高灵敏度的基于光纤的物联网传感器，用于在智能生物医学监测生态系统中检测HIV病毒

《Microchemical Journal》：High-sensitive optical Fiber-based IoT-enabled sensor for HIV detection in smart biomedical monitoring ecosystem

本研究设计了一种基于太赫兹波的光子晶体光纤（PCF）传感器，整合物联网（IoT）技术，用于快速检测HIV病毒。该传感器通过分析感染血液的折射率变化实现病毒检测，在COMSOL Multiphysics软件中采用有限元法（FEM）优化设计，灵敏度达96.22%-96.61%，低confinement loss（约10?3 dB/m），并实现远程实时监测，提升偏远地区诊断效率。

　　

阿诺瓦尔·卡比尔博士（Md. Anowar Kabir）| 塔努斯里·萨哈（Tanusree Saha）| 卢特福尔·拉赫曼博士（Md. Lutfor Rahaman）| 德洛阿拉·库希女士（Mst Deloara Khushi）| 马苏德·拉纳博士（Md. Masud Rana）| 塞利姆·侯赛因博士（Md. Selim Hossain）| 舒沃·森（Shuvo Sen）

孟加拉国桑托什（Santosh），坦盖尔（Tangail）1902，毛拉纳·巴沙尼科学技术大学（Mawlana Bhashani Science and Technology University）信息与通信技术系

摘要

人类免疫缺陷病毒（HIV）是一种逆转录病毒病原体，会感染人体免疫系统中的CD₄⁺ T淋巴细胞，导致免疫系统受到抑制，从而降低身体抵御感染和各种疾病的能力。现有的HIV诊断方法在速度和偏远地区的及时检测方面仍面临挑战。为应对这一挑战，我们设计了一种基于太赫兹（THz）的光子晶体光纤（PCF）传感器，并结合了物联网（IoT）技术。该传感器通过分析受感染血液样本中的折射率变化来检测病毒。其设计采用COMSOL Multiphysics软件和有限元方法（FEM），基于麦克斯韦方程组。在所提出的系统中，PCF传感器的光输出连接到低功耗微控制器（如ESP32或Raspberry Pi Pico W），这些微控制器将传感器信号转换为数字数据，并通过Wi-Fi、MQTT或LoRaWAN等IoT技术发送到云端进行实时监控。该THz-PCF传感器在2.20 THz的工作频率下，x轴和y轴极化的相对灵敏度（RS）分别达到96.22%和96.61%。此外，其限制损耗（CL）值约为10^?3?dB/m，在工作频率下数值孔径（NA）小于0.34。这种基于PCF的集成生物传感器提供了一种快速、无创的诊断工具，准确的检测结果有望显著提升诊断能力和治疗策略。将其集成到IoT框架中可增强其实际应用价值，实现远程监控和快速检测。总之，这一创新为医疗诊断和治疗开辟了新的途径。

引言

光子晶体光纤（PCF）是光学技术的一项重大进展，其独特结构由一系列空气孔组成，这些空气孔用于形成微结构核心，显著提高了光纤引导光的能力。PCF在控制光传播方面具有新的灵活性，能够实现传统光纤无法实现的光学参数。这种独特的引导技术为先进的光纤应用开辟了多种可能性，广泛应用于宽带光源和高分辨率光谱分析。此外，PCF在生成超短光脉冲方面也发挥着关键作用，应用于超快光学、电信和传感等领域[1]。由于对光传输和操控的卓越控制能力，PCF在光通信和传感技术中推动了革命性发明。它们可根据特定需求进行定制，在需要精确光学性能的领域（如生物光子学、光谱学和激光系统）中具有不可替代的价值。生物光子学指的是将光纤用作生物化合物的传感器，例如血细胞、人类癌细胞或病毒细胞等。人类免疫缺陷病毒（HIV）就是其中之一，它能感染CD₄⁺ T淋巴细胞。HIV感染会导致免疫系统抑制，可通过性接触、共用针头等方式传播，也可由感染的母亲在怀孕或哺乳期间传给婴儿。不同类型的光学传感器可用于物联网（IoT）中，实现连续监测。这些光纤技术的进步凸显了光子学的持续发展[2]。PCF的独特几何结构使其能够精确定制，适用于各种功能。

PCF能够将光限制在充满空气的空腔内，从而增强非线性光学效应，使其在频率切换、超连续谱生成和非线性光子学等技术领域至关重要[3][4]。PCF的应用范围从生物学和电信到医学成像和生物医学，推动了高功率光束传输、光学传感和先进成像技术等创新。本研究旨在进一步拓展PCF在多个领域的应用能力。太赫兹（THz）频段（0.10至10 THz）因其独特特性和广泛适用性而受到关注[5][6][7]。THz波在生物医学科学和传感应用中非常有效，因其方向性发射和安全性适用于成像和监测[8][9]，可穿透织物、聚合物和纸张等非导电材料，还用于质量检测和安全筛查[10]。它们对分子振动敏感，适用于药物分析、病毒检测和生化鉴定[11]。然而，尽管THz频率支持超快数据传输，但在生成、检测和操控这些波方面仍存在挑战[12][13]。

