方形SPR-PCF生物传感器：前列腺癌检测的新维度与高灵敏度生物传感突破

研究人员针对前列腺癌现有检测方法特异性低、假阳性率高的问题，开发了一种基于表面等离子体共振(SPR)的光子晶体光纤(PCF)生物传感器。通过优化结构参数，该传感器对BPH-1细胞实现了5000 nm/RIU的波长灵敏度和159.06 RIU-1的振幅灵敏度，分辨率达1.26×10-6 RIU。这项研究为前列腺癌早期诊断提供了高灵敏度、非侵入性的新型检测方案。

　　

前列腺癌是全球男性第二大常见癌症，传统检测方法如前列腺特异性抗原(PSA)测试存在特异性低(仅79%)、假阳性率高的问题，而活检等侵入性方法可能导致感染等并发症。磁共振成像(MRI)虽提高了检出率，但成本高昂且适用性有限。因此，开发高灵敏度、非侵入性的新型检测技术成为当务之急。

达夫国际大学的研究团队在《Sensing and Bio-Sensing Research》发表了一项突破性研究，设计了一种方形表面等离子体共振光子晶体光纤(SPR-PCF)生物传感器。该研究通过有限元法(FEM)结合COMSOL Multiphysics 6.2软件进行仿真优化，采用Drude-Lorentz模型计算金层介电常数，并利用Sellmeier方程确定熔融石英折射率。研究团队测试了五种前列腺细胞(RWPE-1、BPH-1、DU-145、PC-3和LNCaP)，通过分析限制损耗(CL)、波长灵敏度(WS)和振幅灵敏度(AS)等参数评估传感器性能。

在结构设计与数值分析部分，研究人员设计了独特的方形核心结构，优化参数包括空气孔半径(R₁=0.20 μm, R₂=0.33 μm)、方形核心长度(C=0.4 μm)、金层厚度(G_t=28 nm)和二氧化钛(TiO₂)层厚度(10 nm)。通过59026个三角形域元素的网格划分，实现了最小质量0.3681的精确模拟。

参数优化研究显示，当金层厚度为28 nm时，传感器对BPH-1细胞表现出最佳性能：波长灵敏度达5000 nm/RIU，振幅灵敏度159.06 RIU^-1，分辨率1.26×10^-6 RIU。其他癌细胞检测性能同样优异：DU-145细胞(WS=2222.22 nm/RIU, AS=149.07 RIU^-1)、PC-3细胞(WS=2380.95 nm/RIU, AS=133.89 RIU^-1)和LNCaP细胞(WS=2272.73 nm/RIU, AS=132.72 RIU^-1)。

研究团队提出了基于堆叠拉伸法的可行制备方案：先制备纯硅毛细管，通过精确堆叠形成预成型体，再经拉伸和镀膜(金和TiO₂)工艺制成最终传感器。虽然方形设计增加了制造难度，但该方法为实际生产提供了明确路径。

该研究的创新性体现在三个方面：首先，这是首个专门针对前列腺癌检测的SPR-PCF生物传感器研究；其次，方形核心设计显著提高了灵敏度；最后，优化的多层结构(金+TiO₂)增强了表面等离子体共振效应。相比现有技术，该传感器具有显著优势：传统PSA检测灵敏度仅60%，而该传感器对BPH-1细胞的检测灵敏度提高了83倍；与组织活检相比，它完全无创且可避免感染风险。

研究也存在一定局限性，主要是方形结构增加了制造复杂度，且环境因素(如pH值、湿度和温度)可能影响性能。未来研究可探索3D打印等先进制造技术，并评估传感器在复杂生物环境中的稳定性。

这项研究为前列腺癌早期诊断提供了革命性的解决方案，其高灵敏度、便携性和非侵入性特点使其具有广阔的临床应用前景。通过区分正常(RWPE-1)、良性增生(BPH-1)和恶性(DU-145、PC-3、LNCaP)前列腺细胞，该传感器有望显著降低不必要的活检次数，提高早期癌症检出率，为精准医疗开辟了新途径。