通过微流控技术和光学环形谐振器实现对多种分析物折射率的复用检测：光耦合方法

《Optik》：Multiplexed detection of refractive indices among analytes via microfluidics and optical ring resonator: Optical coupling approach

提出了一种基于光学环形谐振器的折射率传感器，可同时检测血友病、乳腺癌细胞、葡萄糖浓度和结核病四种生物标志物。通过FDTD方法优化设计，灵敏度达420 nm/RIU，FOM为289.85 RIU?1，QF为1107.36，为便携式多疾病检测系统开发提供理论支持。

　　本研究探讨了一种基于光学环形谐振器的折射率传感器在人类多种疾病检测中的应用。该传感器具有在医疗健康领域实现早期疾病诊断的潜力。传感器系统采用C波段（1550 nm）的光学光源进行设计，并通过数值模拟分析其性能，以检测镰状细胞贫血（SCA）、乳腺癌细胞、葡萄糖浓度以及结核病等疾病。为了优化传感器的性能指标，包括灵敏度、图示质量因子（FOM）和品质因子（QF），研究采用了时间效率高的有限差分时域（FDTD）方法。通过上述方法，该传感器的灵敏度达到了420 nm/RIU，图示质量因子为289.85 RIU?1，品质因子为1107.36，显示出其在多目标检测中的卓越性能。这些研究成果进一步激励了在医疗领域中构建广泛应用的传感系统，以实现对多重疾病的快速检测。

在现代医疗体系中，疾病的快速和准确检测是提升患者治疗效果的关键环节，尤其是在疾病初期，及时的干预措施能够显著改善预后。近年来，基于光学原理的生物传感器因其在快速、高灵敏度和无标记检测方面的潜力而受到广泛关注。光学传感技术包括多种结构，如马赫-曾德尔干涉仪（MZI）、定向耦合器、微环形谐振器（RR）、光子晶体和等离子体器件等。其中，环形谐振器因其高灵敏度、紧凑的尺寸以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的兼容性，成为微流控传感的重要平台之一。环形谐振器的工作原理是通过闭合回路中的光传播，当周围环境发生扰动时，例如样品液体折射率的变化，将改变谐振条件。这种谐振条件的变化可以通过精确测量来实现，从而检测样品的微小变化。

根据世界卫生组织（WHO）的最新年度报告，结核病（TB）是人类最致命的疾病之一，每年全球约有140万例死亡病例与结核病有关。尽管发展中国家通过快速检测和免疫接种在一定程度上控制了该疾病，但印度在2023年仍发现83例新病例。结核病感染血液的折射率略高于正常血液浆，因此，通过折射率变化来检测结核病具有重要意义。研究表明，结核病可分为四个阶段，分别对应不同的折射率值：1.48、1.46、1.45和1.43。这些数据为传感器的设计提供了理论依据，有助于实现对不同阶段结核病的精准识别。

癌症是另一种对人类极具威胁的疾病，如果在早期未能确诊，可能导致严重的后果。因此，早期和精确的检测是控制癌症的关键手段之一。癌症细胞在血液浆中的折射率变化范围为1.39至1.401，这表明通过折射率检测可以有效识别癌细胞的存在。同时，糖尿病与不健康的生活方式密切相关，可能导致多种并发症。血糖浓度是判断糖尿病的重要指标，当血糖浓度超过7.8毫摩尔/每升（mM/L）时，代谢紊乱的风险增加。健康人群的血糖浓度应低于8 mM/L，而糖尿病前期患者的血糖浓度则在7.8至11.11 mM/L之间，糖尿病患者的血糖浓度超过11.11 mM/L。这些生理变化为传感器在血糖检测中的应用提供了依据。

镰状细胞贫血（SCA）是一种与红细胞相关的遗传疾病，会导致剧烈的疼痛。该疾病由血红蛋白基因突变引起，导致血红蛋白结构异常和红细胞变形为镰刀状。将SCA检测集成到基于环形谐振器的传感器中，可以提供一种快速且非侵入式的诊断工具，有助于疾病的早期发现和监测。此外，近年来针对基于折射率（RI）的光学传感器在生物分析物检测中的研究不断深入，涉及多种几何结构的设计。例如，Ali等人在相关研究中提出了基于环形谐振器的折射率传感器，用于检测癌细胞，其灵敏度和品质因子分别达到了200 nm/RIU和1200。Sahu等人则提出了一种基于亚波长光栅的折射率传感器，用于检测血糖浓度，其灵敏度为206.3 nm/RIU，检测限为10??。Ciminelli等人提出了一种微型环形谐振器传感器，用于生物化学检测，其灵敏度、品质因子和检测限分别为120 nm/RIU、10?和10??。Kamani等人设计了一种用于检测结核病的环形谐振器传感器，其灵敏度、品质因子和检测限分别为1500 nm/RIU、4×10?和5×10??，显示了该传感器在检测结核病方面的优越性能。

在本研究中，我们旨在设计一种高灵敏度的硅波导环形谐振器，用于在系统芯片（SOC）平台上实现折射率传感。该传感器可应用于检测多种生物分析物，包括镰状细胞贫血、乳腺癌细胞、葡萄糖浓度以及结核病。研究采用先进的模拟工具，探索了传感器的设计、优化、性能及其在临床应用中的潜力。本文的结构组织如下：第二部分介绍了设计结构和方法，第三部分讨论了传感参数，第四部分则详细探讨了该传感器在四种不同生物分析物检测中的应用，并对其性能进行了评估。

设计结构和方法部分展示了所提出的非对称波导环形谐振器的示意图。该结构由两个直波导之间的圆环形波导组成，其几何参数详见表1。该设备设计在硅绝缘体（SOI）平台上，通过数值模拟方法FDTD在Ansys-Lumerical?平台上进行模拟和优化。折射率传感基于光与物质的相互作用，通过电场在环形谐振器中的传播实现。该方法能够有效捕捉周围环境的微小变化，从而提高检测的准确性。

在传感参数评估方面，研究采用了标准技术，包括光学透射率、灵敏度、图示质量因子和品质因子等。这些参数不仅反映了传感器的性能，也决定了其在实际应用中的可行性。通过优化这些参数，传感器能够实现更高的检测精度和更广泛的适用范围。此外，该传感器的设计参数通过FDTD方法进行了优化，以确保其在多种生物分析物检测中的高效性。

在应用结果部分，研究提出了一种光学传感器，用于检测多种生物分析物。该传感器采用基本模式进行检测，能够提供更高的灵敏度。所提出的传感器能够检测到生物分析物的微小变化，包括镰状细胞、癌细胞、葡萄糖浓度以及结核病等。这些检测能力为传感器在医疗健康领域的广泛应用提供了可能。

通过本研究的成果，可以看出基于环形谐振器的折射率传感器在疾病检测中的重要性。这种传感器不仅能够提高检测的灵敏度，还能在多个疾病检测中发挥关键作用。随着技术的不断发展，这种传感器有望成为医疗诊断的重要手段之一。此外，研究还展示了该传感器在不同环境条件下的性能表现，包括在不同折射率范围内的检测能力。这些结果为传感器在实际应用中的优化提供了理论支持。

总之，本研究通过设计和优化基于环形谐振器的折射率传感器，展示了其在多种疾病检测中的潜力。该传感器的高灵敏度和良好性能指标使其成为医疗健康领域的重要工具。通过不断的技术创新和优化，该传感器有望在未来的医疗诊断中发挥更大的作用，为疾病的早期发现和治疗提供支持。