基于纳米颗粒的开放式气孔FM-MCF LSPR生物传感器gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

光学生物传感器在检测生物系统方面表现出良好的性能，并在临床诊断、药物发现、食品安全和环境监测等方面取得了重大进展(gydF4y2BaChiavaioli等人，2017agydF4y2Ba；gydF4y2BaZanchetta等人，2017年gydF4y2Ba；gydF4y2BaSinibaldi等人，2018gydF4y2Ba；gydF4y2BaMin Y, 2020gydF4y2Ba这是由于光信号具有灵敏度高、抗干扰、稳定、噪声低等优点。局部化表面等离子体共振(LSPR)生物传感器被广泛应用，因为它比传统的光学生物传感器具有许多显著的优势，包括高折射率(RI)灵敏度、快速传感器响应、实时检测和无标记技术(gydF4y2Ba陈明，2012gydF4y2Ba；gydF4y2Ba曹等，2014gydF4y2Ba)．随着纳米技术的发展，基于LSPR的生物传感器越来越受到研究者的关注(gydF4y2BaChen等，2020gydF4y2Ba；gydF4y2Ba李等，2020年gydF4y2Ba；gydF4y2Ba王等，2020gydF4y2Ba)， LSPR现象存在于金属纳米颗粒(MNP)中，而不是大块金属中，当纳米颗粒中的传导电子与入射光子频率相同时，就会发生集体振荡。当LSPR被激发时，光子的吸收和散射大大增强，并在宽光谱范围内出现共振峰。gydF4y2Ba

纳米粒子在LSPR激发中起着至关重要的作用，当金属粒子处于纳米级大小且小于光波长时，其物理性质会发生巨大变化(gydF4y2BaWillets和Van Duyne, 2007gydF4y2Ba)．由于纳米颗粒具有较高的比表面积，可以用来克服SPR传感器性能的限制。此外，局部化表面等离子体激元分布在粒子表面附近的一个小区域，因此可以通过改变粒子的性质，如颗粒大小、形状和组成来控制LSPR (gydF4y2BaChen et al.， 2008gydF4y2Ba)．尺寸和形状依赖使得共振峰可以沿着整个可见光和近红外光谱进行调整，同时，它有助于优化纳米颗粒的表面增强、热处理和增强生物传感器响应。此外，LSPR对MNPs周围的RI变化具有高度的响应性，共振峰移位可用于监测纳米颗粒周围生物分子相互作用引起的局部RI变化，因此LSPR生物传感器适用于观察极低浓度的生物液体分析物和小质量分子(gydF4y2BaCottat et al.， 2013gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

光纤为LSPR传感器的设计提供了极大的优势。已证实，扩大LSPR面积是设计高效生物传感器的关键，因为LSPR面积的大小与生物液体分析物中RI变化的传感能力成正比(gydF4y2Ba他,2019gydF4y2Ba)．因此，采用开放式结构的光纤传感器更为可行，其凹槽通道可以很容易地覆盖或涂覆纳米颗粒。在这样的设计中，LSPR区域被放大，生物液体分析物与纳米颗粒的接触是畅通无阻的。已经开发了几种开放式结构传感器。Liu等人提出了一种基于PCF的带有两个开环通道的中红外SPR传感器，在开环壁上沉积了一层薄薄的金膜，液体分析物可以穿透通道(gydF4y2Ba刘等，2017gydF4y2Ba)．由于核心模式同时在两个开环通道上激活SPR，因此无法选择传感通道。Yang等人利用氧化铟锡(ITO)设计了一种结合方形通道的凹形PCF用于SPR传感(gydF4y2BaYang等，2019gydF4y2Ba)．虽然在两篇论文中没有提及和强调沟槽传感通道的作用，但传感通道的分布为解决液体生物物质检测中的问题提供了有用的见解。gydF4y2Ba

