本文介绍了一项由Jingyi Tian、Zhenhua Du等人于2025年发表在期刊《physica scripta》上的原创性研究。该研究提出了一种新型的双D型光子晶体光纤传感器，具备高灵敏度的温度和折射率检测能力，并专为癌细胞的双维度识别而设计。研究团队主要来自渤海大学物理科学与技术学院和云南大学物理与天文学院。
学术背景与研究目的 本研究属于光纤传感与生物医学检测的交叉领域。癌症严重威胁人类健康，早期检测至关重要。癌细胞与正常细胞在物理特性上存在差异，例如，由于蛋白质水平升高，癌细胞的折射率通常高于正常细胞。同时，局部温度差异也被认为是潜在的检测标志。因此，开发一种能够同时、高灵敏度地检测折射率和温度变化的传感器，对于实现癌细胞的无标记、快速识别具有重要价值。
传统光纤传感器在灵敏度、检测范围或多参数同时检测方面存在局限。光子晶体光纤因其灵活的结构设计、高双折射和低传输损耗等优势，为高性能传感器的开发提供了平台。表面等离子体共振技术则以其无标记、实时监测的特点，被广泛应用于生物传感。将两者结合的PCF-SPR传感器已成为研究热点。然而，现有传感器在温度检测范围和灵敏度方面仍有提升空间。本研究旨在设计并优化一种基于表面等离子体共振的双D型光子晶体光纤传感器，以实现更宽范围、更高灵敏度的温度和折射率双参数检测，并验证其在区分癌细胞与正常细胞方面的应用潜力。
详细工作流程 本研究主要基于有限元方法进行数值模拟和优化设计，工作流程可分为结构设计、参数优化、性能模拟分析和应用验证几个核心步骤。
第一，传感器结构与理论基础设计。 研究团队设计了一种具有双D型抛光面的光子晶体光纤传感器。其横截面为规则六边形结构，纤芯由六个空气孔包围，包层包含两层周期性排列的空气孔。传感器结构的特殊性在于，光纤被抛光成两个相对的D型平面，这四个平面上沉积了金膜以激发表面等离子体共振。这种外部传感结构简化了制造工艺，更易于大规模生产。传感器背景材料为二氧化硅，其折射率由Sellmeier方程描述。金膜的折射率采用Drude-Lorentz模型计算。温度敏感液体选用乙醇和氯仿的1:1混合物，其折射率随温度变化的公式被引入模型。传感机制基于表面等离子体共振现象：当入射光在纤芯中传输时，其能量会在特定波长（共振波长）与金膜表面的等离子体激元发生耦合，导致传输损耗出现峰值。共振波长会随着传感器外部介质（即待测样品）的折射率或温度敏感液体的折射率（随温度变化）而发生偏移，通过监测共振波长的移动即可实现传感。
第二，结构参数的优化过程。 为了获得最佳传感性能，研究对多个关键结构参数进行了系统性的优化分析。优化过程通过观察不同参数值下模拟得到的损耗谱、共振波长、半高全宽和品质因数等指标来完成。具体优化的参数包括：内层小空气孔直径d1、外层大空气孔直径d2、抛光深度h、开环半径rs、金膜厚度t以及空气孔间距Λ。研究详细展示了每个参数在20°C和30°C下的损耗谱图，并列出了相应的共振波长、半高全宽、品质因数和灵敏度数据。通过对比分析，最终确定了最优参数组合：d1 = 2.0 µm， d2 = 1.5 µm， h = 6.2 µm， rs = 1.0 µm， t = 45 nm， Λ = 3.0 µm。例如，在选择d2时，发现当d2=1.4 µm和1.5 µm时传感器性能较好；进一步比较30°C时的半高全宽，d2=1.5 µm的值更小，根据品质因数公式（FOM = 灵敏度 / FWHM），能获得更高的品质因数，因此被选中。这种基于有限元仿真的参数优化是本研究确定最终传感器构型的核心方法。
第三，温度与折射率传感性能模拟。 在确定最优结构参数后，研究分别模拟了传感器在温度检测和折射率检测方面的性能。对于温度传感，模拟了从-30°C到60°C范围内，温度每变化10°C的损耗谱。结果显示，共振波长随温度升高发生红移。数据表明，在-30°C时灵敏度最高，达到28 nm/°C，平均灵敏度为19.1 nm/°C。在50°C时获得了最高的品质因数123.72 °C⁻¹。温度检测分辨率最高可达3.57×10⁻³ °C。共振波长与温度之间拟合度R²达到0.983，显示出良好的线性关系。对于折射率传感，模拟了折射率在1.37至1.41范围内变化的损耗谱。结果显示，共振波长随折射率升高发生蓝移。最大灵敏度在折射率为1.37时达到59000 nm/RIU，平均灵敏度为36750 nm/RIU。在折射率为1.39时获得了最高的品质因数176.15 RIU⁻¹。折射率检测分辨率最高可达1.69×10⁻⁶ RIU。
