脑部病变，如脑肿瘤、中风、多发性硬化症等，对患者的健康和生命构成了严重威胁。传统的成像技术，如磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）扫描，虽然能够提供详细的脑部结构图像，但在检测早期病变和实时监测病变变化方面存在局限性。例如，MRI和CT扫描设备昂贵、体积庞大，且无法提供连续的实时监测。此外，这些技术在检测早期阶段的病变或病变的微小变化时可能不够敏感，这对于需要早期干预的疾病（如脑癌和多发性硬化症）来说是一个重大挑战。

图 1 传感器在脑病变检测中的应用示意图

如图1，为了解决这些挑战，研究人员提出了一种基于分裂环谐振器（SRRs）的多模式折射率（MMRI）等离子体光学传感器。该传感器利用光与金属纳米结构的相互作用，产生表面等离子体共振（SPR）效应，从而对周围介质的折射率变化极为敏感。这种传感器能够在1500nm至3500nm的波长范围内产生双共振模式，显著提高了检测的灵敏度和准确性。

研究内容 

图 2 光学传感器结构示意图

研究人员通过有限差分时域（FDTD）方法对该传感器进行了模拟和优化。通过调整SRRs的几何参数（如空气间隙长度、环半径和环宽度）以及材料选择（金、银、铝），实现了卓越的性能。最终，金因其在灵敏度和稳定性方面的优势被选为传感器的主要材料。如图2为该传感器的三维结构，该结构采用金质SRR与SiO₂介质层结合。

图 3 传感器反射光谱及灵敏度分析

如图3，该图展示了传感器在不同折射率下的反射光谱变化，以及通过曲线拟合得出的灵敏度分析结果。第一共振模式的灵敏度最高，达到1778.3nm/RIU，显示出传感器对脑癌细胞检测的高灵敏度。

此外，该传感器在第一共振模式下的检测限（LOD）为0.016RIU，优值（FOM）达到7RIU⁻¹，品质因数（QF）为11.7。这些性能指标表明，该传感器不仅能够检测到极小的折射率变化，还能在多种复杂的生物医学应用中保持高精度和高可靠性。 

图 4 不同脑部病变对传感器反射光谱的影响

研究人员通过模拟不同脑癌细胞的折射率变化，验证了该传感器在检测脑癌细胞方面的有效性。实验结果表明，该传感器能够快速、准确地检测到脑癌细胞的存在，并且对不同类型的脑癌细胞具有良好的区分能力。这一发现为脑癌的早期诊断和治疗提供了新的可能性。 

图 5 传感器在不同极化和温度条件下的反射光谱

此外，该传感器在不同温度和入射光角度下均能保持稳定的性能，显示出良好的环境适应性。这意味着该传感器可以在多种不同的环境条件下使用，不受外部条件的限制，进一步拓展了其在实际应用中的潜力。

这项研究不仅为脑部病变的检测提供了一种新的工具，还为其他生物医学应用（如癌症检测、血糖监测和病原体识别）提供了新的思路。研究人员表示，未来将继续探索该传感器在更多领域的应用，并进一步优化其性能，以满足不同应用场景的需求。

总之，这项基于分裂环谐振器的多模式等离子体光学传感器的研究，为脑部病变的早期检测和实时监测提供了一种高效、灵敏且可靠的解决方案，有望在未来医学诊断领域发挥重要作用。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-024-84761-x