基于等离子体异质结构的太赫兹表面等离子体共振传感器，用于癌症生物标志物和疟疾抗原的双模检测

《Surfaces and Interfaces》：Terahertz Surface Plasmon Resonance Sensor Based on Plasmonic Heterostructures for Dual-Modal Detection of Cancer Biomarkers and Malaria Antigens

本研究开发了一种金/MXene/石墨烯/黑磷异质结构THz表面等离子体共振生物传感器，用于同时检测癌症标志物（CEA、PSA）和疟疾抗原（HRP2、pLDH），灵敏度达1000 GHz/RIU，线性相关系数R2>0.91，机器学习优化显著提升预测精度，适用于资源有限地区的点检诊断。

　　这项研究提出了一种基于二维材料的太赫兹表面等离子共振（THz-SPR）生物传感器，旨在实现癌症和疟疾的双模态检测。随着全球范围内癌症和疟疾等疾病的持续威胁，尤其是资源匮乏地区，早期和准确的诊断对于提高患者治疗效果至关重要。传统诊断方法在灵敏度、特异性和便携性方面存在局限，因此开发一种具有更优性能的新型检测平台成为迫切需求。

太赫兹（THz）光谱技术因其非电离特性以及对分子振动和构象变化的高敏感性而受到关注。近年来，该技术与表面等离子共振（SPR）效应的结合，为无标记、实时监测生物分子相互作用提供了新的可能性。传统的SPR传感器主要依赖可见光或近红外光，存在穿透深度有限、灵敏度中等的问题。相比之下，THz-SPR技术具备更强的穿透能力和对细微分子识别事件的更高敏感性，有助于提升检测能力。

二维材料，如石墨烯、黑磷（BP）和MXenes，在纳米光子学和生物传感领域展现出了巨大的潜力。它们具有优异的电子、光学和表面特性，可以增强THz-SPR传感的性能。石墨烯以其高载流子迁移率和可调的光学特性著称，能够实现强等离子场束缚和极化子模式的静电调制，从而提高传感器的灵敏度和效率。黑磷则因其厚度依赖的带隙、良好的导电性和荧光特性，成为高灵敏度生物传感平台的重要候选材料。MXenes则因其丰富的表面化学、亲水性和生物相容性，可以与生物分子通过氢键、范德华力和静电相互作用形成强结合，为生物传感器的构建提供了优良的材料基础。

在本研究中，研究人员设计了一种由金、MXene、石墨烯和黑磷组成的分层异质结构，作为THz-SPR生物传感器的核心。这种多层结构的目的是优化太赫兹场的束缚，同时保持对表面结合事件的高度灵敏度。该传感器通过先进的表面化学实现对癌症标志物（如癌胚抗原CEA和前列腺特异性抗原PSA）以及疟疾抗原（如组氨酸丰富蛋白2 HRP2和疟原虫乳酸脱氢酶pLDH）的特异性识别。研究还展示了如何通过调控THz激发的表面等离子体与二维材料的声子极化子之间的耦合，实现前所未有的检测极限。

在实际应用中，传感器的性能受到多种因素的影响，包括温度、湿度和再生协议等。因此，研究不仅关注传感器的理论性能，还考虑了这些实际因素对检测结果的潜在影响。此外，该传感器还结合了微流控系统，使其适用于现场诊断（point-of-care）场景，提升了检测的便捷性和实用性。

为了进一步提升传感器的性能，研究团队引入了机器学习优化方法。通过构建一个包含420个模拟案例的数据集，利用COMSOL软件进行模拟，并结合堆叠集成回归模型，研究人员对五个关键参数进行了优化，包括石墨烯的化学势、太赫兹波的入射角、传感介质的折射率、方形谐振器的边长以及环形谐振器的半径。通过这些参数的优化，研究团队能够显著提高传感器的预测准确性和稳定性，使其在不同操作条件下均能保持良好的性能。

研究结果表明，该THz-SPR生物传感器在检测癌症和疟疾标志物方面表现出卓越的性能。在灵敏度方面，达到了1000 GHz/RIU，这一数值远高于传统诊断平台。同时，传感器在共振频率与折射率变化之间表现出强线性相关性，其中疟疾的R2值为0.998，癌症的R2值为0.915，显示出高度的检测精度。这种高灵敏度和高特异性使得该传感器能够有效区分不同的生物分子，为疾病检测提供了可靠的技术支持。

该研究不仅在材料选择和结构设计上进行了创新，还在实验方法和数据分析方面采用了先进的技术手段。通过有限元方法（FEM）和COMSOL Multiphysics软件，研究人员能够精确模拟传感器的电磁行为，从而验证其性能。此外，通过机器学习模型对传感器参数进行优化，进一步提升了检测的准确性和可靠性。

综上所述，这项研究为癌症和疟疾的联合检测提供了一种新的解决方案。该THz-SPR生物传感器结合了金、MXene、石墨烯和黑磷等材料，具有优异的性能，包括高灵敏度、高特异性和强线性相关性。通过机器学习优化，该传感器在不同操作条件下均能保持良好的性能，为资源匮乏地区的疾病监测和现场诊断提供了重要的技术工具。该研究的结果表明，基于二维材料的THz-SPR生物传感器在提高疾病检测效率和准确性方面具有巨大潜力，有望成为未来医疗诊断领域的重要发展方向。