表面等离子体共振与光子晶体光纤的协同集成：新兴生物传感策略与实际应用展望

《IEEE Sensors Reviews》：Synergistic Integration of SPR With Photonic Crystal Fibers for Emerging Biosensing Strategies and Real-World Applications

　　本刊推荐：为解决传统生物传感器灵敏度有限、体积庞大等问题，研究人员开展了基于表面等离子体共振（SPR）与光子晶体光纤（PCF）协同集成的生物传感策略研究。通过优化PCF微结构设计与金属涂层工艺，实现了对温度、折射率（RI）、血液成分及疟疾寄生虫的高灵敏度检测（最高灵敏度达116000 nm/RIU）。该研究为便携式医疗诊断设备和环境监测提供了新方案，显著推动了微结构光纤在生物医学领域的应用。

　　

在生物医学检测和环境监测领域，高灵敏度、微型化的传感技术始终是科研人员追求的目标。传统光学传感器虽已广泛应用，但面临灵敏度提升瓶颈、结构复杂及难以集成等问题。特别是在疾病早期诊断、血液成分实时监测等场景中，亟需能够精准捕捉微量生物分子变化的创新方案。光子晶体光纤（PCF）的出现为这一领域注入了新活力——其独特的周期性空气孔结构不仅能增强光与物质的相互作用，还为功能化涂层提供了理想载体，俨然成为新一代传感技术的明星材料。

本研究通过将表面等离子体共振（SPR）效应与PCF的微结构设计相结合，构建了一系列高性能传感器。研究团队采用有限元法（FEM）系统优化了光纤的晶格常数、空气孔排列及金属涂层参数，并通过堆叠拉伸法（stack-and-draw method）实现传感器制备。在分析中引入化学气相沉积（CVD）技术增强金属膜层均匀性，同时利用机器学习算法提升模式识别效率。针对血液成分检测，研究还建立了红细胞（RBCs）、血红蛋白（HB）、白细胞（WBCs）等生物样本的折射率数据库，为传感器校准提供依据。

温度传感性能

通过设计双芯PCF（TC-PCF）和D型SPR-PCF结构，研究人员实现了宽温区（-5~1200°C）的高精度测温。其中椭圆空气孔构成的耦合核心使温度灵敏度达21.5 pm/°C，而金层与乙醇/甲苯等温敏材料的组合更将灵敏度提升至7.13 nm/°C。值得注意的是，金纳米线修饰的D型传感器凭借-19.0 nm/°C的负灵敏度特性，在10-50°C区间展现出独特优势。

折射率检测突破

液体填充双芯PCF传感器通过分离式波导设计，在1.25μm波长处实现65166.10 nm/RIU的超高灵敏度。环形PCF（C-PCF）传感器采用镁氟化物-金复合涂层，在1.7-3.7μm波段获得27958.49 nm/RIU的灵敏度与3.9×10^-4双折射率。特别值得关注的是D型SPR-PCF结构，其微矩形孔设计避免复杂内壁涂层工艺，在RI范围1.32-1.40内灵敏度达31000 nm/RIU，为工业化应用奠定基础。

生物医学检测应用

在血液成分传感方面，八角形核心与圆形空气孔复合结构在7μm波长处对RBCs的相对灵敏度（RS）达99.89%。太赫兹（THz）频段的单矩形核心PCF传感器在2.2 THz频率下，对HB、WBCs等组分的RS均超95%，且有效材料损耗（EML）低至0.005 cm^-1。对于疟疾诊断，椭圆通道PCF传感器通过监测感染红细胞RI变化，精准识别环状体、滋养体和裂殖体三个阶段，最高灵敏度达38572 nm/RIU（X偏振），为寄生虫生命周期监测提供新方法。

化学传感拓展

Kagome包层多孔核心PCF在THz频段对苯、乙醇等化学物质的检测灵敏度达85.9%，且具备近零色散特性（4.5×10^-9 cm^-1）。六边形空芯PCF传感器通过全矢量FEM仿真，实现对甲醇、丁醇等有机溶剂的区分检测，RS值达89%。

该研究证实SPR-PCF传感器在灵敏度、紧凑性和设计自由度方面均优于传统棱镜式传感器。通过金/银等等离子体材料与PCF的协同优化，不仅解决了传感器微型化与集成化难题，更开创了多分析物同步检测的新路径。尽管微结构加工精度和成本控制仍是产业化挑战，但堆叠拉伸法与CVD技术的进步为规模化生产提供可能。这项发表于《IEEE Sensors Reviews》的工作，为下一代生物医学传感技术确立了新标准，其成果在个性化医疗、环境监测等领域具有广阔应用前景。