用于疟疾检测的高灵敏度光子晶体光纤生物传感器：基于七边形包层和空心芯结构的设计与性能分析

《Sensing and Bio-Sensing Research》：A high-sensitivity photonic crystal fibre biosensor for malaria detection

本研究针对疟疾诊断对快速、灵敏检测技术的迫切需求，设计了一种基于七边形包层空心芯结构的光子晶体光纤(PCF)传感器。通过有限元分析优化结构参数，在2.2 THz工作频率下，该传感器对疟原虫不同发育阶段感染的红细胞展现出超高相对灵敏度(97.40%-95.40%)和极低限制损耗(10-8dB/m量级)，为无标记实时疟疾诊断提供了创新解决方案。

　　

疟疾至今仍是严重威胁全球公共卫生的传染病，每年导致数亿人感染和数十万人死亡。这种由疟原虫引起的寄生虫病，其早期快速诊断对有效治疗和降低死亡率至关重要。然而，传统诊断技术往往在灵敏度或检测速度上存在局限，特别是在疟原虫不同发育阶段的鉴别能力不足，这促使研究人员不断探索新型传感技术。

在这一背景下，光子晶体光纤(PCF)传感器因其独特的光学特性和可定制性，在生物传感领域展现出巨大潜力。这类传感器通过监测生物样本折射率(R.I.)的变化来实现检测，而疟疾感染的红细胞在寄生虫发育过程中确实会发生显著的折射率变化，这为光学传感技术提供了理想的检测靶点。

在这项发表于《Sensing and Bio-Sensing Research》的研究中，Shuvo Sen团队开发了一种创新型光子晶体光纤生物传感器，专门用于疟疾的高灵敏度检测。该传感器的核心创新在于其特殊的结构设计：采用五层七边形包层环绕一个空心芯区域，该空心芯可容纳红细胞样本，从而实现光与物质的强烈相互作用。

研究人员采用有限元分析(FEA)方法，通过COMSOL Multiphysics软件对传感器结构进行了系统优化。研究团队来自孟加拉国Mawlana Bhashani科学与技术大学信息与通信技术系，他们设计的传感器工作在太赫兹(THz)频段(1-3 THz)，特别优化在2.2 THz频率下的性能。

关键技术方法

研究采用有限元法(FEM)结合COMSOL Multiphysics软件进行传感器设计与性能模拟。通过设置完美匹配层(PML)边界条件减少非物理反射，采用三角形网格划分策略确保计算精度。传感器性能通过相对灵敏度(RS)、限制损耗(CL)、有效模面积(A_eff)、有效材料损耗(EML)等参数进行系统评价，并分析了结构参数波动(±2%)对性能的影响。

提出的结构

传感器采用七边形光子晶体光纤(H-PCF)设计，具有空心芯几何结构，由五层同心环形空气孔包围。光纤基底材料为Topas，折射率为1.5253，具有低材料吸收、高热稳定性和宽频带透明性等优异光学特性。优化后的结构参数为：空心芯直径88 μm，包层空气孔直径340 μm，包层间距440 μm。这种设计确保了电磁场在空心芯区域的强限制，增强了光与分析物的相互作用。

实验安排

实验配置包括激光源、单模光纤(SMF)和光学频谱分析仪(OSA)。传感通道注入不同折射率的分析物，对应红细胞的不同阶段。通过富士 splicer技术将单模光纤与传感器精确拼接，测量前用去离子水彻底清洗传感器探头以防止交叉污染。

结果分析与讨论

相对灵敏度分析表明，传感器在2.2 THz频率下对正常阶段红细胞灵敏度达97.40%，对环状体阶段、滋养体阶段和裂殖体阶段感染的细胞灵敏度分别为96.90%、96.20%和95.40%。限制损耗在相同频率下极低，分别为6.08×10^-8dB/m、5.98×10^-8dB/m、5.90×10^-8dB/m和5.85×10^-8dB/m。

有效模指数(EMI)随频率增加而从1.23(1 THz)升至1.33(3 THz)，在2.2 THz时，各阶段EMI值在1.28-1.31之间。功率分数分析显示，在2.2 THz时，各阶段功率分数均超过96.75%，表明光能有效限制在核心区域。有效模面积(A_eff)随频率增加而减小，在2.2 THz时介于6.90×10^-8m²至7.35×10^-8m²之间。有效材料损耗(EML)极低，在2.2 THz时介于0.00605 cm^-1至0.00752 cm^-1之间。双折射分析显示，所有疟疾细胞类型在2.2 THz时的双折射约为1.2×10^-3，表明传感器能通过折射率的微小变化区分不同细胞类型。

潜在部署

研究还探讨了将先进机器学习方法与PCF传感平台结合的潜力，特别是模型无关元学习(MAML)框架，可提高传感器在多样本和条件下的适应性。结合边缘计算和轻量级模型，有望开发出便携式实时诊断设备，适用于资源有限地区。

研究结论与意义

该研究成功开发了一种基于七边形包层空心芯结构的光子晶体光纤传感器，用于疟疾的高灵敏度检测。传感器通过监测感染红细胞折射率变化，能够区分疟原虫的不同发育阶段，在2.2 THz工作频率下表现出超高灵敏度和极低损耗。与现有传感器相比，该设计在灵敏度方面有显著提升，为无标记、实时疟疾诊断提供了创新解决方案。研究还证明了传感器对结构参数波动的鲁棒性，为实际制造和应用奠定了基础。这一技术不仅对疟疾诊断有重要意义，也为其他传染病的光学传感检测提供了新思路。