一维光子晶体生物传感器：解锁白癜风检测新奥秘

白癜风是一种常见的皮肤疾病，其特征是皮肤色素细胞的丧失，导致皮肤出现白斑。全球约有0.1%到2%的人口受到这种疾病的影响，它不仅影响患者的外貌，还可能使皮肤更容易受到紫外线的伤害。目前，白癜风的检测方法有限，且大多依赖于皮肤外观的观察和组织病理学检查，缺乏快速、准确且非侵入性的检测手段。

近日，一项发表于《Scientific Reports》的研究成果为白癜风的检测带来了创新性突破。研究团队开发出一种基于Tamm共振的一维光子晶体生物传感器，为这种常见皮肤疾病的诊断提供了更为高效、精准的方法。

研究内容

图 1 传感器结构示意图

研究人员设计的生物传感器结构独特，从图1中可以清晰看到，它由棱镜/Ag/皮肤样本/(GaP/PS) N/玻璃基板构成。其中，一维光子晶体[(GaP/PS) N/玻璃基板]由磷化镓（GaP）和多孔硅（PS）交替沉积而成，周期数N优化为10。通过银层与玻璃棱镜相连，中间的厚空心空气层作为腔体，用于放置待检测的皮肤样本。

该传感器的工作原理基于Tamm共振。当光与光子结构相互作用时，特定波长的光子被禁止通过，形成光子带隙（PBG）。而在PBG内，由于Tamm共振的存在，会出现一个尖锐的透射峰。

图 2 透射光谱图

从图2中可以看出，没有Ag层时，结构的PBG中无透射峰；添加Ag层后，在PBG内出现了中心波长为1626.5nm、透射率达97.6%的Tamm共振峰。这一峰的位置对样本的折射率变化极为敏感，不同的皮肤样本，如含有不同色素（黑色素、角蛋白、胶原蛋白、真皮和表皮）的样本，会使Tamm共振峰的位置发生不同方向和幅度的移动，如图3所示。

图 3 不同样本的透射光谱图

研究人员通过MATLAB模拟和传输矩阵法（TMM）对传感器性能进行了深入分析。结果显示，该传感器具有极高的灵敏度，最高可达1200nm/RIU，且品质因数高达40650，这一性能远超之前报道的同类传感器。

图 4 不同空腔厚度的灵敏度变化

此外，研究还发现，腔体厚度和入射光角度会对传感器性能产生影响。如图4所示，当腔体厚度从700nm增加到25×10³nm时，传感器灵敏度逐渐增加并达到最大值，之后继续增加厚度，TPR模式会移出PBG。

图 5 不同入射角下的灵敏度变化

而对于TE偏振光，在入射角从0°到20°变化时，传感器灵敏度保持不变，20°到65°之间灵敏度逐渐增加，在65°时达到最大，具体可参考图5。

这项研究不仅为白癜风的检测提供了一种全新的方法，也为光子晶体在生物医学领域的应用开辟了新的道路。未来，这种高灵敏度的生物传感器有望在临床诊断中得到广泛应用，帮助医生更快速、准确地诊断白癜风，从而为患者提供更及时的治疗方案。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-024-83421-4