DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-97853-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40253475
تاريخ النشر: 2025-04-19
المؤلف: Ali Khodaie وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد MXene وMAX Phase
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة مستشعر بصري مبتكر يعتمد على الرنين البلازمي السطحي (SPR) يدمج مواد ثنائية الأبعاد متقدمة، وبشكل خاص MXene (Ti₃C₂Tx) والجرافين، ضمن تكوين كريتشمان. يتضمن هيكل المستشعر متعدد الطبقات مكونات مثل منشور BK7، الذهب (Au)، الجرافين، أكسيد الألمنيوم (Al₂O₃)، وMXene، والتي تعزز مجتمعة من قدرته على اكتشاف المستضد السرطاني الجنيني (CEA) في المحاليل المائية. تم إجراء تقييمات الأداء باستخدام طريقة الحل العددي لمجال الفرق المحدود (FDTD) عند طول موجي قدره 633 نانومتر، مع التركيز على مقاييس حاسمة مثل الحساسية، ومعامل الجدارة (FOM)، ودقة الكشف (DA)، وحد الكشف (DL)، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، وتدرج الشدة (SR).
أظهر المستشعر حساسية ملحوظة قدرها 163.63 درجة/RIU ومعامل جدارة (FOM) قدره 17.52 RIU⁻¹، مما يدل على تقدم كبير مقارنةً بالتصاميم السابقة. كشفت التحليلات المقارنة أن هذا المستشعر الحيوي SPR يتفوق على النماذج السابقة في الحساسية، مما يجعله مرشحًا واعدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك استشعار البيولوجيا، ومراقبة سلامة الغذاء، والتشخيص الطبي، والتقييمات البيئية. تسلط النتائج الضوء على إمكانيات تقنية SPR لتسهيل الكشف السريع والدقيق عن CEA، مما يسهم في استراتيجيات تشخيص السرطان الأكثر فعالية.
النتائج
في هذه الدراسة، يتم استكشاف تحسين سماكات الطبقات في مستشعر الرنين البلازمي السطحي (SPR) لتعزيز أدائه، خاصةً للكشف عن تركيزات المستضد السرطاني الجنيني (CEA). تشير النتائج إلى أن سماكة طبقة الذهب (Au) المثلى البالغة 48 نانومتر تحسن بشكل كبير من أداء المستشعر من خلال إثارة البلازما السطحية بفعالية. لا تؤثر سماكة طبقة أكسيد الألمنيوم (Al₂O₃)، عند تغييرها من 2 نانومتر إلى 10 نانومتر، بشكل ملحوظ على الحد الأدنى من الانعكاس، مما يشير إلى مرونة في تطبيقها مع الحفاظ على الفعالية. يظهر دمج المواد ثنائية الأبعاد (2D)، وبشكل خاص MXene والجرافين، أنه يعزز بعض الخصائص البصرية، على الرغم من أن الطبقات الزائدة يمكن أن تضعف قوة الرنين. تكشف الدراسة أن حساسية المستشعر تزداد مع عدد الطبقات ثنائية الأبعاد، حيث تحقق حساسية قصوى قدرها 163.63 درجة/RIU عندما يتم ضبط كل من طبقات MXene والجرافين على اثنتين.
علاوة على ذلك، يظهر المستشعر علاقة خطية بين تركيز CEA وتغيرات معامل الانكسار، مما يسمح بالكشف الفعال عن مستويات CEA المنخفضة (1-5 نانوغرام/مل). يتميز المستشعر الحيوي المقترح SPR بمزايا على الطرق التقليدية، بما في ذلك الكشف السريع، الخالي من العلامات، وفعالية التكلفة. ومع ذلك، يجب معالجة التحديات مثل القابلية للتكرار والاستقرار من خلال بروتوكولات موحدة ومواد متقدمة. تؤكد النتائج على إمكانيات مستشعر SPR في التطبيقات السريرية للكشف المبكر عن السرطان والمراقبة، مما يبرز قدرته على توفير استجابات بصرية دقيقة حاسمة لإدارة المرضى.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة تصميم ومبادئ تشغيل مستشعر الرنين البلازمي السطحي (SPR) باستخدام تكوين كريتشمان. تعتبر هذه الطريقة مفيدة بسبب سهولة محاذاتها والتحكم في المتغيرات التجريبية. يتم تحديد شرط الرنين للبلازما السطحية عندما يتطابق ثابت الانتشار للضوء الساقط مع متجه موجة SP، والذي يتميز بمعادلات محددة تربط بين معاملات الانكسار والثوابت العازلة للمواد المعنية. يتضمن تصميم المستشعر عدة طبقات، بما في ذلك منشور BK7، الذهب (Au)، الجرافين، أكسيد الألمنيوم (Al2O3)، وMXene (Ti3C2Tx)، والتي تعزز مجتمعة الحساسية للكشف عن المستضد السرطاني الجنيني (CEA) في المحاليل المائية.
