《Microchemical Journal》：Enhanced surface plasmon resonance biosensor incorporating NiPS? and AlSb for early-stage adrenal cancer detection
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表面等离子体共振生物传感器多层结构优化用于肾上腺癌早期检测，通过 BK7 棱镜与 Ag/Ag?AsS?/NiPS?/AlSb 层组合增强电磁场局域和共振尖锐度，灵敏度达 302.02°/RIU，检测准确度 0.626，实现无标记早期诊断。
马纳斯维·基拉鲁（Manaswi Kilaru）|贾斯维莎·博德（Jaswitha Bode）|耶苏达苏·瓦西马拉（Yesudasu Vasimalla）|拉吉尼·辛格（Ragini Singh）|桑托什·库马尔（Santosh Kumar）
印度安得拉邦瓦德德斯瓦兰（Vaddeswaram），科内鲁·拉克希米亚教育基金会（Koneru Lakshmaiah Education Foundation）生物技术系，邮编522302
摘要
本研究开发并优化了一种基于表面等离子体共振（SPR）的生物传感器，用于检测肾上腺癌。该传感器采用BK7棱镜作为基底，并在其表面涂覆了等离子体银（Ag）薄膜以及功能层，包括硫化银（Ag?AsS?）、二维材料磷化镍三硫化物（NiPS?）和锑化铝（AlSb）。通过矩阵光学建模方法，在633纳米的工作波长下对传感器的性能进行了分析。评估指标包括灵敏度、品质因数（QF）、检测准确性（DA）、半高宽（FWHM）、信噪比（SNR）和优值（FoM）。最佳传感器结构的灵敏度达到302.02°/RIU，品质因数为44.78 RIU?1，表明其具有优异的共振性能和可靠的检测能力。这种性能的提升得益于Ag、Ag?AsS?、NiPS?和AlSb四种材料的层状组合。NiPS?增强了电磁场在结构内的限制作用，而AlSb则提升了SPR共振的锐度。与传统SPR传感器相比，该新型传感器具有更高的灵敏度和更准确的检测效果，适用于无标记检测肾上腺癌及其他高级生物医学应用。
引言
肾上腺皮质癌（Adrenocortical carcinoma, ACC）是一种罕见但侵袭性强的癌症，起源于肾上腺的激素产生层——即肾上腺皮质[1][2]。这种肿瘤的特点是皮质细胞不受控制地生长并分泌过多激素，导致经典的内分泌综合征，并具有侵袭性扩散和转移的潜在风险[3][4]。尽管ACC属于罕见疾病，但其临床进程具有高度侵袭性，诊断和治疗难度较大，因此成为一个实际问题[1][2][3][4]。
ACC的年发病率约为每百万人0.5至2.0例，基于人群的登记数据显示每年每百万人中有0.7至2.0例[1][2][6]。该疾病的发病呈现双峰分布：儿童患者主要集中在5岁以下，成人患者多在40至60岁之间[7][8]。多项临床研究显示女性患者略多[9]。传统的ACC诊断方法主要包括生化激素分析、放射成像和组织病理学检查。然而，这些方法在早期诊断方面的准确性存在局限。血清激素（如皮质醇、醛固酮和雄激素水平）常用于激素检测，但许多ACC病例在早期阶段表现为非功能性，导致假阴性结果[8][10]。尽管计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）对肿瘤定位和分期至关重要，但它们的诊断特异性较低，因为良性肾上腺腺瘤的影像特征可能与恶性病变相似，尤其是在早期阶段[11]。正电子发射断层扫描（PET）能提供更详细的代谢信息，但费用较高且应用范围有限，其灵敏度受肿瘤类型影响[12]。此外，肾上腺肿块的活检存在操作并发症，即使怀疑恶性肿瘤也不推荐作为标准检测方法[13]。这些局限性导致诊断延误、治疗效果不佳和预后不佳，因此迫切需要灵敏、准确且无创的诊断平台，能够在早期阶段检测到与肾上腺癌相关的折射率或生物分子变化。
表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）是一种光学传感技术，通过入射偏振光来测量被检测物体的折射率变化，仅能在固体与液体之间的界面处进行测量。反射强度的下降对应于表面等离子体振荡发生的角度范围[14]。当生物细胞或分析物与传感表面结合时，会改变周围环境的折射率，从而引起共振角度的明显变化[15][16]。由于SPR在界面处测量光学变化，因此可以实现实时、无标记的检测，无需使用化学标签或荧光标记，这对生物医学传感应用具有很大潜力[17][18]。由于恶性细胞的折射率可能与正常细胞有显著差异，SPR在癌症筛查中受到广泛研究。这些差异源于细胞组成、蛋白质浓度和膜结构在癌症发展过程中的变化[19]。