金和二氧化钛增强型光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器在近红外光谱中的早期乳腺癌检测

为解决乳腺癌早期检测灵敏度不足和传统SPR生物传感器结构复杂的问题，研究人员开发了一种基于Au/TiO2涂层的圆形光子晶体光纤(PCF)表面等离子体共振(SPR)生物传感器。该传感器通过优化几何设计和有限元模拟，实现了对MDA-MB-231和MCF-7乳腺癌细胞的高灵敏度检测，最高波长灵敏度达29,285.17 nm/RIU，振幅灵敏度达2975 RIU?1，性能优于现有技术，为无创早期诊断提供了新方案。

　　

乳腺癌是全球女性健康的主要威胁，早期诊断可显著提高生存率。然而，现有检测技术面临灵敏度不足、操作复杂和成本高昂等挑战。传统表面等离子体共振(SPR)生物传感器虽能通过折射率(RI)变化检测生物分子，但存在结构复杂、金属氧化稳定性差等问题。尤其对于乳腺癌标志物检测，现有光子晶体光纤(PCF)SPR传感器的波长灵敏度多低于20,000 nm/RIU，且D形或双芯结构增加了制备难度。

针对这些问题，国内研究人员设计了一种新型圆形PCF-SPR生物传感器。该传感器采用金(Au)和二氧化钛(TiO₂)复合涂层，通过化学气相沉积(CVD)技术将50 nm Au层沉积在熔融二氧化硅(SiO₂)表面，并以100 nm TiO₂作为粘附层。研究团队使用COMSOL Multiphysics进行有限元法(FEM)模拟，优化了包含三层不同直径气孔（0.5-0.9 μm）的六边形/八边形晶格结构，并引入完美匹配层(PML)吸收散射光。

关键技术包括：1）基于Sellmeier方程和Drude-Lorentz模型计算材料光学特性；2）通过FEM模拟分析x/y偏振下的模式分布；3）采用波长/振幅双灵敏度检测法评估性能；4）对Au层厚度(±10 nm)、TiO₂厚度(±10 nm)和晶格间距(±0.1 μm)进行公差分析。

3.1 光学场分布
核心模式与表面等离子体激元(SPP)模式在1010-1480 nm波长范围耦合，x/y偏振下MDA-MB-231细胞的最高限制损耗(CL)分别出现在1010 nm和1030 nm，证实了有效的光-生物分子相互作用。

3.2 波长灵敏度
MCF-7细胞在x偏振下表现出最高波长灵敏度(29,285.71 nm/RIU)，对应折射率变化0.014，共振波长偏移达410 nm。y偏振下灵敏度为25,000 nm/RIU，显著高于文献报道的螺旋形(21,996 nm/RIU)和双V形(14,428.6 nm/RIU)传感器。

3.3 振幅灵敏度
y偏振下MCF-7的振幅灵敏度达2975 RIU^?1，是传统D形传感器(410 RIU^?1)的7倍。这种增强源于TiO₂粘附层改善了Au膜均匀性，使CL变化更显著。

3.4 传感器分辨率
MCF-7在x偏振下的分辨率达3.41×10^?6 RIU，可检测微小RI变化，满足早期癌症诊断需求。

3.5 品质因数
x偏振下MCF-7的品质因数(FOM)为127.89 RIU^?1，得益于229 nm的窄半高宽(FWHM)，表明传感器具有优异的信噪比。

3.6-3.8 制备公差分析
Au层厚度50 nm、TiO₂厚度100 nm和晶格间距1.8 μm被确定为最优参数。±10 nm的厚度变化导致灵敏度波动<15%，证实设计具备工程可行性。

这项研究通过创新性结构设计解决了传统SPR传感器灵敏度与制备复杂度之间的矛盾。圆形PCF避免了D形光纤的抛光难题，而Au/TiO₂组合既保证了化学稳定性（Au不易氧化），又通过TiO₂提升了粘附强度。研究结果为开发低成本、高灵敏度的乳腺癌早期诊断工具奠定了基础，未来可通过扩展检测波长范围（如中红外）或整合微流控技术进一步优化性能。论文发表于《Sensing and Bio-Sensing Research》，为生物医学光学传感领域提供了重要参考。