，延误治疗时机。

近年来，光学生物传感器凭借无标记检测、实时分析、可微型化等优势成为研究热点，其中等离子体传感器因对局部折射率变化的超高敏感性脱颖而出。表面等离子体激元（SPPs）在金属-介质界面的激发，可将电磁场强局域化，极大增强光与生物分子的相互作用，为高灵敏度检测奠定基础。但现有技术在特异性、多参数优化及实际环境适应性上仍有提升空间。

MIM 双环谐振器传感器的设计与优化

（一）核心结构：MIM双环谐振器的设计

该传感器采用MIM双环谐振器结构，其结构如图1所示，核心由两层金属夹一层介质基板构成，通过纳米环与垂直臂的巧妙布局实现电磁场强约束。具体设计中，金纳米环与金背反射器的组合被选为最优方案——金具有优异的等离子体共振特性与化学稳定性，可有效减少生物环境中的干扰；绝缘介质基板由一层制成，厚度经优化后确保电磁场与分析物的高效作用；传感器整体结构参数通过粒子群优化（PSO）算法迭代优化，最终确定关键尺寸如表1所示。

图1 等离子体激元生物传感器中MIM结构的示意图

参数符号值介质基板长度	L	780nm
臂长	d	310nm
环宽度	w	50nm
环半径	R	130nm
背反射器厚度	hb	100nm
介质基板厚度	hd	205nm
环和臂厚度	hr	75nm
分析物层厚度	ha	200nm

表1 优化后的传感器尺寸参数

（二）优化方法：PSO算法与多参数平衡

为同时提升传感器灵敏度与品质因数（FOM），研究团队采用粒子群优化（PSO）算法对结构参数进行系统优化。通过建立“参数-性能”映射模型，分析背反射器厚度、介质基板厚度、纳米环厚度、分析物层厚度等关键参数对传感器性能的影响：

• 背反射器厚度（）：在98-104nm范围内，灵敏度峰值达330nm/RIU，FOM约11RIU⁻¹，结果突出了增强的场约束和增加的等离子体激元损失之间的权衡。介质基板层厚度（）：205-215nm区间内，厚度增加会削弱电磁场约束，导致灵敏度与FOM下降。纳米环厚度（）：65-75nm范围内，75nm时灵敏度达330nm/RIU，FOM峰值10.5RIU⁻¹，此时欧姆损耗最小。分析物层厚度（）：185-210nm区间内，200-205nm时性能最优，因电磁场与检测层重叠度最高。

图2 PSO优化结果。(a)背反射器厚度，（b）介质基板层厚度，（c）纳米环厚度，（d）分析物层厚度的灵敏度和FOM。

仿真验证：3D-FDTD技术与性能评估

（一）仿真工具与参数设置

研究采用三维时域有限差分法（3D-FDTD）进行仿真验证，使用Lumerical FDTD分析软件构建模型，关键设置如下：

• 波长范围：1000-1300nm网格精度：全局10nm，敏感区域（MIM纳米环）细化至2nm（dx=dy=dz=2nm）边界条件：z轴采用完美匹配层（PML），x、y轴为周期性边界光源：平面波温度：300K，仿真时间1000fs
• 通过调整分析物折射率（Δns），记录共振波长偏移（Δλ₀），计算核心性能指标：灵敏度（S）：（单位：nm・RIU⁻¹）品质因数（FOM）：（FWHM为共振峰半高宽）检测限（LoD）：

（二）电磁场分布与增强机制

传感器的高灵敏度源于强电磁场约束效应。仿真结果显示，在1067.25nm波长下，XY平面（z=0nm）的电磁场呈现四极子分布，纳米环周围场强达最大值10（相对单位），表明SPPs在金-介质界面被高效激发；XZ平面（y=0nm）的电磁场集中于介质间隙（z=75-280nm），并向分析物层（z>280nm）呈指数衰减，显著增强光与细菌的相互作用。

图3 （a）XY平面中的电场分布;（b）XZ平面中的电场分布

（三）性能指标

经优化的MIM双环谐振器传感器展现卓越性能：

• 灵敏度：324.76nm・RIU⁻¹品质因数（FOM）：10.187RIU⁻¹检测限（LoD）：0.075RIU共振峰半高宽（FWHM）：31.88nm
• 与现有技术相比，该传感器在灵敏度、FOM与检测限上全面领先。例如，传统MIM传感器灵敏度多在200-300nm/RIU，FOM约8RIU⁻¹，而本研究通过结构优化将性能提升15%-25%，尤其在复杂生物环境中仍保持稳定输出。

参考灵敏度（nm.RIU-1）FWHM（nm）FOM（RIU-1）LoD2	66	0.9	7.7	---
3	150	20	7.5	0.1
4	280	35	8	0.08
5	313	39.1	4	---
本文	324.76	31.88	10.187	0.075

表2 性能参数对比

（四）多细菌检测与环境稳定性

传感器可通过折射率差异精准区分多种细菌：

• 霍乱弧菌（n=1.365）：共振波长偏移5nm大肠杆菌（n=1.388）：共振波长偏移10nm假单胞菌（n=1.437-1.526）：共振波长偏移15-25nm

图4 不同细菌的反射光谱曲线

此外，传感器在复杂环境中表现出强稳定性：

• 温度适应性：0-500K范围内性能无显著波动角度耐受性：入射角度0°-50°时共振峰稳定偏振无关性：TE与TM偏振模式下检测结果一致

图5 （a）不同温度下的反射光谱；（b）不同入射角下的反射光谱;（c）TE和TM偏振模式的反射光谱

总结

基于MIM双环谐振器的等离子体光学生物传感器通过结构创新与多参数优化，实现了324.76nm・RIU⁻¹的超高灵敏度与0.075RIU的低检测限，成功区分霍乱弧菌、大肠杆菌等多种致病菌，并在宽温域、多角度条件下保持稳定性能。3D-FDTD仿真与PSO优化验证了设计的科学性，Lumerical软件的精准模拟为后续实验转化提供坚实基础。欢迎联系摩尔芯创申请lumerical软件试用。

参考文献：

[1] Khodaie A, Rafighirani Y, Heidarzadeh H, et al. Design of a plasmonic optical biosensor based on a metal-insulator-metal ring resonator for the detection of various bacterial pathogens[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 20699.

[2] Alsalman O, Wekalao J, Arun Kumar U, et al. Design of split ring resonator graphene metasurface sensor for efficient detection of brain tumor[J]. Plasmonics, 2024, 19(1): 523-532.

[3] Zhu S, Tang Y, Lin C, et al. Recent advances in patterning natural polymers: from nanofabrication techniques to applications[J]. Small Methods, 2021, 5(3): 2001060.

[4] Mostufa S, Paul A K, Chakrabarti K. Detection of hemoglobin in blood and urine glucose level samples using a graphene-coated SPR based biosensor[J]. OSA Continuum, 2021, 4(8): 2164-2176.

[5] Taghipour A, Heidarzadeh H. Design and analysis of highly sensitive LSPR-based metal–insulator–metal nano-discs as a biosensor for fast detection of SARS-CoV-2[C]//Photonics. MDPI, 2022, 9(8): 542.