数值分析嵌入TiO2-Au-MXene的矩形开放通道PCF生物传感器用于脑肿瘤诊断

学术背景与问题陈述

近年来，具有成本效益和高可靠性的生物传感器的开发成为一个研究热点。这些传感器旨在检测分析物的微小浓度，种类繁多，涵盖了各种技术，用于监测和检测细胞和液体。光子晶体（photonic crystals, PHCs）和PHC纤维（photonic crystal fibers, PCFs）因其紧凑尺寸、电磁干扰抵抗性、对分析物需求量少、结构设计灵活且易于集成等优点，迅速占据了传感器技术的热门选择。

特别值得注意的是，基于表面等离子体共振（surface plasmon resonance, SPR）的光纤生物传感器表现出色。SPR现象通过光纤和贵金属相结合，可以剧增检测灵敏度，尤其在生物医学领域。尽管近年基于SPR的PCF传感器取得了显著进展，多种用于癌细胞检测、血红蛋白、蛋白质和疟疾检测的生物传感器相继问世且取得了验证，但在鉴别健康和病变脑组织方面，相关文献依然有限。缺乏研究专注于开发和测试具有优异检测能力的传感器，限制了脑组织分析及脑疾病诊断的发展。

针对这一背景，本文提出了一种嵌入金（Au）和TiO2-Au-MXene层的矩形开放通道PCF生物传感器，用于精确检测和区分健康和肿瘤脑组织。

论文来源

本文发表于IEEE Sensors Journal，卷24，期10，发表日期为2024年5月15日。论文由Shivam Singh、Bhargavi Chaudhary、Rajeev Kumar、Anurag Upadhyay和Santosh Kumar共同撰写，他们分别来自印度的ABES Engineering College, Indian Institute of Technology Delhi, Graphic Era (Deemed to be University), Rajkiya Engineering College Azamgarh和Koneru Lakshmaiah Education Foundation。

研究详细过程

研究流程

1. 传感器设计与几何描述： 研究设计了一种嵌入金涂层微矩形通道的新型PCF传感器，通过空气孔菱形配置实现了单侧蚀刻结构。两个大型空气孔直径为2.35 μm，垂直放置在纤芯的四个小空气孔直径为1.15 μm，中型空气孔以六边形方式装饰，直径为1.35 μm，间距为2.15 μm。在纤芯上部平面嵌入了一个矩形开放通道，通道宽度为3.5 μm，从中心至矩形通道的垂直高度为2.55 μm。

2. 材料折射率： 传感器构成材料包括SiO2、TiO2、Au和Ti3C2Tx-MXene，分别具有其特定的折射率表达式。比如，SiO2折射率遵循Sellmeier方程，TiO2和Au的折射率由特定模型提供。

3. 传感器制造的可行性： 制造此类PCF传感器的方法包括选择性蚀刻和局部涂层技术。利用堆叠和绘制技术形成圆形PCF结构，通过飞秒激光或聚焦离子束铣削实现矩形开放通道的刻制，使用原子层沉积（ALD）或化学气相沉积（CVD）技术涂覆Au层，采用液相剥离或分层技术制得MXene单层，并涂覆于Au基底上。

4. 性能评估指标： 对传感器性能的数值评估包括模态约束损耗（ξcf）、波长灵敏度（Sw）、检测分辨率（Rs）和品质因数（FOM）。通过SPR特性曲线可得出这些参数，如ξcf通过有效折射率虚部计算，Sw由共振波长与分析物折射率变化量计算，Rs体现传感器对分析物折射率变化的检测能力，FOM综合灵敏度和分辨率衡量传感器性能。

实验流程与主要结果

研究的核心在于设计PCF传感器，通过SPR现象在纤芯模态与MXene层-分析物界面的表面等离子体极化子模态（SPP）之间实现能量耦合，从而在特定共振波长产生显著的约束损耗峰值。本文通过数值模拟和分析探讨了该传感器在检测不同类型脑肿瘤中的性能，并在研究过程中发现以下主要结果：

1. 电场分布与模态耦合： 使用仿真验证电场分布，显示在核心模态传播过程中，电场强度远超SPP模态；而在SPP模态传播过程中，大部分能量集中于金属-介质界面区域。共振模式使核心模态和SPP模态相位在特定共振波长同步，导致共振波长处的核心模态束缚损耗达到最大。

2. 不同脑组织样本的共振波长变化： 通过监测常见脑组织样本，如白质、灰质、脑脊液、墙固脑等以及低级别胶质瘤、胶质母细胞瘤、淋巴瘤和转移瘤等样本在不同折射率下的共振波长变化，发现由各样本独特的折射率值导致的损耗峰值位置显著不同，使得可以通过监测共振波长的变化量精确区分不同类型的脑组织。

结论及意义

本文提出了一种基于SPR的PCF生物传感器，用于区分正常、异常、肿瘤和癌症脑组织。设计中的Au涂层优化了传感器的经济性，通过检测各样本独特的折射率值变化实现高性能检测。传感器展示了显著的灵敏度（最大达到12352.94 nm/RUI）和高分辨率（8.09 × 10−6 RIU），为生物医学领域的应用提供了一种具有潜力的选择。未来研究可能会重点探讨集成多种检测模式以提升脑肿瘤检测的特异性和整体精度，并通过表面修饰提高传感器的敏感性。