基于MoS2-Si3N4多层表面等离子体共振生物传感器的疟疾分期检测：理论探索与临床潜力

为解决疟疾分期诊断中传统方法灵敏度不足、操作复杂等问题，研究人员设计了一种基于MoS2-Si3N4多层结构的表面等离子体共振（SPR）生物传感器，通过理论模拟优化银膜、硅氮化物和二维材料厚度组合，实现了对疟原虫感染红细胞折射率变化的超高灵敏度检测（最高318.2°/RIU），为疟疾精准诊疗提供了新型光学检测方案。

　　

疟疾仍是全球公共卫生的重大威胁，尤其在中低收入国家，精准区分疟原虫的环状体（Ring）、滋养体（Trophozoite）和裂殖体（Schizont）阶段对治疗决策至关重要。然而，现有诊断技术如吉姆萨染色显微镜检查依赖操作者经验，快速诊断试纸条易受抗原变异干扰，PCR技术则因设备要求难以普及。更棘手的是，疟原虫不同发育阶段会引发红细胞折射率（RI）的细微变化，传统光学手段难以捕捉这种纳米级生物物理信号。

针对这一挑战，来自Universidad Técnica Particular de Loja的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics: X》发表了一项创新研究。他们设计了一种基于表面等离子体共振（SPR）原理的多层生物传感器，通过银（Ag）、硅氮化物（Si₃N₄）、二硫化钼（MoS₂）和硫醇化单链DNA（ssDNA）的协同作用，实现了对疟疾分期的超高灵敏度光学检测。

研究采用转移矩阵法（TMM）模拟光波在多层介质中的传播行为，系统优化了各层材料厚度组合。通过计算反射率曲线、电场分布等参数，评估了灵敏度（S）、半高宽（FWHM）、品质因子（QF）等性能指标。研究特别关注了感染红细胞在疟原虫不同发育阶段的折射率变化（正常1.402，环状体1.395，滋养体1.381，裂殖体1.371），这些数据源自前期实验研究并经过理论验证。

3.1 生物传感器优化
通过四种系统配置的对比（Sys₁-Sys₄），发现引入Si₃N₄和MoS₂可使灵敏度提升25.5%。银膜厚度优化显示35nm时能平衡灵敏度与光损耗，而单层MoS₂在保持低衰减（0.59%）的同时显著增强表面极化效应。ssDNA功能化层的最佳厚度为5nm，既能保证DNA杂交效率，又避免过度光学阻尼。

3.2 疟疾检测性能
在模拟疟疾分期的折射率条件下，Sys₄表现出最优异的性能：对环状体、滋养体和裂殖体的灵敏度分别达318.2、268.9和244.8°/RIU，远超传统SPR传感器。电场模拟显示MoS₂/ssDNA界面处的局域场增强是灵敏度提升的关键，这种"热点"效应使传感器能分辨0.004 RIU的微小变化，相当于区分疟原虫发育早期与晚期的生物物理差异。

3.3 与现有技术的比较
该设计灵敏度显著优于已报道的TiO₂/Ag/MoSe₂/石墨烯（194°/RIU）和Au/MXene结构（258.3°/RIU）。特别值得注意的是，ssDNA层的引入使系统兼具分子特异性识别能力，可通过设计探针序列靶向疟原虫DNA，避免非特异性结合干扰。

这项研究为疟疾分期诊断提供了革命性的光学解决方案。通过理论验证的多层SPR架构，首次实现了对红细胞感染过程中纳米级生物物理变化的定量检测。未来若结合微型化Kretschmann棱镜或光纤SPR技术，有望开发出适用于偏远地区的便携式疟疾分期诊断设备。研究者特别指出，该传感器设计采用常规镀膜工艺（如PECVD沉积Si₃N₄、CVD生长MoS₂），具有工业化生产的可行性，为从理论模拟向临床转化奠定了重要基础。