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物理学 > 医学物理

arXiv:2507.12134v1 (physics)
[提交于 2025年7月16日 ]

标题: 新型多功能等离子体光纤探针:实现等离子体加热和SERS传感用于生物医学应用

标题: Novel multifunctional plasmonic fiber probe: Enabling plasmonic heating and SERS sensing for biomedical applications

Authors:Muhammad Fayyaz Kashif, Di Zheng, Linda Piscopo, Liam Collard, Antonio Balena, Huatian Hu, Daniele Riccio, Francesco Tantussi, Francesco De Angelis, Massimo de Vittorio, Ferruccio Pisanello
摘要: 基于光纤的平台正在被越来越多地探索,作为生物医学应用中集成光子功能的紧凑且微创工具。 其中,单个光纤尖端上的等离子体加热与光学传感的结合,为局部光热驱动和原位分子检测提供了有吸引力的机会。 在本工作中,我们提出了一种多功能等离子体光纤探针(PFP),它能够实现热等离子体加热和表面增强拉曼光谱(SERS)的光谱复用。 这种双重能力是通过使用固态脱湿工艺将金纳米岛(AuNIs)集成到多模光纤的平坦端面来实现的——这是一种简单且可扩展的制造方法,避免了光刻技术的复杂性。 我们研究了AuNIs的形态如何在可见光和近红外光谱范围内调节光学消光、光热响应和电磁场增强。 具体而言,我们在可见光下展示了高效、波长依赖的加热,并在近红外激发下实现了强烈的SERS信号增强,这得到了电磁和热模拟的支持。 在一个集成光纤的设备中解耦光热刺激和拉曼传感的能力,解决了当前光纤实验室技术中的一个空白,因为在这些技术中,多功能操作通常被限制在单一波长。
摘要: Optical fiber-based platforms are increasingly explored as compact, minimally invasive tools for integrated photonic functionalities in biomedical applications. Among these, the combination of plasmonic heating and optical sensing on a single fiber tip offers compelling opportunities for localized photothermal actuation and in situ molecular detection. In this work, we present a multifunctional plasmonic fiber probe (PFP) that enables spectral multiplexing of thermo-plasmonic heating and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). This dual capability is achieved by integrating gold nanoislands (AuNIs) onto the flat facet of a multimode optical fiber using a solid-state dewetting process - a straightforward and scalable fabrication method that avoids the complexity of lithographic techniques. We characterize how the morphology of the AuNIs modulates optical extinction, photothermal response, and electromagnetic field enhancement across the visible and near-infrared spectrum. Specifically, we demonstrate efficient, wavelength-dependent heating under visible light and strong SERS signal enhancement under near-infrared excitation, both supported by electromagnetic and thermal simulations. The ability to decouple photothermal stimulation and Raman sensing in a single, fiber-integrated device addresses a current gap in lab-on-fiber technologies, where multifunctional operation is often constrained to a single wavelength.
主题: 医学物理 (physics.med-ph) ; 光学 (physics.optics)
引用方式: arXiv:2507.12134 [physics.med-ph]
  (或者 arXiv:2507.12134v1 [physics.med-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.12134
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Muhammad Fayyaz Kashif [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 7 月 16 日 11:04:49 UTC (2,687 KB)
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