高性能 Au–MoS₂–石墨烯 多层 SPR 生物传感器，具有卓越灵敏度与精确性

这款微小传感器为何重要

医生、环境科学家乃至食品安全检查员，都需要能够快速且可靠地发现痕量化学物质或生物分子的工具。本文提出了一种新型光学传感器，由超薄金属层和先进的二维材料叠层构成，能够检测诸如血液、蔗糖溶液或水相缓冲液等液体样品中极微小的变化。通过将光压缩到金属表面纳米尺度的区域，该器件有望实现更快、更精确的疾病标志物和污染物检测。

在表面“聆听”光

该传感器依赖于一种称为表面等离子体共振的现象，光沿金属表面掠过并与边界处的电子波动耦合。当液体样品接触该表面时，即便是液体光学性质的极小变化也会使共振发生角度发生偏移。通过将激光透过玻璃棱镜照射在薄金膜上并监测反射光，器件可以把这些角度偏移转化为关于溶解在液体中物质的信息，例如糖浓度或血液成分变化。

通过叠加“聪明”材料增强信号

研究者没有仅用裸金，而是设计了一种多层堆栈：玻璃棱镜、金膜、几层二硫化钼（MoS₂）和三层石墨烯，测试液体位于最上层。每种材料各司其职。金有效地激发表面电子波动；MoS₂ 由于其高光学密度和与光的强相互作用，将电磁场在表面附近压缩并集中；石墨烯提供了巨大的表面积供分子吸附，并具有优良的电学和光学性能，进一步增强光-物质相互作用。计算机模拟显示，采用五层 MoS₂ 与三层石墨烯的排列可在感应表面产生最强且最锐利的场约束。

将微小变化转为清晰读数

为评估性能，团队模拟了传感器在不同液体（常规实验室缓冲液 PBS、蔗糖溶液、血液和甘油）下反射光角度变化的情况。他们计算了多项指标，共同描述传感器的表现——给定液体变化时角度偏移的大小、共振谷的宽窄与尖锐度、以及区分微小偏移的精度。在所有测试样品中，传感器实现了接近 80 度/折射率单位（deg/RIU）的灵敏度，对于蔗糖和甘油尤其精确，因为其共振特征非常窄。这些数值与许多先前报道的多层传感器相当或更优，表明该三材料堆栈在灵敏度和测量清晰度方面确有提升。

调节层厚以获得最佳性能

作者还研究了改变石墨烯和 MoS₂ 层厚对信号的影响。非常薄的石墨烯使受限光场靠近液体，从而提高灵敏度，而过厚会将场推向内部，削弱响应。MoS₂ 亦呈现类似的平衡：增加到若干层可增强场约束，但超过最佳厚度后，额外的吸收会抑制共振并使信号变宽。模拟还考察了不同照明角度和波长如何影响灵敏度，识别出器件对样品微小变化响应最强的工作区间。

从计算模型到现实测试

尽管本工作基于数值建模，作者讨论了采用常规沉积技术和 MoS₂、石墨烯 的生长或转移方法的现实可行制备路径。他们强调了实际挑战，例如保持表面极度平整、将层厚控制在几纳米范围内，并确保脆弱的二维材料不出现皱褶、氧化或剥离。通过对这些步骤的精细控制并将器件集成到用于处理微量液体的微流控通道中，他们认为该多层传感器能够被制造并在实验室中使用。

对日常应用的意义

简而言之，这项研究展示了如何通过精心堆叠三种先进材料，将一种熟悉的光学效应转变为高度灵敏的化学“听觉”，能够捕捉复杂液体中的微弱变化。金层发起信号，MoS₂ 放大并聚焦信号，石墨烯为目标分子提供亲和表面，三者共同产生比许多早期设计更清晰、更灵敏的读数。如果实验上得以实现，这类传感器可帮助医生更早发现疾病标志物，使食品和制药行业的质量检测更快捷，并支持用于监测水污染的便携式系统——所有这些都通过观察从仅几纳米厚的工程化表面反射的一束窄光束来完成。

引用: Bahmani, E., Kaatuzian, H. & Shafagh, S.G. High-performance Au–MoS₂–graphene multilayer SPR biosensor with superior sensitivity and precision. Sci Rep 16, 8428 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39993-4

关键词: 表面等离子体共振, 生物传感器, 石墨烯, MoS2, 折射率传感