准静态极限下用于生物传感应用的计算纳米等离子体学

本工作利用长波极限计算生物传感器的 LSPR（局域表面等离激元共振）响应，扩展了开源 PyGBe 代码以计算在存在任意传感目标时金属纳米颗粒的消光截面。目标分子基于其晶体结构由表面网格表示。PyGBe 是用于连续介质静电学的研究软件，用 Python 编写，计算昂贵的部分通过 PyCUDA 在 GPU 硬件上加速。它还通过提供 O(N log N) 计算复杂度的树码在算法上加速。这些特性使 PyGBe 能处理具有五十万或更多边界元的问题。使用由电场中孤立银纳米球组成的模型问题，我们的结果显示出 1/N 的网格收敛性，以及消光截面随波长变化的准确计算（与解析解对比）。对于由球形银纳米颗粒和一组牛血清白蛋白（BSA）蛋白组成的传感器-分析物系统模型，我们的结果再次获得 1/N 的网格收敛性（相对于 Richardson 外推值）。计算存在 BSA 蛋白时消光截面随波长的 LSPR 响应，捕捉到由于分析物在 1 nm 距离处存在而导致的共振频率 0.5 nm 红移。最后结果是对生物传感器模型的灵敏度研究，获得了蛋白质与纳米颗粒间不同距离下的共振频率偏移。本文所有结果完全可复现，我们已将重新运行计算并重建图形所需的所有材料存入归档数据仓库。PyGBe 在宽松许可下开源并开放开发。文档见 http://barbagroup.github.io/pygbe/docs/。