为了解决上述问题，我们提出了基于纳米粒子的开放式多孔少模多芯光纤(FM-MCF) LSPR生物传感器。由于FM-MCF的气孔分布，六个外部露天气孔使金纳米颗粒易于在传感器表面组装并扩大LSPR面积。FM-MCF结合了多芯光纤(mcf)和少模光纤(fmf)的优点，旨在缩小损耗谱并提高耦合效率(gydF4y2Ba董等，2019gydF4y2Ba)．这使得传感器具有高分辨率和高灵敏度(gydF4y2Ba《摩拉与伊斯兰》，2020年gydF4y2Ba；gydF4y2Ba辛格等人，2020年gydF4y2Ba)．此外，mcf有利于实现多通道传感(gydF4y2Ba魏等，2017gydF4y2Ba)．尽管FM-MCF传感器已被研究过(gydF4y2Ba杨等，2017gydF4y2Ba；gydF4y2Ba王等，2018gydF4y2Ba；gydF4y2Ba姚等，2019gydF4y2Ba)，在生物化学中的应用很少报道。我们提出的LSPR生物传感器在液体分析物检测中表现出高灵敏度，因此在化学和生物传感方面具有潜力(gydF4y2BaChiavaioli等人，2018gydF4y2Ba；gydF4y2Ba郑等，2018gydF4y2Ba；gydF4y2BaZubiate等人，2019gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

制备传感模型与仿真gydF4y2Ba

图1一个gydF4y2BaFM-MCF LSPR传感器系统器件示意图;整个系统包括光源(Ocean Optics HL-2000)，七芯光纤扇进/扇出模块(FAN 7-42,YOFC)， FM-MCF传感器，玻璃罐和光谱仪(Ocean Optics HR4000CG-UV-NIR)。FM-MCF通过单模七芯光纤(SM-SCF)与光源和光谱仪连接。它是扇进/扇出模块的一部分，如图所示gydF4y2Ba图1 bgydF4y2Ba该模块的另一端由7根单模光纤(smf)组成。FM-MCF中间长度为1cm的区域作为传感区域，gydF4y2Ba图1 cgydF4y2Ba为传感区域的截面，其中七个芯呈六边形排列，每个芯周围有六个通气孔，形成六边形。如在gydF4y2Ba图1 dgydF4y2Ba无涂层的FM-MCF包层直径为192 μm，芯径为13.1 μm，气孔直径为9.4 μm，芯距为40 μm，气孔距为13.3 μm。为了制造凹槽感应通道，可以看到在gydF4y2Ba图1 cgydF4y2Ba， FM-MCF最外层的六个气孔用氢氟酸蚀刻成与芯相切。然后，六个露天孔被用来组装纳米颗粒，并容纳生物液体分析物。当金纳米颗粒被填充到这些沟槽传感通道中时，我们的生物传感器可以检测多种生物液体分析物。gydF4y2Ba

为了找到FM-MCF LSPR传感器的优化参数，采用有限元软件COMSOL Multiphysics对其性能进行了数值模拟。在模型向导窗口中，我们在电磁波模块中选择频域(ewfd)，在选择研究中选择模式分析。在COMSOL中的仿真模型如图所示gydF4y2Ba图2一个gydF4y2Ba．由于其几何对称和低核与核之间的串扰(gydF4y2Ba范乌登等人，2014gydF4y2Ba)，每根光纤芯都被认为是独立地传输光。因此，只需要计算整个纤维的六分之一。如图有限元网格所示，橙色线为周期性边界条件，最外层设置完美匹配层(PML)。此外，利用自由三角形网格对计算区域进行分割。计算区域包含22,161个域元，自由度为155,738个。gydF4y2Ba图2 bgydF4y2Ba是红色方块的放大图，它描绘了一个半径为150纳米的金纳米颗粒附着在蚀刻的开放气孔上。gydF4y2Ba

