基于宇称-时间对称一维光子晶体的太赫兹传感器用于冷冻口腔癌组织增强检测

《Scientific Reports》：Terahertz sensor with parity time symmetry for enhanced detection of frozen oral cancer tissues

　　

在这项工作中，研究人员提出了一种缺陷工程化的一维光子晶体（1D-PhC）传感器，工作于太赫兹（THz）波段，基于宇称-时间（PT）对称原理设计，用于冷冻口腔癌细胞的高灵敏度检测。所提出的传感器是一种一维宇称-时间对称光子晶体，由基底上围绕中央缺陷层重复排列的二氧化硅/多孔硅（SiO?/PSi）双层结构组成，其中缺陷层用作冷冻口腔组织的传感区域。研究人员采用传输矩阵法（TMM）研究透射光谱中缺陷模式特性的移动。通过引入满足PT对称条件的复折射率分布，系统获得非厄米特性，从而产生尖锐的共振和可调谐的缺陷模式响应。仿真结果表明，与传统光子晶体（PhC）传感器相比，引入PT对称的增益和损耗（Q）层显著提高了灵敏度。该设计在Q=10.695和Q=7.85时分别实现了基于透射率的灵敏度2.4×10¹¹ %/RIU和1.7×10¹⁰ %/RIU，以及基于光谱的灵敏度68.8 GHz/RIU和68.8 GHz/RIU。除高灵敏度外，该结构的简单性和制备可行性使其成为实时、无标记早期口腔癌检测的有前景平台。

**研究背景与科学问题**

口腔癌是全球重大健康威胁，每年新增诊断超过40万例，其中近50%的患者预计生存时间不足五年。恶性病变发生前通常伴随口腔黏膜的可检测改变，主要致病因素包括过量饮酒、吸烟和人乳头瘤病毒感染，组织病理学研究表明近五十年来约90%的口腔癌被鉴定为鳞状细胞癌。传统检测方法包括目视检查、触诊、活体染色和组织活检病理评估，但这些方法存在依赖临床医师经验导致诊断准确性差异较大、活检具侵入性且常伴疼痛、存在出血或感染风险、成本高且耗时长，以及活检取样偏倚可能造成漏诊等问题。基于光子学的检测器件凭借高灵敏度、高特异性和无创诊断能力成为癌症检测的有力工具，表面等离子体共振（SPR）结构、光纤和光子晶体等技术能够在分子水平检测细微的生化与形态变化。然而，已有研究采用的拓扑光子晶体传感器虽在灵敏度方面有所表现，但存在特定限制。尤其是先前报道的三元或准周期PT对称结构中，PT对称往往仅放大一种分析物态的共振信号，而将另一种抑制到几乎无法测量的透射水平，限制了双态对比检测的可靠性。针对上述问题，研究人员提出了一种二元缺陷型PT对称一维光子晶体传感器，专门用于-20°C冷冻口腔癌组织的增强检测。

**研究内容、结论与意义**

研究人员设计并数值分析了配置为(SiO?/PSi)^N(缺陷层)(SiO?/PSi)^N/衬底的太赫兹一维光子晶体，通过引入满足宇称-时间（PT）对称条件的增益和损耗层，实现了对冷冻口腔癌细胞的高灵敏度检测。研究得出该传感器在Q=10.695和7.85时分别获得2.4×10¹¹ %/RIU和1.7×10¹⁰ %/RIU的透射率灵敏度，以及68.8 GHz/RIU的光谱灵敏度。其重要意义在于首次在-20°C实际冷冻储存条件下验证了PT对称太赫兹光子晶体对口腔癌组织的增强检测能力，且结构简单、制备可行，为实时、无标记的早期口腔癌检测提供了新途径。

**关键技术与方法概述**

研究人员采用传输矩阵法（TMM）研究横电（TE）波与一维缺陷光子晶体相互作用下的透射特性。依据已发表文献（ref24）中的实验数据集，拟合得到健康和癌变口腔组织在0.2-1.1 THz、-20°C冷冻条件下的折射率与吸收系数表达式，并通过数值方程计算不同孔隙率下多孔硅的折射率。采用COMSOL Multiphysics有限元法（FEM）仿真传感器内部的电场强度分布。

