基于无标记石墨烯表面等离子体共振传感器的男性生育力评估与行为预测研究

本研究针对男性不育诊断技术存在的成本高、主观性强等问题，开发了一种基于石墨烯表面等离子体共振（SPR）的生物传感器。通过多谐振器结构设计和COMSOL Multiphysics 6.3电磁分析，实现了118-5000 GHz/RIU的超高灵敏度，结合多项式回归机器学习优化，预测精度达87-91%。该技术为临床精子分析提供了新型无标记实时检测方案。

　　

全球约15%育龄夫妇面临不孕问题，其中男性因素占比高达50%。传统精子分析方法如计算机辅助精液分析（CASA）存在设备昂贵、操作复杂等局限，在资源匮乏地区难以普及。更棘手的是，这些技术需要染色标记，可能影响精子活性，且结果易受操作者经验影响。面对这一临床痛点，Jacob Wekalao团队在《Sensing and Bio-Sensing Research》发表创新研究，开发了一种革命性的无标记检测技术。

研究采用多学科交叉方法，核心包括：1）COMSOL Multiphysics 6.3进行电磁场仿真，优化多谐振器结构；2）基于Kubo公式的石墨烯表面电导率建模；3）多项式回归机器学习算法（含ReLU激活函数和Adam优化器）分析4000组模拟光谱数据；4）标准硅基微纳加工工艺制备传感器芯片。

【设计与建模】

团队设计了三重谐振器结构：中心为BaTiO₃涂层的环形谐振器（半径3.3-3.5 μm），上层是铝制矩形谐振器（5×1.2 μm），外围环绕金制方形环（13×13.7 μm）。这种复合结构通过COMSOL仿真证实可产生多重共振模式，增强光-物质相互作用。

【电磁分析】

通过建立包含非局部介电响应和石墨烯表面电导率的耦合模理论，研究发现传感器在0.27 THz处呈现强共振。电场分布模拟显示，共振时能量集中分布在谐振器边缘，场增强因子η_loc显著提升，为高灵敏度检测奠定基础。

【结果与讨论】

在折射率1.33-1.3461范围内，传感器表现出梯度响应：灵敏度从118 GHz/RIU跃升至5000 GHz/RIU，品质因数（Q）维持在3.575-3.699。特别在检测极限（DL）方面，最高达到0.028 RIU，可分辨精子浓度引起的微小折射率变化（Δn≈0.0001）。机器学习模型对石墨烯化学势（0.1-0.9 eV）的预测R²达94-100%，验证了参数优化的可靠性。

【结论】

这项研究突破了传统精子检测的技术瓶颈，其创新性体现在三方面：首先，石墨烯/BaTiO₃复合结构实现了5000 GHz/RIU的超高灵敏度；其次，无标记检测避免了对精子的化学损伤；最后，机器学习辅助分析使系统具备临床级预测精度（87-91%）。该技术为开发便携式生育力诊断设备提供了新范式，对实现WHO倡导的全民生殖健康覆盖具有重要实践意义。