在模拟过程中，纯二氧化硅的折射率可以用Sellmeier方程(gydF4y2BaSellmeier 1871gydF4y2Ba)．金在可见光区和近红外区的介电常数由德鲁德-洛伦兹模型给出，其形式为(gydF4y2Barakic等人，1998年gydF4y2Ba）gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba ${\mathrm{\omega gydF4y2Ba}}_{\mathrm{pgydF4y2Ba}}$ 等离子体的频率，k是振子的频率gydF4y2Ba ${\mathrm{\omega gydF4y2Ba}}_{\mathrm{jgydF4y2Ba}}$ 、力量gydF4y2Ba ${\mathrm{fgydF4y2Ba}}_{\mathrm{jgydF4y2Ba}}$ ，和寿命gydF4y2Ba $\mathrm{1gydF4y2Ba}/gydF4y2Ba{\mathrm{\Gamma gydF4y2Ba}}_{\mathrm{jgydF4y2Ba}}$ ,而gydF4y2Ba ${\mathrm{\Omega gydF4y2Ba}}_{\mathrm{pgydF4y2Ba}}＝gydF4y2Ba\sqrt{{\mathrm{fgydF4y2Ba}}_{\mathrm{0gydF4y2Ba}}}{\mathrm{\omega gydF4y2Ba}}_{\mathrm{pgydF4y2Ba}}$ ．gydF4y2Ba

同样，对于FM-MCF LSPR传感器来说，约束损失是一个关键参数，它表达了LSPR的激励。约束损失主要由核模有效RI (Im(neff))的虚部决定，计算方法为(gydF4y2BaYang等，2021gydF4y2Ba）gydF4y2Ba

其中λ为入射波长。因此，我们可以发现和讨论金纳米粒子在某些损耗谱和电场中的LSPR效应。gydF4y2Ba

当生物液体分析物RI发生轻微变化时，FM-MCF LSPR传感器的谐振波长会发生偏移。因此，共振波长的偏移可用于检测生物液体分析物的RI变化。灵敏度是衡量传感器性能的重要参数。光谱灵敏度描述为(gydF4y2BaYang等，2021gydF4y2Ba）gydF4y2Ba

其中为损失峰的共振波长偏移，为生物液体分析物RI的变化。gydF4y2Ba

结果与讨论gydF4y2Ba

我们的FM-MCF最初设计用于通信中的光信号传输，因此它只支持LPgydF4y2Ba_01gydF4y2Ba和LPgydF4y2Ba_11gydF4y2Ba每个核心在通信波段上有两种模式。基模激励下FM-MCF LSPR传感器的损耗谱(LPgydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}和LPgydF4y2Ba_{01 xgydF4y2Ba})载于gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba，而生物液体分析物RI (ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba})为1.33，金纳米颗粒的半径为110 nm。LP光场分布gydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}和LPgydF4y2Ba_{01 xgydF4y2Ba}(LP的两个极化方向gydF4y2Ba_01gydF4y2Ba)和对应的等离子体模分别在图(a)、图(b)、图(c)和图(d)中表示，图(a)和图(b)中的红色箭头表示电场方向。如gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba，不仅是LPgydF4y2Ba_{01 xgydF4y2Ba}还有LPgydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}FM-MCF核中的模能激发LSPR效应。此外，LP的共振波长gydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}比LP短gydF4y2Ba_{01 xgydF4y2Ba}，虽然光谱损失比它高。由于等离子体模的谐振波长在700 nm左右，因此光纤芯中传输了多种模式。与LP01模式类似，LP的两个偏振方向(x和y)gydF4y2Ba_11gydF4y2Ba, LPgydF4y2Ba_21gydF4y2Ba，和LPgydF4y2Ba_02gydF4y2Ba模也能激发LSPR。因此，详细分析了光纤中的传输模式对我们的生物传感器的影响，以及金纳米颗粒的半径、纳米颗粒的位置、纳米颗粒的形状和纳米颗粒阵列。gydF4y2Ba