تم تقييم أداء مستشعر SPR بدقة باستخدام طريقة عددية لمجال الفرق المحدود (FDTD)، مع التركيز على مقاييس رئيسية مثل الحساسية، ومعامل الجدارة (FOM)، ودقة الكشف (DA)، وحد الكشف (DL). أظهر المستشعر حساسية قدرها 163.63 درجة/RIU ومعامل جدارة (FOM) قدره 17.52 RIU⁻¹، مما يدل على تحسينات كبيرة مقارنةً بالتصاميم السابقة. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانيات المستشعر في التطبيقات المتعلقة باستشعار البيولوجيا، والتشخيص الطبي، والمراقبة البيئية، مما يبرز فعالية تقنية SPR في تسهيل الكشف السريع والدقيق عن CEA، وبالتالي المساهمة في تحسين استراتيجيات تشخيص السرطان.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-97853-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40253475
Publication Date: 2025-04-19
Author(s): Ali Khodaie et al.
Primary Topic: MXene and MAX Phase Materials
Overview
This study presents an innovative surface plasmon resonance (SPR) optical sensor that integrates advanced two-dimensional materials, specifically MXene (Ti₃C₂Tx) and graphene, within a Kretschmann configuration. The sensor’s multi-layered architecture includes components such as a BK7 prism, gold (Au), graphene, aluminum oxide (Al₂O₃), and MXene, which collectively enhance its capability to detect carcinoembryonic antigen (CEA) in aqueous solutions. Performance evaluations were conducted using the finite difference time domain (FDTD) numerical solution method at a wavelength of 633 nm, focusing on critical metrics such as sensitivity, figure of merit (FOM), detection accuracy (DA), detection limit (DL), signal-to-noise ratio (SNR), and intensity scaling (SR).
The sensor demonstrated a remarkable sensitivity of 163.63 deg/RIU and a FOM of 17.52 RIU⁻¹, indicating significant advancements over previous designs. Comparative analyses revealed that this SPR biosensor surpasses earlier models in sensitivity, making it a promising candidate for various applications, including biosensing, food safety monitoring, medical diagnostics, and environmental assessments. The findings highlight the potential of SPR technology to facilitate rapid and accurate CEA detection, thereby contributing to more effective cancer diagnostic strategies.
Results
In this study, the optimization of layer thicknesses in a surface plasmon resonance (SPR) biosensor is explored to enhance its performance, particularly for detecting carcinoembryonic antigen (CEA) concentrations. The results indicate that an optimal gold (Au) layer thickness of 48 nm significantly improves sensor performance by effectively exciting surface plasmons. The thickness of the aluminum oxide (Al₂O₃) layer, when varied from 2 nm to 10 nm, does not notably affect the minimum reflectance, suggesting flexibility in its application while maintaining effectiveness. The integration of two-dimensional (2D) materials, specifically MXene and graphene, is shown to enhance certain optical properties, although excessive layers can weaken resonance strength. The study reveals that the sensitivity of the sensor increases with the number of 2D layers, achieving a peak sensitivity of 163.63 deg/RIU when both MXene and graphene layers are set to two.
Furthermore, the sensor demonstrates a linear relationship between CEA concentration and refractive index changes, allowing for effective detection of low CEA levels (1-5 ng/mL). The proposed SPR biosensor exhibits advantages over conventional methods, including rapid, label-free detection and cost-effectiveness. However, challenges such as repeatability and stability must be addressed through standardized protocols and advanced materials. The findings underscore the potential of the SPR biosensor in clinical applications for early cancer detection and monitoring, highlighting its ability to provide precise optical responses critical for patient management.
Discussion
The discussion section elaborates on the design and operational principles of a surface plasmon resonance (SPR) biosensor utilizing a Kretschmann configuration. This method is advantageous due to its straightforward alignment and control over experimental variables. The resonance condition for surface plasmons is established when the propagation constant of the incident light matches the SP wavevector, characterized by specific equations relating the refractive indices and dielectric constants of the materials involved. The sensor design incorporates multiple layers, including a BK7 prism, gold (Au), graphene, aluminum oxide (Al2O3), and MXene (Ti3C2Tx), which collectively enhance sensitivity for detecting carcinoembryonic antigen (CEA) in aqueous solutions.
The performance of the SPR biosensor was rigorously evaluated using a finite difference time domain (FDTD) numerical method, focusing on key metrics such as sensitivity, figure of merit (FOM), detection accuracy (DA), and detection limit (DL). The sensor demonstrated a sensitivity of 163.63 deg/RIU and a FOM of 17.52 RIU⁻¹, indicating significant improvements over previous designs. These findings highlight the sensor’s potential for applications in biosensing, medical diagnostics, and environmental monitoring, emphasizing the efficacy of SPR technology in facilitating rapid and accurate detection of CEA, thereby contributing to enhanced cancer diagnostic strategies.