基于金和二氧化钛涂覆的D型光子晶体光纤（PCF）表面等离激元共振传感器的性能提升用于癌症检测

《Nanoscale Advances》：Performance improvement of an Au and TiO2 coated D-shaped photonic crystal fiber (PCF) based SPR sensor for cancer detection

　　

表面等离激元共振（SPR）已成为一种无标记识别癌症的新兴工具。然而，传统的SPR装置基于棱镜耦合，导致其体积庞大，难以集成到紧凑便携的设备中。为克服这些问题，本研究提出了一种带有微通道D型结构的光子晶体光纤（PCF），并集成了金（Au）涂层作为等离激元材料以及二氧化钛（TiO₂）作为介电材料。该结构缩短了等离激元薄膜与光纤纤芯之间的距离，从而提升了传感器性能。此外，在等离激元薄膜上引入TiO₂改变了等离激元-分析物相互作用，从而提高了灵敏度。所设计传感器的数值模拟通过COMSOL Multiphysics软件中的有限元法（FEM）完成。优化后，研究人员对传感器进行了数值评估，用于识别折射率（RI）介于1.360至1.401之间的六种不同癌细胞类型。最终获得的振幅灵敏度和光谱灵敏度分别为717.29 RIU^-1和7142.86 nm RIU^-1，对应MDA-MB-231和MCF-7细胞。此外，优化后的传感器能够在1.330至1.420的RI范围内区分多种生物分子，在y偏振光下达到峰值光谱灵敏度20 000 nm RIU^-1。进一步地，该传感器在所述RI范围内还表现出优异的品质因数（FoM）、分辨率和振幅灵敏度值，分别为366 RIU^-1、5 × 10^-6 RIU和1178 RIU^-1。测量结果表明，所设计的传感器可作为精确识别多种癌细胞的潜在选项。

**论文解读：基于金和二氧化钛涂覆的D型光子晶体光纤（PCF）SPR传感器用于癌症检测的性能提升**

**研究背景、现存问题与研究动机**
癌症是全球主要健康威胁，预计2025年美国将有约204万新发癌症病例和61.8万死亡病例，全球年死亡人数到2045年可能升至1690万。70%的癌症死亡发生在资源有限地区，主要原因是缺乏早期筛查和治疗。传统癌症检测方法（如影像学、活检、PCR、ELISA等）存在特异性低、成本高、辐射暴露、耗时长、依赖高级实验室等问题。虽然人工智能和机器学习提升了扫描准确性，但仍无法实现非侵入性、实时、普适的癌症检测。因此，迫切需要快速、廉价、非侵入的诊断替代方案。光学传感器，尤其是基于表面等离激元共振（SPR）的无标记传感器，因其高灵敏度、选择性、实时检测能力而备受关注。然而，传统棱镜耦合SPR系统体积庞大、价格昂贵、不易集成。光子晶体光纤（PCF）基SPR传感器因其小型化、灵活性、鲁棒性而成为解决方案。D型结构可进一步通过微通道提升性能。本研究旨在设计一种基于金（Au）和二氧化钛（TiO₂）涂覆的D型PCF-SPR传感器，用于多种癌细胞的精确识别。该论文发表在《Nanoscale Advances》。

**主要技术方法**
研究人员利用COMSOL Multiphysics 6.1中的全矢量有限元法（FEM）进行数值模拟。采用频率域本征模式求解器，使用非均匀三角网格，在Au和Au-TiO₂界面进行局部细化。电磁边界条件包括完美匹配层（PML）和材料界面连续性。通过提取有效折射率虚部计算限制损耗。传感器结构包括二氧化硅（SiO₂）基底、六边形排列的空气孔、Au等离激元层和TiO₂介电覆盖层，以及一个D型微通道分析物通道。通过参数优化确定结构尺寸：间距（pitch）= 4 μm，微通道直径 r = 8 μm，大空气孔直径 d₂ = 3 μm，小空气孔直径 d₁ = 1.1 μm，Au层厚度 tau = 55 nm，TiO₂层厚度 tTiO₂ = 9 nm。材料特性采用Drude-Lorentz模型描述Au，Sellmeier方程描述SiO₂和TiO₂的色散。