第四，在癌细胞检测中的应用验证。 为了验证传感器在生物医学领域的应用潜力，研究模拟了其对几种特定细胞类型的检测能力。选取了血液细胞（正常 vs. Jurkat癌细胞）、肾上腺细胞（正常 vs. PC12癌细胞）和乳腺癌细胞（正常 vs. MDA-MB-231和MCF-7癌细胞）作为检测对象。模拟时，将正常细胞和对应癌细胞的已知折射率值作为传感介质的折射率输入模型。结果表明，对于每一对细胞，癌细胞的损耗谱曲线均相对于正常细胞发生蓝移，且损耗峰值更低。这一清晰的差异使得区分癌细胞与正常细胞成为可能。性能数据表明，传感器对乳腺癌细胞MCF-7的检测灵敏度最高（27857 nm/RIU），对肾上腺癌细胞PC12的检测分辨率最高（4.00×10⁻⁶ RIU），对血液癌细胞Jurkat的检测品质因数最高（138.86 RIU⁻¹）且半高全宽最小（0.1646 µm）。这证明了该传感器能够基于癌细胞与正常细胞之间的折射率差异进行有效识别，同时其温度检测功能为基于局部温度差异的双维度检测提供了可能。
主要结果 本研究通过系统的数值模拟，获得了以下关键结果： 1. 优化的传感器结构：确定了一套最优的结构参数（d1=2.0µm， d2=1.5µm， h=6.2µm， rs=1.0µm， t=45nm， Λ=3.0µm），该结构能有效激发SPR并实现高性能传感。 2. 卓越的温度传感性能：传感器工作温度范围为-30°C至60°C，最大灵敏度28 nm/°C，平均灵敏度19.1 nm/°C，最大品质因数123.72 °C⁻¹，最佳检测分辨率3.57×10⁻³ °C。 3. 卓越的折射率传感性能：传感器折射率检测范围为1.37至1.41，最大灵敏度59000 nm/RIU，平均灵敏度36750 nm/RIU，最大品质因数176.15 RIU⁻¹，最佳检测分辨率1.69×10⁻⁶ RIU。 4. 成功的癌细胞区分验证：模拟结果显示，传感器能清晰地区分Jurkat、PC12、MDA-MB-231和MCF-7等癌细胞与其对应的正常细胞，损耗谱的蓝移特征明显，并获得了针对不同细胞类型的具体灵敏度、品质因数等性能指标。 5. 综合性能对比优势：与参考文献中列举的同类传感器相比，本研究提出的传感器在温度检测范围（延伸至-30°C）、最高温度灵敏度（28 nm/°C）和最高折射率灵敏度（59000 nm/RIU）方面表现突出，同时保持了优异的检测分辨率。
结论与价值 本研究的结论是，成功设计并优化了一种基于表面等离子体共振的双D型光子晶体光纤传感器。该传感器能够在一个宽范围内高灵敏度地同时检测温度和折射率变化。其平均温度灵敏度为19.1 nm/°C，最大折射率灵敏度可达59000 nm/RIU。更重要的是，传感器在模拟中展现出区分癌细胞与正常细胞的强大能力，为实现癌症的早期、无标记、双维度（折射率与温度）检测提供了一种有潜力的新方法。这项研究不仅推动了高性能PCF-SPR传感器本身的发展，拓宽了其检测极限和应用范围，更将其引入到精准的生物医学检测领域，具有明确的科学价值和应用前景。论文还讨论了可能的制造方法，如叠拉法制备预制棒、物理气相沉积法镀金膜等，并提出了采用飞秒激光微加工等选择性填充技术来封装温度敏感液体，增强了方案的实际可行性。
研究亮点 本研究的亮点主要体现在以下几个方面： 1. 双D型结构与四金膜设计：采用外部双D型抛光面并沉积四个金膜，简化了传统需要在微孔内镀膜的复杂工艺，提高了制造可行性，同时增强了SPR激发效果和传感器性能。 2. 宽范围与高灵敏度兼具：实现了从-30°C到60°C的宽温度检测范围和高达28 nm/°C的灵敏度，以及1.37-1.41折射率范围内59000 nm/RIU的超高灵敏度，综合性能优于多数同类研究。 3. 面向应用的双维度检测概念：明确提出并验证了利用折射率和温度这两个物理维度来区分癌细胞的策略，为生物医学检测提供了新的思路。 4. 系统深入的参数优化：对多达六个关键结构参数进行了详尽的模拟优化，并提供了完整的优化过程和数据对比，确保了传感器设计的科学性和性能最优性。 5. 明确的生物医学应用导向：研究不仅停留在传感器性能表征，更进一步模拟了针对特定类型癌细胞的检测场景，给出了具体的性能数据，展现了从基础研究到应用研究的连贯性。
其他有价值内容 论文在讨论部分简要概述了传感器的可能制造工艺流程，从预制棒制备、拉丝、抛光、镀膜到液体填充，为后续的实验实现提供了参考路线。此外，论文通过对比表格清晰地展示了本研究传感器与近年其他代表性工作的性能指标，凸显了其竞争优势。这些内容都增强了研究的完整性和参考价值。