Increasing the sensitivity of a surface plasmon resonance sensor using Ti3C2 MXene
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0042358Ключові слова:
Kretschmann–Reather configuration, surface plasmon resonance, sensor, sensitivityАнотація
Сенсори, що базуються на явищі поверхневого плазмонного резонансу, мають обмежену чутливість, до 123 градусів на одиницю показника заломлення (RIU), що обмежує їх застосування для виявлення незначних змін у біологічних середовищах (близько 10–5 RIU). Щоб розв’язати цю проблему, сенсор, оснований на конфігурації Кретчмана–Ретера, був модифікований з використанням матеріалу Ti3C2 MXene. Сенсор змодельовано за допомогою методу скінченних елементів (FEM), що дозволило отримати залежність параметра відбиття хвилі від кута падіння. На основі цих результатів розраховано чутливість датчика, яка виявилася на 10% вищою порівняно з традиційною конфігурацією Кретчмана–Ретера. Крім того, змодельовано реальні зразки людських біологічних тканин за допомогою даних про показник заломлення, і похибка запропонованого сенсора склала приблизно 3%.
Посилання
A. Keshavarz, S. Zangenehzadeh, and A. Hatef, “Optimization of surface plasmon resonance-based sensors for monitoring hemoglobin levels in human blood,” Appl Nanosci. 10, 1465 (2020). https://doi.org/10.1007/s13204-020-01252-x
S. Firdous, S. Anwar, and R. Rafya, “Development of surface plasmon resonance (SPR) sensors for use in the diagnostics of malignant and infectious diseases,” Laser Phys. Lett. 15, 065602 (2018). https://doi.org/10.1088/1612-202X/aab43f
F. Long, A. Zhu, and H. Shi, “Recent advances in optical sensors for environmental monitoring and early warning,” Sensors 13, 13928 (2013). https://doi.org/10.3390/s131013928
S. Zeng, D. Baillargeat, H.-P. Ho, and K.-T. Yong, “Nanomaterials enhanced surface plasmon resonance for biological and chemical sensing applications,” Chem. Soc. Rev. 43, 3426 (2014). https://doi.org/10.1039/c3cs60479a
Z. Eremenko and I. Volovichev, “Enhancing the propagation length of graphene surface plasmon polaritons using a metamaterial substrate with a near-zero refractive index,” arXiv:2508.04601 (2025).
K. C. Chan, X. Guan, T. Zhang ., “The fabrication of Ti3C2 and Ti3CN MXenes by electrochemical etching,” J. Mater. Chem. A 12, 25165 (2024). https://doi.org/10.1039/D4TA03457K
A. Frutiger, A. Tanno, S. Hwu, R. F. Tiefenauer, J. Vörös, and N. Nakatsuka, “Nonspecific binding — fundamental concepts and consequences for biosensing applications,” Chem. Rev. 121, 8095 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00044
Y. Pei, X. Zhang, Z. Hui ., “Ti3C2TX MXene for sensing applications: Recent progress, design principles, and future perspectives,” ACS Nano 15, 3996 (2021). https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00248
C. Qiao, H. Wu, X. Xu, Z. Guan, and W. Ou-Yang, “Electrical conductivity enhancement and electronic applications of 2D Ti3C2Tx MXene materials,” Adv. Mater. Interfaces 8, 2100903 (2021). https://doi.org/10.1002/admi.202100903
K. Bhavsar and R. Prabhu, “Investigations on sensitivity enhancement of SPR sensor using tunable wavelength and graphene layers,” IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 499, 012008 (2019).
https://doi.org/10.1088/1757-899X/499/1/012008
B. Karki, A. Uniyal, P. Sarkar, A. Pal, and R. B. Yadav, “Sensitivity improvement of surface plasmon resonance sensor for glucose detection in urine samples using heterogeneous layers: An analytical perspective,” J. Opt. 53, 2567 (2024). https://doi.org/10.1007/s12596-023-01418-0
M. Haghighi, M. N. Tahir, W. Tremel, H.-J. Butt, and W. Steffen, “Translational and rotational diffusion of gold nanorods near a wall,” J. Chem. Phys. 139, 064710 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4817405
P. B. Johnson and R. W. Christy, “Optical constants of the noble metals,” Phys. Rev. B 6, 4370 (1972). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370
K. Chaudhuri, M. Alhabeb, Z. Wang, V. M. Shalaev, Y. Gogotsi, and A. Boltasseva, “Highly broadband absorber using plasmonic titanium carbide (MXene),” ACS Photonics 5, 1115 (2018). https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b01439
The Electromagnetic Waves, Frequency Domain Interface, accessed 21 July 2025. [Online], available at https://doc.comsol.com/5.5/doc/com.comsol.help.woptics/woptics_ug_optics.6.02.html.
“Port” accessed 21 July 2025, 2025. [Online], available at https://doc.comsol.com/5.5/doc/com.comsol.help.rf/rf_ug_radio_frequency.07.13.html.
“Free Tetrahedral” accessed 21 July 2025. [Online], available at https://doc.comsol.com/5.5/doc/com.comsol.help.comsol/comsol_ref_mesh.15.37.html.
M. Naguib et al, “Two-dimensional nanocrystals produced by exfoliation of Ti3AlC2,” Adv. Mater. 23, 4248 (2011). https://doi.org/10.1002/adma.201102306
L. Wu et al, “MXene sensors based on optical and electrical sensing signals: From biological, chemical, and physical sensing to emerging intelligent and bionic devices,” PhotoniX 4, 15 (2023).
https://doi.org/10.1186/s43074-023-00091-7
P. Giannios, S. Koutsoumpos, K. G. Toutouzas, M. Matiatou, G. C. Zografos, and K. Moutzouris, “Complex refractive index of normal and malignant human colorectal tissue in the visible and near-infrared,” J. Biophotonics 10, 303 (2017). https://doi.org/10.1002/jbio.201600001
P. Giannios ., “Visible to near-infrared refractive properties of freshly-excised human-liver tissues: Marking hepatic malignancies,” Sci. Rep. 6, 27910 (2016). https://doi.org/10.1038/srep27910
R. Terekhov, Z. Eremenko, and S. Kulish, “The ability to use MXene to improve the detection of resonant modes in biological samples using surface plasmon resonance, IIIrd international research and practice conference ‘nanoobjects & nanostructuring,’” in Proceedings (2024), p. 31.