金纳米颗粒半径的影响gydF4y2Ba

纳米颗粒的半径对生物传感器的性能起着重要的作用。gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba显示了纳米颗粒半径r的影响gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba关于共振波长，光谱损失和光谱灵敏度。gydF4y2Ba图4一gydF4y2Ba显示了共振波长与r的关系gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba当ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}是1.33。随着r的增加gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba时，FM-MCF LSPR传感器的谐振波长呈现红移，这是因为纳米颗粒的半径影响了光纤模式与金纳米颗粒之间的最大光耦合。虽然共振波长有红移，但相邻共振峰的变化逐渐减小。r之间的关系gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba当n时的谱损失gydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.33表示在gydF4y2Ba图4 bgydF4y2Ba．在gydF4y2Ba图4 bgydF4y2Ba， LP的峰值损失gydF4y2Ba_{01 xgydF4y2Ba}模式最初随纳米粒子半径的增大而增大，当rgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 90nm，此时LPgydF4y2Ba_{01 xgydF4y2Ba}有最大损失，然后峰值损失开始下降。然而，LP的峰值损失gydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}模态总是随着半径的增加而增加，当rgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 150 nm, LPgydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}有最大的损失。当ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}为1.33 ~ 1.34，不同纳米颗粒半径下FM-MCF LSPR生物传感器的光谱灵敏度为gydF4y2Ba图4 cgydF4y2Ba．随着半径的增大，灵敏度不断增大，在半径为150 nm时达到最大值。因此，通过改变金纳米颗粒的半径，我们可以调节生物传感器的共振波长、光谱损失和光谱灵敏度。gydF4y2Ba

纳米粒子位置的影响gydF4y2Ba

同时，本文还分析了纳米颗粒位置对FM-MCF LSPR生物传感器性能的影响。金纳米颗粒最初被放置与核心相切，如图所示gydF4y2Ba图1一个gydF4y2Ba．当纳米颗粒围绕打开的气孔中心顺时针旋转到下一个位置时，原始位置与下一个位置之间的夹角为gydF4y2BaθgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba描述的基本模式损失谱gydF4y2BangydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.33，当gydF4y2BaθgydF4y2Ba分别为0°、5°、10°和15°。我们发现gydF4y2BaθgydF4y2Ba增大时，两极化的峰值损耗逐渐减小，但谐振波长基本保持不变。原因是消失波具有一定的穿透深度，其振幅随着距离界面距离的增加呈指数下降，因此纳米颗粒以不同角度放置时峰值损失不同(gydF4y2BaChiavaioli等，2017bgydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

传输方式的影响gydF4y2Ba

我们使用的FM-MCF只支持两种模式(LPgydF4y2Ba_01gydF4y2Ba和LPgydF4y2Ba_11gydF4y2Ba)在通讯波段。在可见光波段，大量的高阶模可以在光纤芯中传输。光纤中的传输方式也是影响所述生物传感器性能的重要因素。如上所述，我们将金纳米颗粒的半径固定在150nm，并将最佳位置固定在gydF4y2BaθgydF4y2Ba= 0°。当生物液体分析物RI为1.33 ~ 1.39，阶跃为0.01时，不同模式的损失谱gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba，虚线表示x偏振的损耗谱，实线表示y偏振。可以看出，在相同模式下，y偏振激发的损耗谱比x偏振具有更高的损耗，x偏振的谐振波长也比y偏振的谐振波长长。在使用高阶模激发LSPR时，高阶模通常比基模具有更高的损耗，因此其LSPR损耗曲线比基模更陡，损耗曲线越窄，传感器的分辨率越好。因此，由高阶模式激发的LSPR生物传感器的性能优于基本模式。gydF4y2Ba

图7gydF4y2Ba之间的关系gydF4y2BangydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}以及共振波长。平均灵敏度和最高灵敏度可由(3)得到。LP的平均灵敏度gydF4y2Ba_{01 xgydF4y2Ba}, LPgydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}, LPgydF4y2Ba_{11 xgydF4y2Ba}, LPgydF4y2Ba_{11个ygydF4y2Ba}, LPgydF4y2Ba_{21 xgydF4y2Ba}, LPgydF4y2Ba_{21 ygydF4y2Ba}, LPgydF4y2Ba_{02年xgydF4y2Ba}，和LPgydF4y2Ba_{02 ygydF4y2Ba}模态分别为2467.9、2257.9、2528.2、2310、2640、2428.6、2557.1和2313.9 nm/RIU。LPgydF4y2Ba_{21 xgydF4y2Ba}模式灵敏度最高，为3478.28 nm/RIUgydF4y2BangydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.39。可以看出，在相同模式下，x偏振的灵敏度高于y偏振。此外，在相同偏振态下，高阶模比基阶模具有更高的灵敏度。因此，采用高阶模式激发LSPR可以提高传感器的灵敏度。gydF4y2Ba