基于PCF的传感器利用光纤的热敏感性检测温度变化，将这些变化转化为光速的可量化变化[14][15]。由于高灵敏度和快速响应时间，这些传感器广泛应用于环境监测和工业安全等领域[16]。PCF在压力传感方面也表现出色，用于汽车和航空航天领域，检测由应力引起的光谱变化并转化为可测量的输出[17][18]。此外，PCF还用于湿度检测、化学过程和气候监测，其灵敏度允许精确可靠的湿度计算[19][20]。在化学分析中，PCF通过光传输变化检测特定物质，应用于血液检测和癌细胞检测等场景[21][22][23]，具有较高的相对灵敏度。在生物医学领域，PCF传感器在癌症诊断中展现出巨大潜力，可用于肿瘤生物标志物检测、恶性细胞迁移监测、组织结构评估和手术评估[24][25][26]。基于PCF的设备在气体检测中也非常有效，利用光纤的独特性质通过可测量的光学变化检测特定气体，有助于快速识别危险泄漏或排放[27][28]。最近还有先进的PCF传感器和生物传感器用于化学和细菌检测[29][30][31][32][33]，以及集成AI技术的SPR-PCF生物传感器用于检测等离子体材料[34][35]、家用油样光谱分析的广义傅里叶变换模型[36]、基于PCF的等离子体传感器用于重金属检测[37]等。

由于检测精度至关重要，PCF传感器在病毒检测中尤为重要。目前有多种传统方法可用于检测HIV[38][39][40][41][42][43]，也有部分先进方法[44][45][46]。表1展示了部分HIV检测方法的比较。2022年，Mahalakshmi等人[44]设计了一种具有较高灵敏度和较低限制损耗（CL）的PCF传感器；2025年，P. Krishnan等人[45]提出了一种基于表面等离子体共振（SPR）的生物传感器，可检测HIV和镰状细胞贫血；2025年，M.M Bani等人[46]设计了一种灵敏度约为95%的HIV检测传感器。近年来，IoT的应用日益增多。2025年，S. Akter等人[47]和M.N. Aktar等人[48]提出了用于物联网网络安全的等离子体传感器和集成IoT的光学传感器。因此，需要设计一种结合IoT的PCF传感器，实现实时和智能的生物医学监测。

本文的主要目标是设计、开发并研究一种高灵敏度的基于光纤的生物传感器，结合IoT技术实现高效HIV检测。该传感器系统有助于实现实时和远程生物医学监测，准确检测HIV以确认艾滋病。通过结合高相对灵敏度和IoT连接性，该传感器有助于早期疾病诊断，支持更智能、更快速的医疗决策。

方法论

PCF是一种具有独特微结构几何形状的高级光纤，显著提升了其操控光的能力。有限元方法（FEM）常用于理解和优化这些光纤的行为，该方法将复杂的光纤设计分解为更小、更易管理的部分，从而进行精确的数学分析，描述光在结构内的传播方式。

所提出的基于IoT的传感器的实验装置

图2展示了使用光学传感器检测HIV的实验装置。宽带光源（WLS）可发射从紫外线到红外线范围内的光[49]，因其发射宽波长范围的光，可用于分析和测量PCF传感器。WLS为传输或反射分析提供了连续的光谱。

结果与讨论

利用FEM将PCF的几何结构划分为更小的元素，从而对光纤的行为进行详细计算分析。该方法结合了麦克斯韦理论推导出的方程，评估光通过PCF的传输情况。

结论

HIV是一种侵入人体并破坏重要细胞、削弱免疫系统的病毒，使身体更难抵抗感染和保持健康。因此，我们提出了一种基于THz的IoT集成PCF传感器用于检测HIV。该PCF生物传感器实现了HIV的早期检测和及时治疗。开发该传感器的第一步是设计光纤结构的尺寸和组件，随后使用COMSOL Multiphysics软件完成设计。

数据和材料的可用性

作者无权分享数据。

生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本手稿过程中，作者使用ChatGPT（OpenAI）提升了英文语言的质量和语法。使用该工具后，作者仔细审阅、编辑并修订了内容，对文章的原创性、准确性和完整性负全责。

作者贡献声明

阿诺瓦尔·卡比尔博士（Md. Anowar Kabir）：撰写初稿、可视化、验证、方法论、数据分析、概念化、研究。 塔努斯里·萨哈（Tanusree Saha）：撰写初稿、可视化、数据分析。 卢特福尔·拉赫曼博士（Md. Lutfor Rahaman）：撰写初稿、可视化、验证。 德洛阿拉·库希女士（Mst Deloara Khushi）：审阅与编辑、方法论。 马苏德·拉纳博士（Md. Masud Rana）：审阅与编辑、可视化、验证。 塞利姆·侯赛因博士（Md. Selim Hossain）：审阅与编辑、监督。 舒沃·森（Shuvo Sen）：

伦理声明

本研究工作未涉及任何不道德的行为。

资金情况

作者未获得任何研究资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。