基于田口方法的 D 形 PCF-SPR 光栅传感器设计与优化：用于基于折射率的血癌检测

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Design and optimization of grating based D-shaped PCF-SPR sensor through Taguchi method for RI-based blood cancer sensing

　　

提出了一种带有银光栅的D形光子晶体光纤（PCF），用于血液癌症检测（通过折射率感知）。采用田口方法优化波长灵敏度。优化后的传感器达到了最大35,000 nm/RIU的波长灵敏度。优化后的传感器提供了最小2.86×10?? RIU的灵敏度。

引言

血液癌症是一大类血液系统恶性肿瘤，影响血液、淋巴系统、骨髓和浆细胞。其主要类型包括多发性骨髓瘤、淋巴瘤和白血病。在这些疾病中，异常的血细胞或免疫细胞不受控制地增殖，干扰健康血细胞的产生和功能[1]、[2]。由于血液直接参与氧气运输、免疫防御、凝血和全身调节，任何造血组织的恶性病变都可能迅速影响多个生理过程。血液癌症的致死性主要与骨髓衰竭、严重贫血、反复感染、异常出血、免疫抑制以及可能的器官功能障碍有关[1]。在快速增多的病例中，及时诊断和干预至关重要。

早期检测在血液癌症的治疗中起着重要作用。如果疾病能及早识别，可以在恶性肿瘤高度进展或产生治疗抗性之前启动合适的策略，如免疫治疗、放射治疗、干细胞移植、靶向治疗、化疗或分子指导治疗[2]。早期诊断提高了持续疾病监测、风险分类、治疗规划和疗效评估的可能性。因此，开发快速、灵敏和可靠的诊断平台对于提高患者生存率和降低治疗复杂性非常重要。

传统的血液癌症诊断技术包括全血计数分析、骨髓穿刺或活检、外周血涂片检查、流式细胞术、细胞遗传学分析、聚合酶链式反应、免疫表型分析以及其他分子诊断技术[2]、[3]。这些方法在临床中广泛使用，提供了关于细胞形态、免疫标志物、染色体异常和基因突变的宝贵信息。然而，它们也存在局限性，例如骨髓活检具有侵入性且需要熟练的医疗人员，而流式细胞术和分子检测则需要昂贵的仪器、经过培训的操作人员、依赖试剂的方案以及设备完善的实验室基础设施[3]。此外，整个诊断过程可能昂贵且耗时。这些缺点限制了传统技术在快速、低成本和即时检测筛查中的应用。

光学生物传感器作为生物医学检测的有前途的替代方案，因为它们能将生物或化学变化转化为可测量的光信号。在光学生物传感器中，分析物与感知区域的相互作用会引起光学参数的变化，如强度、波长、相位、偏振、吸收、透射或折射率[4]。这些传感器提供了多项优势，包括高灵敏度、快速响应、紧凑尺寸、最少样本需求以及实时无标记检测能力[5]。无标记检测特别有用，因为它避免了额外的荧光或酶标记步骤，从而简化了检测过程并保留了生物样本的自然特性。

在不同的光学传感机制中，表面等离子体共振（SPR）因其对折射率变化的显著灵敏度而受到广泛关注。当入射光在适当的相位匹配条件下与等离子体材料表面的自由电子振荡高效耦合时，便会产生SPR[6]。这种耦合会产生明显的共振损耗峰，周围分析物的折射率强烈影响其波长、幅度和线宽。分析物折射率的微小变化即可改变共振条件，使基于SPR的传感器非常适合生物化学和生物医学传感应用[5]、[6]。由于许多与疾病相关的变化会改变生物样本的光学特性，SPR生物传感器被广泛研究用于癌症检测、蛋白质感知、DNA杂交、病原体检测和临床诊断[5]。