纳米颗粒形状的影响gydF4y2Ba

实验表明，金纳米颗粒的形状在决定灵敏度(gydF4y2Ba梅耶尔和哈夫纳，2011gydF4y2Ba)．中描述了几种不同几何形状的金纳米颗粒gydF4y2Ba图8模拟gydF4y2Ba时，所有的纳米颗粒都被填充在FM-MCF的气孔中，并与核心相切。由前面的讨论可知，当周向圆半径为150 nm时，金纳米粒子激发的LSPR灵敏度最高。当生物液体分析物RI设置为1.33时，四种不同形状的金纳米颗粒激发LSPR的损失谱如图所示gydF4y2Ba图8 egydF4y2Ba．gydF4y2Ba

可以看出，随着纳米颗粒的锐化，损耗谱出现红移gydF4y2Ba图8 egydF4y2Ba．六边形纳米颗粒的谐振波长与圆形纳米颗粒的谐振波长接近，三角形纳米颗粒的谐振波长在近红外范围内，圆形纳米颗粒的谐振波长在可见光范围内。通过使用不同形状的纳米颗粒，我们可以调整FM-MCF LSPR生物传感器的谐振波长。gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba显示了不同形状纳米粒子在a、b、c、d、e和f峰处激发LSPR的光场分布gydF4y2Ba图8 egydF4y2Ba，红色箭头表示电场方向。当纳米颗粒具有尖锐的尖端或特征时，LSPR能量主要集中在尖端位置。LP之间的耦合gydF4y2Ba_01gydF4y2Ba三角形纳米粒子激发的模式和SP模式最好，然后是正方形，最后是六边形纳米粒子。这是因为角度越尖，尖端的自由电子密度越大，可以激发的电场就越强。尖端的强电场增强使得仅用少量入射光能就能激发表面等离子体共振成为可能，因此纳米颗粒越锋利，共振波长越长。gydF4y2Ba

所示的排列方式gydF4y2Ba图8模拟gydF4y2Ba时，纳米颗粒只有一个角与气孔接触。对于前三个形状gydF4y2Ba图8模拟gydF4y2Ba时，我们沿中心逆时针旋转纳米颗粒60°、45°和30°，如图所示gydF4y2Ba图9 a - cgydF4y2Ba使这些纳米颗粒的两个角与气孔接触。低压损耗谱gydF4y2Ba_{01 xgydF4y2Ba}和LPgydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}不同形状的金纳米颗粒在旋转和运动后激发LSPRgydF4y2Ba图9 dgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

比较gydF4y2Ba图9 dgydF4y2Ba与gydF4y2Ba图8 egydF4y2Ba，可以看出，所有形状的纳米颗粒在旋转和移动后的损失谱都发生了变化。由于六边形最靠近圆，旋转后其损失曲线变化不明显，但三角形与圆的差异最大，因此损失谱变化明显。三角形纳米颗粒旋转60°后，LP的共振峰gydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}从850到963 nm(红移)，而LP的共振峰gydF4y2Ba_{01 xgydF4y2Ba}从950 nm移动到895 nm(蓝移)。gydF4y2Ba

纳米颗粒阵列效应gydF4y2Ba

纳米颗粒阵列也影响FM-MCF LSPR生物传感器的性能。在gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba将半径为150nm的金纳米颗粒对称地填充在小孔中，相邻纳米颗粒之间的夹角表示为gydF4y2BaδgydF4y2Ba最小值为2.7°，这意味着此时两个相邻的纳米颗粒是相切的。当gydF4y2BaδgydF4y2Ba= 2.7°时，整个气孔可填入81个金纳米颗粒。gydF4y2Ba