**研究结果**
**3.1 定量结果与灵敏度评估**
通过分析电场分布和色散曲线发现，y偏振（y-pol）模式比x偏振（x-pol）模式具有更尖锐的损耗峰和更高的限制损耗。在分析物折射率（RI）从1.33到1.42范围内，共振峰随RI增加而红移。y-pol模式在RI=1.41时获得最大波长灵敏度（WS）20 000 nm RIU^-1和最大振幅灵敏度（AS）1178 RIU^-1。品质因数（FoM）最大值在y-pol模式下为366 RIU^-1，分辨率（R）为5 × 10^-6 RIU。拟合曲线的调整R²值接近1，表明传感性能优异。与文献中的传感器比较，本设计在AS、WS、R方面具有领先优势。

**3.2 结构参数变化**
选择RI=1.40和1.41作为参考，研究几何参数变化对性能的影响。

**3.3 空气孔直径影响**
小空气孔直径d₁从1.1 μm增大到1.5 μm时，限制损耗增加，但共振波长不变。d₁=1.1 μm时获得最佳AS 1178 RIU^-1。大空气孔直径d₂从3.5 μm减小到2.5 μm时，限制损耗先增后减，d₂=3 μm时获得最佳性能。

**3.4 微通道影响**
微通道直径r从6 μm增加到8 μm时，限制损耗显著增大，AS在r=8 μm时达到1178 RIU^-1，因此8 μm为最优值。

**3.5 间距（pitch）影响**
pitch从3.8 μm增至4.2 μm时，限制损耗降低。pitch=4 μm时AS最高（1178 RIU^-1），为最优值。

**3.6 Au涂层厚度影响**
Au厚度从50 nm增加到60 nm时，限制损耗降低，但AS在55 nm时达到高值（1178 RIU^-1），且WS也较高。55 nm被选为最优厚度。

**3.7 TiO₂涂层厚度影响**
TiO₂厚度从8 nm增至10 nm时，限制损耗增加，但9 nm时获得最大WS（12 000 nm RIU^-1），且AS为1178 RIU^-1（在9 nm时），综合性能最优。

**3.8 仅金涂层对比**
仅使用Au层时，在RI=1.41下WS为12 000 nm RIU^-1，AS为987 RIU^-1，FoM为220 RIU^-1。添加TiO₂覆盖层后，WS提升至20 000 nm RIU^-1，AS提升至1178 RIU^-1，FoM提升至366 RIU^-1，证明覆盖层的重要性。

**3.9 制造公差研究**
对主要参数（pitch、Au厚度、d₁、d₂）进行±2%变化模拟，共振波长不变（920 nm），限制损耗仅有微小变化，表明传感器对制造偏差具有高鲁棒性。

**3.10 制造可行性评估**
传感器可通过堆叠-拉制、化学气相沉积或原子层沉积（ALD）等方法制造。

**3.11 生物医学应用**
利用六种癌细胞（Basal、HeLa、Jurkat、PC12、MDA-MB-231、MCF-7）及其健康对应细胞的折射率进行模拟。所有癌细胞均表现出更高的限制损耗和红移共振峰。光谱灵敏度：Basal 4000，HeLa 5000，Jurkat 5714.29，PC12 6428.57，MDA-MB-231 6428.57，MCF-7 7142.86 nm RIU^-1；振幅灵敏度：Basal 580.15，HeLa 628.57，Jurkat 640.34，PC12 669.29，MDA-MB-231 717.29，MCF-7 708.02 RIU^-1。FoM和分辨率也相应给出。

**总结与结论**
研究结论指出：早期准确诊断对改善患者预后至关重要，非侵入性技术正取得显著进展。D型PCF-SPR传感器因其优异灵敏度和制造简便性而处于前沿。本研究设计的PCF-SPR传感器通过优化结构参数，实现了对多种癌细胞的高灵敏度识别。在y偏振光下，传感器在RI范围1.330-1.420内达到最大光谱灵敏度20 000 nm RIU^-1，AS 1178 RIU^-1，FoM 366 RIU^-1，分辨率5 × 10^-6 RIU。针对MDA-MB-231和MCF-7细胞，分别获得AS 717.29 RIU^-1和WS 7142.86 nm RIU^-1。制造可行性分析表明传感器具有良好的制造公差。所有分析均基于FEM模拟，实验验证是必要下一步。