【科技前沿】太赫兹光子晶体光纤传感器：疟疾早期检测的革命性突破

疟疾每年导致全球数十万人死亡，其早期诊断依赖于对感染红细胞（RBCs）细微变化的捕捉。传统检测方法如显微镜镜检难以区分疟原虫感染的环状体、滋养体、裂殖体阶段，且灵敏度不足。

一项发表于《Journal of Computational Electronics》的研究，介绍了一种基于双核光子晶体光纤（DC-PCF）的生物传感技术，通过光与红细胞的折射率差异实现精准检测，用于早期检测疟疾。

研究内容

图 1 太赫兹双核光子晶体光纤（DC-PCF）生物传感器的核心结构

核心结构如图1所示，传感器采用TOPAS材料构建四层六边形晶格，中央椭圆孔（长轴1200μm、短轴240μm）用于注入红细胞样本，两侧缺省空气孔形成双芯（Core A/B）。这种设计利用太赫兹波（0.1-10THz）的低损耗传输特性，通过双芯间的模式耦合效应感知折射率变化。

图 2 DC-PCF传感器结构的毛细管堆叠方法

图2展示的毛细管堆叠工艺，通过溶胶-凝胶技术将微米级毛细管有序堆叠，形成具有高空气填充率（0.94）的光纤结构，兼容工业生产。

当疟原虫感染红细胞时，其折射率从正常水平（1.402）依次降至1.395（环状体）、1.383（滋养体）、1.373（裂殖体）。光在双芯中激发四种超模（X/Y偏振的奇偶模式），感染红细胞会导致光场分布异常，例如X偏振下环状体阶段的电场强度集中于单芯，而正常红细胞光场均匀分布。这些差异通过有效折射率差（Δneo）和耦合长度的变化被捕捉。

图 3 PCF生物传感器检测疟疾疾病精度的实验流程

实验流程如图3所示，宽带光源经单模光纤耦合至传感器，光谱分析仪（OSA）记录传输曲线峰值位移。

图 4 X极化和Y极化光的传输曲线随频率的变化

如图4，不同感染阶段的传输曲线呈现特征性偏移，例如X偏振下裂殖体阶段峰值波长较正常红细胞偏移显著，经公式Sλ=Δλpeak/Δni计算，灵敏度可达1113793.10nm/RIU。

此外，与传统表面等离子体共振（SPR）传感器（14285.71nm/RIU）相比，该传感器灵敏度提升近百倍，X偏振下环状体阶段达1200000nm/RIU。当孔间距（Λ）为500μm时灵敏度最大化，验证了结构设计的科学性。例如，Y偏振下滋养体阶段在Λ=500μm时灵敏度达1054736.84nm/RIU，较Λ=498μm时提升3%。

研究团队计划将传感器集成至便携式设备，结合图2所示的制造工艺，开发低成本、易操作的床边检测（POCT）系统。此外，通过机器学习分析光场分布特征库，可进一步提升复杂样本的检测效率。目前，该技术已完成仿真验证，下一步将开展临床血样测试，有望成为疟疾高发地区的筛查利器。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s10825-024-02255-5