基于异常点的PT对称纳米光子生物传感器：用于癌症与脑组织检测的微型化突破

《Scientific Reports》：Sensitive detection of cancer and brain tissues using a miniaturized PT-symmetric nanophotonic biosensor based on exceptional points

本研究针对高精度癌症与脑组织检测需求，提出了一种基于增强宇称-时间（APT）对称的一维纳米光子生物传感器。通过优化异常点（EP）附近的双向透明现象，研究人员实现了对癌细胞折射率（RI）的灵敏响应。该APT结构（S3）将层厚度缩减约50%，孔隙率降低10-15%，在保持413 nm/RIU高灵敏度的同时，将检测限（LoD）降至6.31×10-5RIU，为微型化、低样本量诊断提供了新策略。

　　

在生物医学检测领域，早期精准诊断癌症和脑部病变一直是科研人员追求的目标。传统光学传感器虽具有无标记、高灵敏度等优点，但往往面临结构复杂、检测限高、所需样本量大等挑战。特别是在检测折射率差异微小的正常与病变组织时，如何实现高精度区分成为技术瓶颈。近年来，非厄米物理系统中的宇称-时间（PT）对称结构为突破这一瓶颈提供了新思路。这类结构通过精心平衡增益和损耗，可在特定参数下出现异常点（EP），此时系统对微扰极其敏感，为超高灵敏度传感奠定了物理基础。

在这一背景下，来自伊朗大不里士大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果。他们设计了一种基于增强宇称-时间（APT）对称的一维纳米光子生物传感器，成功实现了对多种癌症细胞和脑组织的高灵敏、微型化检测。该研究的创新之处在于引入了APT对称性，不仅在外层单元细胞之间保持对称，还在每个单元细胞内部实现了局部对称，这种双重对称性强化了模式耦合，使得在更薄的几何厚度下就能激发异常点，从而显著缩小了传感器尺寸并提升了性能。

研究人员主要运用了传输矩阵法（TMM）进行光学响应计算，通过构建三种不同对称性的多层结构（S1、S2为PT对称，S3为APT对称），系统分析了传输、反射谱及异常点行为。研究的关键在于通过调节多孔硅（PSi）层厚度、孔隙率（P）、增益/损耗层厚度等结构参数，使传输峰值在特定 analyte（分析物）折射率下达到 unity（1），即实现双向透明现象，此时对应的折射率值即可作为疾病识别的光学指纹。研究所用的生物样本折射率数据来源于已发表的健康与病变细胞（如肝癌、皮肤癌、血癌、宫颈癌等）及脑组织（如正常灰质、脑脊液、多发性硬化、神经胶质瘤等）的测量值。

结果与分析

传感器结构与异常点调控

图1展示了三种传感器结构示意图。S1和S2具有传统的PT对称性，而S3则采用了增强的APT对称性设计，其单元细胞内部也呈现对称性，这种设计带来了更强的场限制和更早出现的异常点。

异常点作为疾病标识

通过精确调控结构参数，研究人员使传输谱在特定折射率处出现峰值，同时反射分量达到最小值，即实现双向透明。此时，反射相位发生π跃变，散射矩阵的本征值合并，标志着系统处于异常点。例如，对于折射率为1.350的健康细胞，通过优化参数，S1结构在孔隙硅层厚度为917 nm、孔隙率P=57%时，在1550 nm波长处实现了传输为1的双向透明。图2展示了S1结构的传输、反射幅度以及反射相位随分析物折射率的变化，清晰显示了在n_s=1.350处的异常点行为。

针对特定疾病的参数优化

研究进一步证明，通过调整多孔硅层厚度，可以使异常点精确对应不同疾病的特征折射率。以肝癌为例，对于原发性肝癌（HC，n_s=1.343）和肝转移（LM，n_s=1.347），优化后的多孔硅层厚度分别为921 nm和918.5 nm，此时传输均在对应折射率处达到最大值（图3）。这表明传感器能够通过异常点的位置准确区分不同的病变状态。

透射谱与灵敏度分析

图4展示了传感器对不同折射率分析物（对应不同癌症细胞和脑组织）的透射谱。随着折射率从1.350增加到1.483，共振波长（λ_m）发生近乎线性的红移（见表3）。这种一一对应的关系是传感器进行精确鉴别的基础。基于共振波长偏移量（Δλ_m）与折射率变化量（Δn_s）的比值，计算得到传感器的灵敏度（S）和检测限（LoD）。

性能比较与微型化优势

性能对比表明，APT对称结构（S3）的表现最优异，其灵敏度高达413 nm/RIU，LoD低至6.31×10^-5RIU，远优于S1（103 nm/RIU, LoD 2.23×10^-4RIU）和S2（86 nm/RIU, LoD 3.74×10^-4RIU）（表4）。更重要的是，S3结构实现了显著的微型化效应，其所需的多孔硅层厚度、增益/损耗层厚度以及分析物层厚度均比S1和S2大幅减少（见表3、5、6中S3列数据），例如分析物层厚度可低至77 nm（对应转移性脑癌）。同时，S3所需的孔隙率也更低（见表4），这有利于减少所需样本量，实现"微量采样"（Minor Sampling）。

孔隙率对性能的影响

孔隙率（P）是影响传感器性能的关键参数。图5显示了灵敏度（S）和检测限（LoD）随孔隙率的变化关系。对于S3结构，在P≈58.5%时，灵敏度达到最大，同时LoD最小。这表明存在一个最优的孔隙率范围，能够在场限制和光学损耗之间取得最佳平衡。

与现有技术的比较

表5将本研究与以往报道的光子晶体传感器进行了对比。本工作的APT对称传感器在灵敏度（413 nm/RIU）方面表现突出，同时保持了紧凑的尺寸和较低的检测限，展示了其综合性能的优越性。

制备可行性与展望

尽管目前是理论研究，但论文指出所提出的传感器结构具有良好的制备可行性。多孔硅层可通过电化学阳极氧化法精确控制孔隙率和厚度。增益和损耗介质可通过在二氧化硅基质中掺杂半导体量子点实现。APT对称结构的微型化特性使其易于与微流控系统集成，为未来实现片上实时、无标记生物传感应用铺平了道路。

结论与意义

本研究成功设计并分析了一种基于增强宇称-时间（APT）对称的一维非厄米光子生物传感器，用于健康与癌变组织的精确检测。优化的APT对称结构（S3）展现出了卓越的传感性能，其高灵敏度（413 nm/RIU）和低检测限（6.31×10^-5RIU）主要源于异常点附近的场局域增强效应和平衡的增益-损耗相互作用。该设计的显著优势在于同时实现了高性能和结构微型化，降低了所需样本量，为开发紧凑、高效、适用于临床的癌症及脑部疾病诊断工具提供了新的理论框架和技术路径。未来的工作方向包括将该传感器与微流控平台集成进行实验验证，以及将其概念扩展到二维光子结构，以进一步提升性能和应用范围。