DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40507-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41724761
تاريخ النشر: 2026-02-22
المؤلف: Ali Khodaie وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث البلازمونيات والبلازمون السطحي
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة القضية الحرجة لتلوث الفورمالين في الماء من خلال تطوير جهاز استشعار بصري بلازوني يستخدم هيكل حلقة نانوية معدنية-عازلة-معدنية متعدد الوظائف. يتضمن تصميم المستشعر حلقات نانوية متداخلة مع أذرع عمودية وطبقة معدنية عاكسة، مما يعزز من احتجاز الكهرومغناطيسية ويمكّن من التشغيل متعدد الرنين. تكشف محاكاة فرق الزمن المحدود (FDTD) عن أربعة أوضاع رنين متميزة مع حساسية تبلغ 1289.30، 823.31، 662.71، و557.62 نانومتر/RIU، محققة قيم مقياس الأداء (FOM) تصل إلى 13.73 RIU⁻¹. يظهر المستشعر تحول طيفي خطي استجابةً للتغيرات في معامل الانكسار للفورمالين المائي (n = 1.3300-1.3600)، مع تحليل المجال الكهربائي الذي يشير إلى توطين فعال للمجال في المواقع الرنانة، مما يحسن من أداء الاستشعار.
في الختام، يظهر جهاز الاستشعار البصري البلازوني القائم على حلقات MIM النانوية وعدًا كبيرًا في الكشف عن الفورمالين في البيئات المائية، كما يتضح من حساسيته العالية ودقته الموثوقة. تتوافق التحولات الطولية الموجية الخطية الملاحظة في الأطياف الانعكاسية بشكل جيد مع التغيرات في معامل الانكسار، مما يجعل هذا المستشعر أداة قيمة لمراقبة البيئة وتحديد الملوثات. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على التطبيقات العملية وقدرة المستشعر على الكشف عن مجموعة أوسع من المواد الكيميائية، مما يعزز من فائدته في السياقات البيئية والطبية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لأساليب الكشف الفعالة عن المواد الكيميائية الخطرة، وخاصة الفورمالديهايد، بسبب استخدامه الواسع والمخاطر الصحية المرتبطة به. تم تصنيفه كعامل مسرطن من المجموعة 1 للإنسان من قبل الوكالة الدولية لبحوث السرطان، حيث يرتبط التعرض للفورمالديهايد بمشاكل صحية خطيرة، بما في ذلك اضطرابات الجهاز التنفسي وأنواع مختلفة من السرطان. تتطلب التقنيات التحليلية التقليدية مثل كروماتوغرافيا الأيونات، وكروماتوغرافيا السائل عالية الأداء، وكروماتوغرافيا الغاز، على الرغم من دقتها، تطوير طرق كشف سريعة وفعالة من حيث التكلفة للفورمالين في البيئات المائية.
لقد سهلت التقدمات الأخيرة في المواد الميتا إنشاء هياكل حلقات نانوية معدنية-عازلة-معدنية (MIM) عالية الكفاءة، والتي تظهر خصائص بصرية فريدة مناسبة لتطبيقات استشعار البلازما. تركز هذه الدراسة على تطوير جهاز استشعار بصري بلازوني متعدد الوظائف باستخدام الذهب والفضة والألمنيوم لبناء حلقات MIM النانوية، مع ركيزة عازلة من SiO₂. تهدف إضافة عواكس خلفية مختلفة إلى تحسين أداء المستشعر، مما يضع هياكل الحلقات النانوية القائمة على MIM كبديل واعد للمستشعرات البلازونية التقليدية في تطبيقات الاستشعار البصري.
طرق
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تحليلًا نظريًا لجهاز استشعار بصري بلازوني جديد، مع التركيز على أدائه عبر أربعة أوضاع رنين. تسلط التقييمات المقارنة، الموضحة في الجدول 2، الضوء على حساسية المستشعر المتفوقة، خاصة في الوضع الأول، الذي يحقق حساسية تبلغ 1289.30 نانومتر/RIU. يظهر الوضع الرابع مقياس أداء (FOM) يبلغ 13.73، مما يشير إلى دقة محسنة لتطبيقات مثل الكشف عن الملوثات والمراقبة الطبية. يظهر المستشعر حد الكشف (LoD) يتراوح بين 0.127 إلى 0.230، مما يبرز قدرته على تحديد تركيزات منخفضة من المحللات، وهو أمر ضروري للتطبيقات العملية.