由于空气孔范围已经确定，纳米颗粒的数量n和相邻纳米颗粒之间的角度gydF4y2BaδgydF4y2Ba同时影响金纳米颗粒阵列的性能。本文首先研究了n对LP激励下的损耗曲线的影响gydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}模式的时候gydF4y2BaδgydF4y2Ba= 2.7°，ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.33, n分别设为81、41、21、11、9、7、5、3，如中所示gydF4y2Ba图14gydF4y2Ba．因为n = 41和21的损失曲线与n = 81非常接近，所以没有给出gydF4y2Ba图11gydF4y2Ba．可以发现，与单个纳米颗粒相比，纳米颗粒阵列具有许多共振峰。当n = 81时，谐振波长位于680 nm，当n减小到11时，损耗曲线开始出现双峰，且波长越长的谐振峰限制损耗越大。当n = 3时，在1042.4 nm处出现超高损耗峰，约束损耗可达13.5 dB/cm，远超其他纳米粒子数下的损耗峰。gydF4y2Ba

此外，当ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.34，谐振波长和灵敏度随n的不同而变化，如图所示gydF4y2Ba图11 bgydF4y2Ba．对于相同的ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}，当n从81减少到21时，共振波长基本保持不变，随着n的继续减少，在较长的波长处开始出现第二个共振峰，因此n = 11的共振波长有明显的红移。当n减小到5时，第二共振峰逐渐蓝移，谐振波长减小。平均灵敏度可由式3计算，可以发现，最初n减小时，灵敏度基本不变，当n = 11时，第二个共振峰灵敏度较高，但随着n继续减小，灵敏度降低。当n = 3时，灵敏度可达2850 nm/RIU，高于其他数量的纳米颗粒的灵敏度。因此，将纳米颗粒的数量n设置为3。gydF4y2Ba

其次，的影响gydF4y2BaδgydF4y2Ba已经被研究过。不同的损失曲线gydF4y2BaδgydF4y2Ba显示在gydF4y2Ba图12gydF4y2Ba在哪里gydF4y2BaδgydF4y2Ba= 3°，5°，7°，9°，11°。当gydF4y2BaδgydF4y2Ba在11°~ 3°范围内，共振峰有明显的红移，约束损失逐渐增大。它可以解释为当gydF4y2BaδgydF4y2Ba较大时，每个金纳米颗粒可以独立激发LSPR而不相互耦合。的减少gydF4y2BaδgydF4y2Ba时，各个金纳米粒子激发的局部表面等离子体激元波开始表现弱耦合，导致共振峰红移。当金纳米颗粒距离接近自身尺寸时，局部表面等离子体波表现出较强的耦合，因此约束损失逐渐增大。gydF4y2Ba

共振波长和灵敏度的变化gydF4y2BaδgydF4y2Ba是在gydF4y2Ba图13gydF4y2Ba．当ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.33和gydF4y2BaδgydF4y2Ba从3°增加到5°，共振波长从1037.7 nm下降到838.2 nmgydF4y2BaδgydF4y2Ba从9°增加到11°，共振波长从728.7 nm下降到722 nm。可以发现，虽然变化gydF4y2BaδgydF4y2Ba可调节共振波长的位置，调节效果有限。灵敏度随gydF4y2BaδgydF4y2Ba还可以从gydF4y2Ba图13gydF4y2Ba．当gydF4y2BaδgydF4y2Ba= 5°时，其灵敏度达到3610 nm/RIU，是所有灵敏度中最大的gydF4y2BaδgydF4y2Ba．因此，相邻纳米颗粒之间的夹角gydF4y2BaδgydF4y2Ba= 5°。gydF4y2Ba

