用于早期疟疾检测的高灵敏度D形光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器设计与性能分析

《Seminars in Vascular Surgery》：A highly sensitive D-shaped PCF SPR biosensor for early malaria detection: Design and performance analysis

本研究针对疟疾早期诊断需求，设计了一种基于表面等离子体共振(SPR)原理的D形光子晶体光纤(PCF)生物传感器。通过优化三孔径空气孔结构和Au/TiO2复合涂层，实现了对疟疾感染红细胞三个发育阶段（环状体、滋养体、裂殖体）的高精度检测。该传感器在X偏振模式下最高波长灵敏度达57,000 nm/RIU，振幅灵敏度达744.21 RIU-1，传感器分辨率达1.75×10-6 RIU，性能显著优于现有文献报道，为疟疾早期诊断提供了新的技术方案。

　　

疟疾作为一种由疟原虫引起的致命性疾病，早期诊断对降低死亡率至关重要。传统诊断方法存在操作繁琐、需要专业人员、低寄生虫血症时易误诊等局限性。近年来，光子晶体光纤(PCF)与表面等离子体共振(SPR)技术相结合的生物传感器因其高灵敏度、实时检测和小型化优势，为疟疾早期诊断带来了新的希望。

本研究团队开发了一种创新的D形PCF-SPR生物传感器，专门用于检测疟疾感染红细胞的三个关键发育阶段：环状体期（折射率1.395）、滋养体期（折射率1.383）和裂殖体期（折射率1.373）。与健康红细胞（折射率1.402）相比，感染后的红细胞折射率会发生明显变化，这为光学检测提供了理论基础。

研究人员采用有限元法(FEM)通过COMSOL Multiphysics 6.1软件进行数值模拟，设计了具有三种不同直径空气孔（d₁=1μm，d₂=1.9μm，d₃=2μm）的D形PCF结构。传感器表面依次沉积40nm金(Au)层和15nm二氧化钛(TiO₂)层，形成等离子体激发界面，最外层为1μm厚的分析物层和1.7μm完美匹配层(PML)用于吸收散射光。

在关键技术方法方面，研究采用了有限元分析进行结构优化，使用Sellmeier方程计算熔融石英折射率，应用Drude-Lorentz模型描述金的光学特性，通过模式分析研究核心模式与表面等离子体激元(SPP)模式的耦合效应，并系统评估了限制损耗(CL)、波长灵敏度(WS)、振幅灵敏度(AS)、传感器分辨率(SR)、半高全宽(FWHM)、品质因子(FOM)和检测限(LOD)等关键性能参数。

3.1. 性能分析

通过限制损耗分析发现，在X偏振模式下，共振波长从1350nm分别偏移至926nm、926nm和700nm，对应三个红细胞阶段。Y偏振模式下偏移更为显著，从1600nm偏移至850nm、775nm和625nm。光学场分布显示，在裂殖体期（n_a=1.373），核心模式与SPP模式在700nm波长处发生强烈耦合，产生83dB/cm的最高限制损耗。

波长灵敏度性能表现突出，在X偏振模式下，环状体期、滋养体期和裂殖体期的WS分别达到57,000.00、35,157.90和21,517.24nm/RIU。振幅灵敏度方面，滋养体期在X偏振下达到最高的744.21RIU^-1，这得益于该折射率条件下核心模式与SPP模式之间最佳的相位匹配。

传感器分辨率在X偏振的环状体期达到最佳值1.75×10^-6RIU，表明其能够检测极微小的折射率变化。品质因子在X偏振的环状体期最高为335.08RIU^-1，而检测限最低为3.08×10^-11RIU²/mm，展现了卓越的检测能力。

3.2. 共振波长的多项式拟合

研究还建立了共振波长与折射率之间的多项式拟合关系，为传感器校准提供了数学基础。X偏振下的拟合方程为y=0.107×n_a²+0.2715×n_a+1.067，Y偏振下为y=0.08843×n_a²+0.197×n_a+0.9962。

3.3. 金层厚度变化的制造容差

制造容差分析显示，当金层厚度在30-50nm范围内变化时，传感器仍能保持良好的性能。在环状体期X偏振下，金层厚度为30nm时WS可达82,142.86nm/RIU，40nm时为57,000.00nm/RIU，50nm时为28,571.43nm/RIU。空气孔直径d₂在±10%范围内变化时，传感器性能也表现出良好的稳定性。

3.4. 传感器参数优化

优化后的传感器参数表明，该生物传感器在三个红细胞感染阶段均能保持高性能。特别是在环状体期，X偏振下的WS达到57,000.00nm/RIU，SR为1.75×10^-6RIU，为早期疟疾诊断提供了可能。

3.5. 性能比较

与现有研究相比，本文提出的D形PCF-SPR生物传感器在多个性能指标上均优于文献报道。如环状体期的WS（57,000.00nm/RIU）显著高于Quasi-D形传感器的42,857.14nm/RIU和金纳米线传感器的38,571.00nm/RIU。传感器分辨率也优于多数现有技术，展现了其在疟疾早期诊断领域的巨大潜力。

该研究的成功实施标志着PCF-SPR生物传感器技术在疟疾诊断领域取得了重要突破。通过创新的D形设计和优化的多层结构，实现了对疟疾感染红细胞不同发育阶段的高灵敏度、高特异性检测。传感器在波长灵敏度、振幅灵敏度、分辨率等关键指标上的卓越表现，为开发低成本、便携式疟疾早期诊断设备奠定了理论基础。特别是在资源有限地区，这种传感器有望成为传统诊断方法的重要补充，为全球疟疾防控工作提供新的技术支撑。

研究的创新之处在于首次将特定孔径配置的D形PCF结构与Au/TiO₂复合涂层相结合，通过系统优化实现了对疟疾感染不同阶段的精准区分。多项式拟合方程的建立为传感器实际应用提供了校准工具，而制造容差分析则证明了该设计的实用性和可行性。未来，这一技术平台还可扩展到其他血液传染病和生物分子的检测中，具有广泛的应用前景。