一种高灵敏度的太赫兹表面等离子共振（SPR）生物传感器，结合机器学习算法优化，用于结直肠癌的检测

《Materials Science in Semiconductor Processing》：A high-sensitivity terahertz SPR biosensor with machine learning optimization for colorectal cancer detection

　　太赫兹表面等离子体共振传感器通过椭圆银环与圆形金环结构结合石墨烯，实现 colorectal cancer 检测，最大灵敏度1100 GHz/RIU，优化模型准确率达100%，兼具二进制编码功能。

　　本研究提出了一种基于太赫兹波的表面等离子体共振（SPR）传感器，专门用于结直肠癌的检测。该传感器采用了一种独特的多谐振器设计，结合了金、银和石墨烯等材料，以实现更高的灵敏度和更广泛的应用潜力。通过COMSOL Multiphysics仿真工具对传感器性能进行了系统分析，评估了在不同条件下的响应情况，包括石墨烯的化学势、入射角以及谐振器的几何尺寸。研究结果表明，该传感器在折射率（RI）范围1.329–1.348 RIU内实现了1100 GHz/RIU的最大灵敏度，并在0.719 THz频率下达到了17.460 RIU?1的最优图尔姆图（Figure of Merit, FOM）值。此外，该研究还引入了一种基于随机森林回归（Random Forest Regression）的机器学习模型，用于优化传感器参数，从而显著提高了预测精度和系统效率。传感器还展示了其作为2位二进制编码器的潜力，表明其在生物传感和数据编码方面的多功能性。

在现代医学诊断技术的发展过程中，光子学、纳米技术和生物医学工程的交叉融合催生了许多创新性的技术手段。传统的诊断方法虽然在临床中仍具有重要价值，但其往往依赖于复杂的实验室设备和繁琐的样本处理流程，限制了其在基层医疗和现场检测中的应用。相比之下，基于光学原理的生物传感器因其无标记、实时检测和高灵敏度等优点，正在成为疾病诊断领域的重要工具。特别是表面等离子体共振（SPR）技术，因其能够实时监测生物分子间的相互作用，而被广泛应用于癌症、传染病和其他疾病的早期检测。

表面等离子体共振技术的核心在于利用金属表面与等离子体波之间的耦合效应，实现对目标分子的高灵敏度检测。在太赫兹波段，这种技术具有独特的优势，因为太赫兹波能够穿透生物组织并提供非侵入式的检测手段。然而，传统的SPR传感器在太赫兹波段的应用仍面临诸多挑战，例如对生物分子的检测灵敏度较低、对环境因素的适应性不足以及对复杂样品的处理能力有限。为此，研究人员不断探索新的材料和结构设计，以提高传感器的性能并拓展其应用范围。

本研究的创新点在于引入了多谐振器结构，并结合了石墨烯、银和金等材料，以增强传感器的灵敏度和功能性。其中，椭圆形的银谐振器作为主要的传感单元，周围则由金层包围，以进一步优化光场的耦合效率。这种设计不仅提高了传感器对目标分子的响应能力，还使得其能够在更广泛的折射率范围内保持稳定的性能。同时，石墨烯的引入为传感器提供了额外的调控手段，其化学势的变化能够影响传感器的灵敏度，从而实现对不同生物分子的精确检测。

在性能评估方面，研究团队使用COMSOL Multiphysics进行了全面的电磁仿真分析，重点考察了传感器在不同参数设置下的响应特性。通过调整石墨烯的化学势，研究者发现传感器的灵敏度和图尔姆图值均有所提升，这表明石墨烯在调控传感器性能方面具有重要作用。此外，入射角的改变也对传感器的响应产生了显著影响，特别是在特定频率范围内，传感器的灵敏度表现出非线性变化趋势。这些结果为优化传感器设计提供了重要的理论依据，并揭示了太赫兹波段下SPR传感器的复杂行为特征。