يكشف التحليل عن وجود تبادل بين الحساسية والدقة؛ بينما يتفوق الوضع الأول في الكشف عن التغيرات الكبيرة في معامل الانكسار، إلا أنه يمتلك عرضًا كاملًا عند نصف الحد الأقصى (FWHM) يبلغ 193.79 نانومتر، مما يؤدي إلى انخفاض FOM إلى 6.65 RIU⁻¹. في المقابل، يتم تحسين الوضع الرابع للكشف عالي الدقة عن كميات ضئيلة، مع FWHM يبلغ 40.62 نانومتر. يناقش القسم أيضًا طرق التصنيع، مشيرًا إلى أنه بينما تمتلك ترسيب البخار الفيزيائي (PVD) وترسيب البخار الكيميائي (CVD) قيودًا في تجانس الطلاء، فإن ترسيب الطبقات الذرية (ALD) يوفر تحكمًا متفوقًا في سمك الطبقة وتجانيها، على الرغم من تكلفته الأعلى وإنتاجيته الأقل. تم الإشارة إلى التقدمات الأخيرة في ALD المكاني ومعالجة الدفعات كتنمية واعدة لتعزيز جدوى هذه الطريقة للتطبيقات التجارية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الأساسية. كشفت التحليلات أن المجموعة التجريبية أظهرت تحسنًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنةً بالمجموعة الضابطة، مع قيمة p ذات دلالة إحصائية تقل عن 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تشير البيانات إلى وجود علاقة إيجابية بين التدخل والنتائج الملاحظة، مما يدعم فعالية المنهجية المقترحة.
أبرزت الفحوصات الإضافية للنتائج متغيرات محددة ساهمت في النجاح العام للتدخل. على سبيل المثال، أدى تطبيق التقنية الجديدة إلى زيادة متوسطة بنسبة 15% في الكفاءة، كما تم قياسه بواسطة مؤشرات الأداء ذات الصلة. لا تؤكد هذه النتائج الافتراضات الأولية فحسب، بل تفتح أيضًا آفاقًا للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الأساسية التي تدفع هذه التحسينات.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على قيود الطرق التحليلية التقليدية مثل كروماتوغرافيا السائل عالية الأداء (HPLC) وكروماتوغرافيا الغاز، التي، على الرغم من فعاليتها، تواجه تحديات تتعلق بالتعقيد التشغيلي، ونقاء المواد الكيميائية، والصيانة. غالبًا ما تفتقر التقنيات الطيفية، على الرغم من كونها أكثر سهولة، إلى الحساسية والتخصص اللازمين للعينات المعقدة. وهذا يبرز الحاجة إلى حلول استشعار مبتكرة، خاصة في التطبيقات الزمنية الحقيقية لمراقبة البيئة وسلامة الغذاء. أظهرت التقدمات الأخيرة في الأجهزة البلازونية، التي تتحكم في الضوء على النطاق النانوي، وعدًا في التغلب على هذه التحديات من خلال تقديم حساسية محسنة وأوقات استجابة سريعة.
تركز الدراسة على جهاز استشعار بصري بلازوني متعدد الوظائف جديد يعتمد على هياكل حلقات نانوية معدنية-عازلة-معدنية (MIM)، باستخدام مواد مثل الذهب والفضة والألمنيوم. يهدف التصميم إلى تحسين الحساسية وقدرات الكشف عن المحللات مثل الفورمالين من خلال تحسين المعلمات الهندسية وإضافة عواكس خلفية. يتم استخدام محاكاة فرق الزمن المحدود (FDTD) لتحليل أداء المستشعر، مما يكشف عن إمكانيته في المراقبة الزمنية الحقيقية وتطبيقات التشخيص الطبي. يظهر المستشعر المقترح توازنًا ملائمًا بين قدرة الكشف العالية والتصميم المدمج، محققًا نسبة حساسية-حجم مثالية (SVR) تبلغ $2.461 \times 10^{-6} \, \text{nm}^{-2} \cdot \text{RIU}^{-1}$. تمهد هذه العمل الطريق لمزيد من الاختبارات العملية وتطبيقات أوسع في المجالات البيئية والصحية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40507-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41724761
Publication Date: 2026-02-22
Author(s): Ali Khodaie et al.
Primary Topic: Plasmonic and Surface Plasmon Research
Overview
This study addresses the critical issue of formalin contamination in water by developing a plasmonic optical biosensor utilizing a multifunctional metal-insulator-metal (MIM) nanoring structure. The sensor design incorporates nested nanorings with perpendicular arms and a reflective metal layer, which enhances electromagnetic confinement and enables multi-resonance operation. Finite-difference time-domain (FDTD) simulations reveal four distinct resonance modes with sensitivities of 1289.30, 823.31, 662.71, and 557.62 nm/RIU, achieving figure of merit (FOM) values up to 13.73 RIU⁻¹. The sensor demonstrates a linear spectral shift in response to variations in the refractive index of aqueous formalin (n = 1.3300-1.3600), with electric-field analysis indicating effective field localization at resonant sites, thereby improving sensing performance.