肿瘤相关的生化和结构改变（如蛋白质浓度升高、脂质组成改变及细胞形状改变）会导致正常细胞与癌细胞之间的折射率差异，从而提高光学密度，使折射率变化可通过SPR检测到。在实际应用中，其他病理状态也可能伴随折射率变化，因此这些方法可与特定疾病的生物标志物结合使用，进一步提高诊断特异性。这一特性使得SPR能够在不依赖活检和复杂生化分析的情况下检测早期病理变化[20]。SPR传感器的操作效率很大程度上取决于构建其所需的材料，尤其是耦合棱镜、等离子体金属和靠近传感界面的功能层。BK7棱镜因其光学透明性、稳定的折射率以及适用于可见光波长的特性而被广泛使用[21]。在等离子体金属中，银（Ag）因其强物质相互作用和低能量损耗而常用，有助于获得更清晰的共振线形和更高的灵敏度[22]。然而，单一金属构成的SPR结构难以准确响应微小的折射率差异。为解决这一问题，研究人员设计了多层SPR结构，并添加了额外的功能材料以增强电磁场的限制作用。高折射率的硫属化合物（如Ag?AsS?）促进了光与物质的相互作用，而NiPS?等二维材料由于其层状结构能够实现更强的表面限制[23][24]。介电材料（如AlSb）可通过增强金属-分析物界面的介电调制来提高共振锐度[25]。这些材料共同作用，提高了检测的灵敏度和准确性。因此，多层SPR生物传感器是早期、无标记检测肾上腺癌的理想工具。
近期研究表明，将新型二维和层状材料引入SPR生物传感器可显著提升其检测能力。朱等人（Zhu et al.）制造了一种基于BK7/Ag/多层BP异质结构的SPR传感器，实现了312°/RIU的较高灵敏度，可用于监测生物样本中的折射率变化[26]。另一项研究报道了一种基于SnSe的SPR生物传感器，该传感器具有高分辨率和强光-物质相互作用，灵敏度达到285°/RIU[27]。除了单层结构外，霍赛因等人（Hossain et al.）还开发了一种混合BlueP/MoS?的SPR传感器，利用二维材料之间的协同效应提升了等离子体耦合和检测性能[28]。这些研究证明，将低维高折射率材料引入SPR基底可以有效提高灵敏度和检测准确性，为开发多层SPR传感器提供了依据。
本研究介绍了一种多层SPR生物传感器，能够高灵敏度地检测肾上腺细胞中的折射率变化。该传感器以银（Ag）作为等离子体界面，并结合了硫化银（Ag?AsS?）、磷化镍三硫化物（NiPS?）和锑化铝（AlSb）功能层，增强了传感表面的电磁场限制作用。优化后的多层结构表现出302.02°/RIU的灵敏度、44.781 RIU?1的品质因数和0.626的检测准确性，显示出优异的共振性能和信号区分能力。这种性能提升得益于等离子体金属与介电层和二维材料之间的协同作用，增强了光与物质的相互作用和共振稳定性。设计的BK7/Ag/Ag?AsS?/NiPS?/AlSb结构对微小折射率变化具有高度敏感，能够有效检测癌细胞的存在。总之，这种多层SPR生物传感器为早期、无标记检测肾上腺癌提供了强有力的解决方案，具有广泛的应用潜力。
设计与方法
本文描述了一种用于建模所提出的多层SPR传感器响应的数学方法。通过监测传感介质的折射率来检测共振条件和角度变化，从而评估传感器性能。性能评估基于灵敏度、检测准确性和优值（FoM）等关键指标，这些指标共同反映了传感器设计的可靠性和性能。
结果与讨论
在本节中，基于633纳米稳定工作波长下的角度测量技术，对所提出的SPR传感系统进行了模拟分析。通过分析反射率变化与入射角度的关系，确定了系统的共振条件和传感行为。在优化相关设计参数后，进一步研究了传感器在不同折射率值下的响应情况。
结论
本文提出了一种用于早期检测肾上腺癌的多层SPR生物传感器设计。该传感器采用BK7棱镜，并结合了银（Ag）、硫化银（Ag?AsS?）、磷化镍三硫化物（NiPS?）和锑化铝（AlSb）功能层，实现了优异的电磁场限制和光与物质相互作用。实验结果表明，使用42纳米厚的银层和BK7棱镜可获得最佳性能。
作者贡献声明
马纳斯维·基拉鲁（Manaswi Kilaru）：撰写初稿、方法论设计、数据整理。
贾斯维莎·博德（Jaswitha Bode）：撰写初稿、验证结果、方法论分析。
耶苏达苏·瓦西马拉（Yesudasu Vasimalla）：结果验证、软件开发、资源协调、概念构思。
拉吉尼·辛格（Ragini Singh）：项目监督、资金申请。
桑托什·库马尔（Santosh Kumar）：审稿编辑、结果可视化、概念阐述。
资助
本研究得到了阿努桑丹国家研究基金会（Anusandhan National Research Foundation）（ANRF/ARG/2025/003993/LS）和科内鲁·拉克希米亚教育基金会（Koneru Lakshmaiah Education Foundation）的支持。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