除了提高灵敏度，该研究还探索了传感器的多功能性，特别是在数据编码方面的潜力。通过将四种不同的石墨烯化学势状态（0.2, 0.4, 0.6, 0.8 eV）映射到不同的透射率输出值，研究人员成功实现了2位二进制编码功能。这种编码能力不仅拓展了传感器的应用场景，还为其在数据存储和传输领域的潜在应用提供了新的思路。透射率的“高”值（>0.9）被定义为逻辑“1”，而“低”值（<0.2）则被定义为逻辑“0”，从而使得传感器能够在检测生物分子的同时，承担数据编码的功能。

为了进一步提升传感器的性能，研究团队还引入了机器学习方法，特别是基于随机森林回归（Random Forest Regression）的优化模型。该模型通过训练多个决策树来提高预测的准确性，并能够有效避免过拟合的问题。通过调整决策树的数量和深度，研究者发现可以显著改善模型的泛化能力，使其在不同数据集上都能保持稳定的性能。此外，使用交叉验证方法对模型进行测试，确保了其在实际应用中的可靠性。这种智能算法的引入，使得传感器的参数优化过程更加高效，同时也为未来基于人工智能的生物传感器设计提供了参考。

在生物医学领域，传感器技术的发展不仅关注于提高检测精度，还注重于提升其实用性和可操作性。因此，本研究在设计过程中充分考虑了传感器的制造可行性和实际应用需求。例如，通过采用特定的几何结构，研究人员确保了传感器在保持高灵敏度的同时，能够被高效地制造和集成到现有的诊断系统中。此外，研究团队还关注了传感器在不同环境条件下的稳定性，确保其能够在实际应用中提供可靠的检测结果。

随着医疗技术的不断进步，对快速、准确和便携式诊断设备的需求日益增长。特别是在资源匮乏的地区，传统的诊断方法往往难以满足实际需求，而基于太赫兹波的SPR传感器则有望成为一种理想的解决方案。该传感器的高灵敏度和宽折射率范围，使其能够适用于多种生物分子的检测，而其二进制编码功能则为数据处理和存储提供了额外的保障。这些特性使得该传感器不仅适用于癌症的早期检测，还可能在其他疾病的诊断和监测中发挥重要作用。

除了在医学领域的应用，该传感器还展示了其在数据编码方面的潜力，这为未来多用途的生物传感器设计提供了新的方向。在当前的数据驱动时代，传感器不仅需要具备高精度的检测能力，还需要能够处理和传输数据。因此，将传感器与数据编码技术相结合，不仅能够提高其功能性，还能够增强其在智能医疗系统中的应用价值。这种多功能性使得该传感器能够在不同的应用场景中发挥作用，为生物医学工程的发展提供了新的思路。

此外，研究团队还关注了传感器的可持续性和环保性，这在当前的科研趋势中具有重要意义。随着全球对环境问题的关注度不断提高，研究人员开始探索更加环保的材料和制造工艺。在本研究中，通过使用石墨烯和金属纳米结构等先进材料，研究团队不仅提升了传感器的性能，还降低了其对环境的影响。这种绿色设计理念，使得该传感器在满足高性能需求的同时，也符合现代可持续发展的要求。

在实际应用中，该传感器的高灵敏度和多功能性使其在多个领域都具有广阔的应用前景。例如，在癌症筛查中，该传感器可以快速检测血液或组织样本中的特定生物标志物，为早期诊断提供支持。同时，其二进制编码功能可以用于存储和传输检测数据，提高信息处理的效率。此外，该传感器还可以应用于其他疾病的检测，如心血管疾病、神经退行性疾病等，为多种疾病的诊断和监测提供了一种新的技术手段。

综上所述，本研究提出了一种基于太赫兹波的多谐振器表面等离子体共振传感器，该传感器结合了金、银和石墨烯等先进材料，实现了高灵敏度和宽折射率范围的检测能力。同时，通过引入机器学习优化模型，研究人员提高了传感器的性能和实用性，并展示了其在数据编码方面的潜力。该研究不仅为癌症检测提供了一种新的技术手段，还为未来的智能医疗系统和多功能生物传感器的发展奠定了基础。