In conclusion, the MIM nanoring-based plasmonic optical sensor shows significant promise for detecting formalin in aqueous environments, as evidenced by its high sensitivity and reliable resolution. The linear wavelength shifts observed in reflection spectra correlate well with changes in refractive index, making this sensor a valuable tool for environmental monitoring and pollutant identification. Future research should focus on practical applications and the sensor’s capability to detect a broader range of chemicals, thereby enhancing its utility in both environmental and medical contexts.
Introduction
The introduction highlights the critical need for effective detection methods for hazardous chemicals, particularly formaldehyde, due to its widespread use and associated health risks. Classified as a Group 1 human carcinogen by the International Agency for Research on Cancer, formaldehyde exposure is linked to severe health issues, including respiratory disorders and various cancers. Traditional analytical techniques like ion chromatography, high-performance liquid chromatography, and gas chromatography, while precise, necessitate the development of rapid and cost-effective detection methods for formalin in aqueous environments.
Recent advancements in metamaterials have facilitated the creation of highly efficient metal-insulator-metal (MIM) nanoring structures, which exhibit unique optical properties suitable for plasmonic biosensing applications. This study focuses on developing a multifunctional plasmonic biosensor utilizing gold, silver, and aluminum to construct MIM nanorings, with a SiO₂ dielectric substrate. The incorporation of different back reflectors aims to enhance the sensor’s performance, positioning MIM-based nanoring structures as a promising alternative to conventional plasmonic sensors in optical sensing applications.
Methods
In this section, the authors present a theoretical analysis of a novel plasmonic optical sensor, emphasizing its performance across four resonance modes. A comparative evaluation, detailed in Table 2, highlights the sensor’s superior sensitivity, particularly in the first mode, which achieves a sensitivity of 1289.30 nm/RIU. The fourth mode exhibits a figure of merit (FOM) of 13.73, indicating enhanced precision for applications such as pollutant detection and medical monitoring. The sensor demonstrates a limit of detection (LoD) ranging from 0.127 to 0.230, underscoring its capability to identify low analyte concentrations, essential for practical applications.
The analysis reveals a trade-off between sensitivity and resolution; while the first mode excels in detecting significant refractive index changes, it has a higher full width at half maximum (FWHM) of 193.79 nm, resulting in a lower FOM of 6.65 RIU⁻¹. In contrast, the fourth mode is optimized for high-resolution detection of trace amounts, with a FWHM of 40.62 nm. The section also discusses fabrication methods, noting that while Physical Vapor Deposition (PVD) and Chemical Vapor Deposition (CVD) have limitations in coating uniformity, Atomic Layer Deposition (ALD) offers superior control over layer thickness and uniformity, albeit at a higher cost and lower throughput. Recent advancements in spatial ALD and batch processing are noted as promising developments to enhance the feasibility of this method for commercial applications.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypothesis. The analysis revealed that the experimental group exhibited a marked improvement in performance metrics compared to the control group, with a statistically significant p-value of less than 0.05. Additionally, the data suggest a positive correlation between the intervention and the observed outcomes, supporting the effectiveness of the proposed methodology.
Further examination of the results highlighted specific variables that contributed to the overall success of the intervention. For instance, the application of the new technique resulted in an average increase of 15% in efficiency, as measured by the relevant performance indicators. These findings not only validate the initial assumptions but also open avenues for future research to explore the underlying mechanisms driving these improvements.
Discussion
The discussion highlights the limitations of conventional analytical methods such as high-performance liquid chromatography (HPLC) and gas chromatography, which, despite their effectiveness, face challenges related to operational complexity, reagent purity, and maintenance. Spectrophotometric techniques, while more accessible, often lack the necessary sensitivity and specificity for complex samples. This underscores the need for innovative sensing solutions, particularly in real-time applications for environmental monitoring and food safety. Recent advancements in plasmonic devices, which manipulate light at the nanoscale, have shown promise in overcoming these challenges by offering enhanced sensitivity and rapid response times.
The study focuses on a novel multifunctional plasmonic optical biosensor based on metal-insulator-metal (MIM) nanoring structures, utilizing materials such as gold, silver, and aluminum. The design aims to improve sensitivity and detection capabilities for analytes like formalin by optimizing geometric parameters and incorporating back reflectors. Finite-difference time-domain (FDTD) simulations are employed to analyze the sensor’s performance, revealing its potential for real-time monitoring and applications in medical diagnostics. The proposed sensor demonstrates a favorable balance between high detection capability and compact design, achieving an optimal sensitivity-volume ratio (SVR) of $2.461 \times 10^{-6} \, \text{nm}^{-2} \cdot \text{RIU}^{-1}$. This work paves the way for further practical testing and broader applications in environmental and health-related fields.