FM-MCF LSPR传感器可以在1.33-1.39的RI范围内工作，该范围涵盖了牛血清白蛋白溶液和人免疫球蛋白g的RI，因此，该传感器可以作为生物传感器用于检测生物液体分析物。LP激发的损失曲线gydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}和LPgydF4y2Ba_{11个ygydF4y2Ba}n = 3时的模式，gydF4y2BaδgydF4y2Ba= 5°，生物液体分析物RI为1.33 ~ 1.39,LP激发损失曲线gydF4y2Ba_{21 ygydF4y2Ba}和LPgydF4y2Ba_{02 ygydF4y2Ba}模式，生物液体分析物RI为1.33 ~ 1.38gydF4y2Ba图14gydF4y2Ba．随着生物液体分析物RI的增加，共振峰发生红移，在相同RI下，LP损失曲线发生红移gydF4y2Ba_{11个ygydF4y2Ba}是否比LP红移更明显gydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}．gydF4y2Ba图15gydF4y2Ba说明了na与LP共振波长之间的关系gydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}模式和LPgydF4y2Ba_{11个ygydF4y2Ba}n时的模式gydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}-1.39 = 1.33。LP的平均灵敏度gydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}和LPgydF4y2Ba_{11个ygydF4y2Ba}n时的模式gydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}为4497.1 nm/RIU和4704.6 nm/RIU，当ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.39。此外，沿核入射光波长为800 ~ 1300 nm时，LPgydF4y2Ba_{21 ygydF4y2Ba}和LPgydF4y2Ba_{02 ygydF4y2Ba}模式也可以稳定传输，此时的RI范围为1.33-1.38。在gydF4y2Ba图14 c, DgydF4y2Ba时，损耗谱变得不平滑，这主要是因为LPgydF4y2Ba_{21 ygydF4y2Ba}和LPgydF4y2Ba_{02 ygydF4y2Ba}更有可能与核心模式共振，能量基本上与等离子体激元模式耦合。然而，当波长发生轻微变化时，相位匹配条件不再满足。因此，LP的平均灵敏度gydF4y2Ba_{21 ygydF4y2Ba}和LPgydF4y2Ba_{02 ygydF4y2Ba}n时的模式gydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.33-1.38分别为4888 nm/RIU和5114 nm/RIU, n时各模式灵敏度最高分别为6209.6 nm/RIU和7351.6 nm/RIUgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.38。结果表明，FM-MCF LSPR生物传感器具有较高的灵敏度，是实时检测生物物质的理想选择。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

在本文中，我们提出了一种在露天孔中填充金纳米颗粒的FM-MCF LSPR生物传感器。采用有限元法研究了纳米颗粒对FM-MCF LSPR生物传感器性能的影响。结果表明，通过改变纳米颗粒的结构可以提高传感器的性能。当纳米金颗粒半径为150 nm时，将3个相同的圆形纳米金颗粒对称放置在小孔中，相邻纳米金颗粒夹角为5°，在1.33-1.39的传感范围内，平均波长灵敏度可达4497.1 nm/RIU，其中LP的灵敏度最高gydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}当n时，模式为5732.1 nm/RIUgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.39。当入射光波长为600 ~ 1300 nm时，FM-MCF也能稳定地传输高阶模式。LP的平均灵敏度gydF4y2Ba_{02 ygydF4y2Ba}当生物液体分析物的RI为1.33 ~ 1.38时，其灵敏度为5114 nm/RIU，当n时，灵敏度为7351.6 nm/RIUgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.38，高于LPgydF4y2Ba_{01 ygydF4y2Ba}．该传感器具有优良的性能，可用于化学和生物传感。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

本研究中提出的原始贡献已包含在文章/补充材料中，进一步查询可向通讯作者咨询。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

所有列出的作者都对这项工作做出了实质性的、直接的和智力上的贡献，并批准了它的出版。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

国家自然科学基金项目(no . U1813207, 61875152)和天津市科技支柱计划重点项目(no . 20YFZCSY00390)资助。gydF4y2Ba

利益冲突gydF4y2Ba

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。gydF4y2Ba

致谢gydF4y2Ba

作者感谢中佛罗里达大学的李桂芳教授提供的少模七芯光纤，王瑞航和赵静对论文的修改。gydF4y2Ba

参考文献gydF4y2Ba