Ansys 2025 R2 | Ansys光学与光子学仿真新功能介绍——Lumerical

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SiO2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L780nm臂长d310nm环宽度w50nm环半径R130nm背反射器厚度hb100nm介质基板厚度hd205nm环和臂厚度hr75nm分析物层厚度ha200nm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（hb）：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（hd）：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（hr）：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（ha）：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）LoD2660.97.7---3150207.50.142803580.08531339.14---本文324.7631.8810.1870.075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。参考文献：[1] Khodaie A, Rafighirani Y, Heidarzadeh H, et al. Design of a plas monic 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]. Plas monics, 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]. S mall 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 an alysis 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.来源：摩尔芯创