基于光子晶体光纤（PCF）的SPR传感器通过将微结构光纤的设计灵活性与SPR的高表面灵敏度相结合，进一步扩展了基于折射率的生物传感范围。PCF由沿光纤长度方向的常规或改性空气孔排列组成，允许对模态约束、双折射、色散、有效折射率（neff）和倏逝场分布进行强控制[7]。通过将等离子体材料放置在分析物区域附近，表面等离子体极化激元（SPP）模式可与导波芯模耦合。在共振波长处，光能量从芯模高效转移到等离子体模式，产生用于折射率感知的明显损耗峰[8]。基于PCF的SPR传感器紧凑、灵活，适合远程传感，且更容易集成到微型化传感平台中。

PCF-SPR传感器在血液癌症相关传感方面特别具有吸引力，因为其传感机制可以基于生物样本折射率的变化。细胞组成、形态和生化成分的变化会影响样本的光学特性。在基于折射率的传感方法中，可以通过SPR共振波长和损耗响应的相应移动来监测这些变化。因此，已研究了多种PCF-SPR构型用于癌症相关传感，包括D形PCF传感器、双芯结构、环形芯几何、侧抛光光纤和开放通道结构[7]、[9]。在这些构型中，D形几何结构对于等离子体传感特别有利，因为侧抛光减小了芯导波模式、分析物和等离子体区域之间的距离。这种减小的距离使更大比例的倏逝场与等离子体界面相互作用，从而增强了导波芯模与表面等离子体极化激元（SPP）模式之间的耦合，提高了传感响应。

光栅辅助的PCF-SPR传感器为改善传感器性能提供了额外的自由度。等离子体光栅可以增强导波芯模与周围分析物之间的相互作用，增加有效传感表面积，并修改相位匹配条件。Elmahdy等人建议了一种基于等离子体金字塔光栅应用于D形PCF的SPR传感器，报道了5200 nm/RIU的波长灵敏度[10]。这表明光栅型等离子体结构可以比传统的平面金属层设计改善耦合效率和传感响应。因此，光栅辅助的PCF-SPR传感器对于需要精确检测微小折射率变化的生物医学应用很有前景。与连续平面等离子体层相比，等离子体光栅提供了具有增大有效接触面积的金属-分析物界面结构。在提出的传感器中，银光栅元件直接暴露于分析物，允许更大比例的等离子体表面参与分析物相互作用。这种几何结构还通过光栅尺寸提供了对导波芯模与SPP模式之间耦合的额外控制。因此，光栅构型对于调节共振波长、损耗特性以及传感器的波长和幅度灵敏度是有利的。比较平面和光栅型等离子体结构的先前研究也报道了光栅的引入会改变场分布并可以提高灵敏度响应[11]。

PCF-SPR传感器的传感响应在很大程度上由其结构构型和材料组成决定。空气孔直径和间距控制导波模式的有效折射率、模态约束、双折射、倏逝场穿透和约束损耗[7]、[8]。同样，等离子体材料的厚度、高度和形状决定了共振线宽、损耗深度和总体灵敏度的强度[10]、[12]。等离子体材料的选择也很重要。金（Au）因其化学稳定性和生物相容性而被广泛使用，而银（Ag）由于较低的光学阻尼提供了更锐利的等离子体共振和更强的电磁场增强[5]、[6]。然而，Ag更容易氧化，因此将其集成到传感器结构中必须仔细优化。

最近的研究强调了PCF-SPR传感器在高灵敏度折射率感知和癌症相关检测方面的潜力。Ramola等人提出了一种用于癌细胞检测的PCF-SPR传感器，折射率范围为1.360–1.401，报道了最大14,285.71 nm/RIU的波长灵敏度[9]。Tasnim等人报道了一种双芯PCF-SPR生物传感器，最大波长灵敏度约为17,000 nm/RIU，幅度灵敏度（AS）为605.82 RIU?1，分辨率为5.88×10?? RIU[8]。He等人建议了一种环形芯PCF-SPR传感器用于超宽折射率检测，达到了最大40,000 nm/RIU的波长灵敏度、2141 RIU?1的幅度灵敏度和2.5×10?? RIU的分辨率[7]。最近，Khodatars Dashtmian等人提出了一种优化的Au-TiO? D形PCF-SPR生物传感器用于多种癌症检测，报道了最大42,000 nm/RIU的波长灵敏度和1862.72 RIU?1的幅度灵敏度[12]。基于这些工作，很明显仔细建模PCF几何结构、传感通道设计和等离子体材料可以显著提高传感器性能。