**主要研究结果**

**折射率与吸收分析**：通过比较实验数据与拟合曲线发现，冷冻条件下健康细胞的折射率随频率增大呈显著上升趋势，而癌变细胞折射率仅随频率微增，且整个频率范围内癌变细胞折射率始终低于正常细胞。健康细胞的吸收系数在整个频谱内高于癌变细胞，两者均随频率近似线性增加。这一明显差异为太赫兹光谱区分健康与癌变组织提供了可靠的谱学标志。

**透射光谱分析**：无缺陷层时光子带隙位于0.580646-0.719893 THz；引入缺陷层后带隙展宽至0.56559-0.73335 THz，并在0.679699 THz处产生尖锐的局域共振峰。将健康细胞和癌变细胞分别注入缺陷层后，健康细胞缺陷模式位于0.679677 THz，峰值透射率约59.96%；癌变细胞缺陷模式移至0.681591 THz，透射率达76.12%，表明两种细胞状态可通过缺陷模式频率和透射强度清晰区分。

**层B孔隙率优化**：通过将孔隙率从0%变化至35%分析缺陷模式特性，发现随孔隙率增大缺陷模式向高频移动且强度增至100%，但P>25%时透射曲线整体上移并破坏完整带隙条件。灵敏度从0%孔隙率时的0.028 THz/RIU随孔隙率增大持续下降。综合考虑光谱分辨率与传感性能，选择P=25%为优化值。

**层A和层B厚度优化**：在固定缺陷层厚度40 μm、P=25%、θ?=0°、N=6条件下比较四种厚度组合，结果显示当d_A=36 μm、d_B=26 μm时，健康与癌变细胞间的缺陷模式频率偏移最大，传感器灵敏度达0.073 THz/RIU，故选取该组合作为优化厚度。

**PT对称传感器**：通过构建增益/损耗系数Q可调的PT对称结构，发现Q=10.695时健康细胞缺陷模式强度达10¹⁰量级，Q=7.85时癌变细胞缺陷模式强度达10⁹量级。在Q=10.695下健康细胞呈尖锐狭窄共振峰而癌变细胞峰宽且弱；在Q=7.85下趋势反转。传输矩阵本征值分析显示PT对称破缺发生在布拉格频率处，并在共振频率处出现本征模式合并的突变相位变化。电场分布模拟表明，Q=10.695时健康细胞电场强度约5.5×10⁴ V/m，癌变细胞降至约9×10³ V/m；Q=7.85时则相反。周期数N固定为6，既保证高灵敏度，又维持两种细胞共振峰FWHM的显著差异。

**性能评估**：依据透射率灵敏度S(T)=ΔT/Δn_cells、光谱灵敏度S(f)=Δf/Δn_cells和品质因数FoM(T)=S(f)/FWHM对传感器进行评估。该设计在Q=10.695和7.85时分别实现2.4×10¹¹ %/RIU和1.7×10¹⁰ %/RIU的透射率灵敏度，光谱灵敏度均为68.8 GHz/RIU。

**性能比较**：与既往采用多层结构的PT对称传感器相比，本设计克服了先前三元或准周期结构中一种分析物共振被压制的局限，在强放大一种分析物共振的同时，保持另一种分析物的可测峰。同时，本研究首次实现了-20°C冷冻口腔癌细胞的检测，验证了传感器在实际生物样品储存条件下的工作能力。

**讨论与结论**

在实际器件实现方面，研究人员提出了可行的制备方案：多孔硅层可通过电化学阳极氧化法形成，含或不含量子点的SiO?层可借助等离子体增强化学气相沉积或反应溅射沉积制备，增益层中嵌入胶体量子点并通过外部光泵浦激活。面临的挑战包括量子点浓度与均匀性的精确控制、稳定光泵浦方案的维持、制造公差对PT平衡的扰动，以及冷冻组织所需的低温样品池和兼容太赫兹窗口。总体而言，这些挑战可借助现有纳米加工和太赫兹测量技术加以解决。

研究结论：研究人员提出并分析了一种配置为(SiO?/PSi)^N(缺陷层)(SiO?/PSi)^N/衬底的太赫兹PT对称一维光子晶体传感器，利用传输矩阵法优化了全部几何参数。数值仿真结果表明，引入满足PT对称条件的增益和损耗（Q）层后，传感器在Q=10.695和Q=7.85时分别实现了2.4×10¹¹ %/RIU和1.7×10¹⁰ %/RIU的透射率灵敏度，以及68.8 GHz/RIU的光谱灵敏度。这些发现凸显了PT对称太赫兹光子晶体在早期口腔癌检测中的应用潜力。