基于光子晶体的高灵敏度低检测限血糖光学传感器设计与仿真研究

研究人员针对糖尿病管理中传统血糖检测方法侵入性强、成本高且易出错的问题，设计了一种基于硅基空气孔二维光子晶体(2D PhC)的光学传感器。该研究通过优化对称点缺陷腔结构，实现了1428-2592 nm/RIU的超高灵敏度、12960的优异品质因数(FOM)和7×10-6 RIU的极低检测限，为无标记实时血糖监测提供了CMOS兼容的微型化解决方案。

　　

糖尿病作为现代社会的常见代谢性疾病，其引发的血糖水平异常可导致心脏损伤、肾衰竭等严重并发症。传统电化学血糖检测技术存在侵入性采样、设备昂贵等问题，而新兴的基于石墨烯等纳米材料的传感器又面临制备复杂、集成度低的挑战。在此背景下，光子晶体(Photonic Crystal, PhC)技术因其独特的光子带隙(Photonic Band Gap, PBG)特性和微纳尺度光场调控能力，为高精度生物传感提供了新思路。

研究人员创新性地设计了基于硅基空气孔阵列的二维光子晶体传感器。该结构采用21×15的方形晶格排列，通过引入线缺陷波导和对称点缺陷腔，在1.55μm通信波段实现了光场的强局域增强。与传统的硅棒结构相比，该空气孔设计不仅兼容标准半导体工艺，更通过优化传感孔（半径扩大1.5倍）和微腔结构（半径缩小0.5倍），显著提升了折射率变化检测能力。

研究采用RSoft Photonic Suite软件进行系统仿真，关键技术包括：1）平面波展开法(PWE)计算光子带隙；2）时域有限差分法(FDTD)分析传输特性；3）TE模式下的麦克斯韦方程求解。通过建立血糖浓度与折射率的线性关系模型(n_blood=1.328+1.2×10^-6·C)，在0-500 mg/dL范围内验证了传感器性能。

研究结果显示：在3.1. Important Parameters章节中，传感器在100 mg/dL正常血糖浓度下表现出2500 nm/RIU的灵敏度和12500的FOM值；3.3. Figure of Merit部分揭示其品质因数(Q)高达7480-7487，远超同类器件；3.5. Detection Limit数据显示检测限最低达7×10^-6 RIU，可分辨0.09nm的共振波长偏移。特别值得注意的是，如图8-10所示的传输谱表明，该传感器能清晰区分50mg/dL（Δλ₀=0.09nm）与200mg/dL（Δλ₀=0.45nm）的临床关键阈值。

这项发表于《Results in Engineering》的研究具有三重突破性意义：首先，通过CMOS兼容的二维光子晶体设计，实现了较传统电化学传感器两个数量级的检测精度提升；其次，2592 nm/RIU的灵敏度与12960的FOM值创造了同类传感器的性能纪录；更重要的是，该器件仅需纳升级血样即可完成检测，为未来开发植入式连续血糖监测系统奠定了理论基础。如表5所示，该传感器在 footprint（120μm²）与性能指标间取得了最佳平衡，展现出巨大的临床转化潜力。