近年来，通过引入先进的光纤几何结构、新型等离子体材料和智能优化策略，在PCF-SPR生物传感器的开发方面取得了显著进展。除了传统的D形和双芯结构外，kagome光子晶体光纤因其独特的导光特性、宽传输窗口和增强的光-物质相互作用而引起了相当大的关注，使其成为高性能SPR传感的有力候选者[13]。此外，人工智能（AI）和机器学习（ML）技术最近已成为传感器设计优化的有效工具，能够快速预测传感器性能、降低计算成本并高效探索高维设计空间[14]、[15]。这些数据驱动的方法补充了传统优化技术，在改善PCF-SPR生物传感器的设计和性能方面展现了相当大的潜力，包括癌症检测在内的生物医学应用[16]、[17]。这些最新进展进一步突显了将先进光子结构与智能优化方法相结合对于实现高灵敏度和可靠生物传感平台日益增长的重要性。

本研究提出了一种采用银等离子体光栅的D形PCF-SPR生物传感器，用于基于折射率的血液癌症检测。在本工作中，分析物折射率在1.362–1.390范围内变化，以研究提出结构的折射率相关传感响应。分析物折射率的变化改变了共振条件，导致共振波长位移，这被用于评估所提传感器的传感性能。银被选作等离子体材料，因为其强烈的等离子体响应和尖锐的共振轮廓。

为改善传感器响应，使用田口方法优化了五个重要的结构参数：空气孔直径、间距、银光栅高度和银厚度。它提供了一种系统且统计高效的优化途径，通过减少所需的数值实验数量同时识别每个设计参数的影响。仿真使用COMSOL Multiphysics软件中的有限元方法（FEM）进行。所提结构的传感能力通过波长灵敏度、幅度灵敏度、分辨率和品质因数（FOM）作为主要性能指标进行量化。通过结合D形PCF几何结构、银等离子体光栅和田口法结构优化，所提传感器旨在为基于折射率的血液癌症检测提供一个紧凑、高灵敏度和无标记的平台。

几何建模

图1(a)展示了所提出的光栅型D形传感器的横截面视图。该模型由十九个空气孔组成，其中七个直径为d1的空气孔线性排列在十二个直径为d2的空气孔上方，后者呈矩形晶格排列。芯模位于矩形晶格的中心，由于周围空气孔的强烈约束作用而被限制。直径为d1的空气孔被做得更小，以便在芯模与……之间平滑传递能量

结果与讨论

在本研究中，通过改变分析物折射率从1.362到1.390 RIU来研究所提传感器的传感响应。表1总结了本研究中考虑的折射率条件。折射率值1.376和1.390分别被采用为正常血液和癌变Jurkat参考条件，基于先前的SPR研究[28]、[29]。其余折射率值用作说明性的折射率条件，以表征传感器在调查范围内的响应。

当共振

结论

在本工作中，提出了一种基于银光栅的D形PCF的SPR传感器，并对基于折射率的血液癌症相关传感进行了数值研究。通过改变分析物折射率从1.362到1.390 RIU评估了传感性能。优化后的结构在1.38–1.39 RIU间隔内达到了最大35,000 nm/RIU的波长灵敏度、最大499.26 RIU?1的幅度灵敏度、最小2.86×10?? RIU的分辨率和最大192.31 RIU?1的品质因数（FOM），证明了强劲的……

CRediT作者贡献声明

Srijan Jaiswal：撰写—原稿、监督、软件、资源、数据整理、概念化。Ankur Kumar：撰写—审查与编辑。Ankur Pandey：撰写—审查与编辑。Jitendra Bahadur Maurya：软件。Sameh Kaziz：撰写—审查与编辑、撰写—原稿、软件、概念化。

Sajal Agarwal：撰写——审阅与编辑，监督，调查研究，资金获取，形式分析，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
我们要感谢CST UP提供的研究资助：项目编号3402。
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