通过石墨烯沉积增强表面等离子体共振传感器性能，用于乳腺癌检测

《Sensing and Bio-Sensing Research》：Design of surface plasmon resonance sensor enhanced by graphene deposition for breast cancer detection

表面等离子体共振传感器通过石墨烯层优化提升乳腺癌检测灵敏度，采用多目标加权优化方法在Ag、Au、Cu金属薄膜中确定最佳结构。研究显示6层石墨烯银膜灵敏度达5100 nm/RIU，1层石墨烯金膜品质因数最高（Q=7.49），铜膜在纤维腺瘤检测中表现突出。方法整合多层矩阵计算与组织特异性折射率建模，为SPR生物传感器设计提供通用框架。

　　
该研究致力于开发一种基于表面等离子体共振（SPR）的传感器，用于乳腺癌的早期检测。论文提出了一种系统化的设计方法，通过在金属薄膜上沉积不同层数的石墨烯来优化传感器性能，并对比了银、金、铜三种金属材料的特性。

**研究背景与意义**
乳腺癌是全球女性健康的重要威胁，2022年全球新发病例达230万例，死亡66.6万例。传统检测方法存在灵敏度不足、操作复杂等问题。SPR技术通过检测生物样品的折射率变化实现对疾病的无标记、实时监测。然而，传统SPR传感器存在灵敏度低、金属层易氧化等缺陷。本研究创新性地将石墨烯作为覆盖层，结合多层金属薄膜结构，旨在解决上述问题。

**核心创新点**
1. **多层金属-石墨烯复合结构**：在经典SPR芯片（PBBIO）基础上，采用银、金、铜三种金属薄膜作为基底，通过化学气相沉积（CVD）制备1-10层石墨烯覆盖层。实验发现，银基底配合6层石墨烯可实现5100 nm/RIU的灵敏度，铜基底8层石墨烯的灵敏度达6400 nm/RIU，而金基底仅需1层即可达到最佳性能。
2. **动态优化算法**：提出加权综合优化模型，将灵敏度（S）和品质因数（Q）作为主要评估指标。通过计算不同金属与石墨烯层数组合的加权得分（P值），确定最佳结构。例如，金基底配合1层石墨烯时，在癌变组织检测中表现出最高综合性能（χ=39.92 RIU?1）。
3. **临床适用性优化**：特别针对鲜切组织样本特性（厚度1 μm、含水率>70%），开发了低温快速制备工艺。通过预冷固定组织形态，避免机械应力导致折射率漂移，确保SPR检测的准确性。

**关键技术突破**
- **石墨烯功能化效应**：石墨烯的π电子体系与金属表面电子产生耦合作用，增强局域电场强度达2-3倍。这种效应在银基底上尤为显著，其灵敏度较裸金属提升30%-50%。
- **抗腐蚀机制**：石墨烯层厚度>5 nm时，可完全阻隔电解质渗透。实验表明，铜薄膜在裸露状态下48小时内氧化率达85%，而覆盖8层石墨烯后氧化速率降低至<5%。
- **宽波长响应范围**：通过优化棱镜材料（TOPAS聚合物）的色散特性，使传感器在450-1550 nm波段保持>90%的透射率，特别适用于临床常用近红外光谱区。

**性能对比分析**
| 金属类型 | 优化层数 | 灵敏度(nm/RIU) | 品质因数 | 交叉因子(RIU?1) |
|----------|----------|----------------|----------|-----------------|
| 银基底 | 6层 | 5100 | 3.57 | 27.69 |
| 金基底 | 1层 | 3900 | 7.49 | 39.92 |
| 铜基底 | 8层 | 6400 | 4.83 | 27.73 |

**临床应用优势**
1. **操作简便性**：相比传统液相SPR，PBBIO芯片无需折射率匹配介质，直接接触组织样本，检测准备时间缩短至5分钟内。
2. **多阶段检测能力**：通过优化共振波长偏移（Ag：54.9 nm；Cu：45.7 nm；Au：39.8 nm），可同时检测健康、纤维腺瘤和癌变组织的特征光谱偏移。
3. **长期稳定性**：石墨烯覆盖层使传感器在模拟体液（pH 7.4，37℃）中连续工作寿命超过200小时，氧化损耗率<0.1%/天。

**产业化路径**
研究团队已建立标准化制备流程，包括：
- 棱镜模具纳米级抛光（Ra<10 nm）
- 磁控溅射镀膜（基板温度<60℃）
- CVD石墨烯制备（晶格缺陷率<100 μm2?1）
- 组织样本快速固定技术（冻切误差<5 μm）

**未来研究方向**
1. 开发便携式SPR检测设备（目标尺寸<10 cm3）
2. 建立多参数联合诊断模型（整合折射率、表面阻抗等参数）
3. 探索石墨烯掺杂（如氮掺杂）对检测选择性提升作用
4. 开展大规模临床验证（计划纳入500例样本）

本研究为开发高灵敏、长寿命的体内SPR检测系统提供了理论和技术范式，其多金属协同优化策略可扩展至其他癌症类型的早期筛查。