DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-95249-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40128316
تاريخ النشر: 2025-03-24
المؤلف: Mahla Ashrafian وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا رنانات الموجات الصوتية
نظرة عامة
تقدم البحث جهاز استشعار حيوي جديد يستخدم الرنين البلازمي السطحي (SPR) بالتزامن مع ألياف البلورات الضوئية (PCF) التي تتميز بقناة D مفتوحة. يتضمن هذا التصميم طبقة من الذهب (Au) وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) لتعزيز الالتصاق وتقليل الفجوة بين قلب الألياف وطبقة الذهب، مما يحسن أداء المستشعر. تم إجراء تحليل عددي شامل باستخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM) المدمجة مع الطبقات المتطابقة تمامًا (PML) في COMSOL Multiphysics، مستهدفًا الجزيئات ذات مؤشرات الانكسار (RI) من 1.25 إلى 1.43. حقق جهاز الاستشعار الحيوي حساسية طيفية قصوى بلغت 47,000 نانومتر/RIU وأظهر حساسية كبيرة لستة أنواع من خلايا السرطان، حيث أظهرت خلايا MCF-7 أعلى حساسية لطول الموجة بلغت 5,214.28 نانومتر/RIU، بينما أظهرت خلايا HeLa أفضل حساسية في السعة بلغت -1,481.1 RIU⁻¹، ودقة قدرها 1.19 × 10⁻⁵ RIU، ورقم جدارة (FOM) قدره 350 RIU⁻¹.
تؤكد النتائج على إمكانيات جهاز الاستشعار الحيوي المقترح PCF-SPR للكشف المبكر عن السرطان وتطبيقات الاستشعار الحيوي الأخرى. يسهل تصميم المستشعر، الذي يتضمن شبكة مربعة بأحجام ثقوب متغيرة، تفاعل الضوء المحسن مع العينات البيوكيميائية، مما يزيد من تحولات الرنين عند ارتباط الجزيئات الحيوية. تجعل الحساسية العالية لجهاز الاستشعار الحيوي وسهولة تصنيعه باستخدام التقنيات الحالية مناسبة للكشف عن مجموعة من المحللات البيولوجية والكيميائية، بما في ذلك البروتينات والفيروسات والأحماض النووية، ضمن نطاق RI المحدد.
مناقشة
تم تصميم جهاز الاستشعار الحيوي القائم على الرنين البلازمي السطحي (SPR) وألياف البلورات الضوئية (PCF) بدقة لتعزيز الحساسية للكشف عن خلايا السرطان من خلال تحسين المعلمات الهندسية واختيار المواد. باستخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM) عبر COMSOL Multiphysics، يتميز هيكل جهاز الاستشعار الحيوي بتصميم على شكل D مع قلب من السيليكا محاط بطبقة بلازما معدنية (ذهب) وقناة تحليل. يقلل التصميم من المسافة بين القلب والمادة البلازمية، مما يسهل نقل الطاقة بكفاءة ويزيد من الاقتران بين وضع القلب الموجه ووضع البلازما السطحية (SPP). تم تحسين المعلمات الرئيسية مثل أحجام الثقوب، والمسافة، وسمك الطبقات، مما أدى إلى تكوين يحقق ذروة فقدان الاحتجاز عند 649 نانومتر وحساسية سعة تبلغ -1,481.1 RIU⁻¹ للكشف عن خلايا سرطان عنق الرحم.
يتأثر أداء جهاز الاستشعار الحيوي بشكل كبير بتغيرات مؤشر الانكسار بين الخلايا السليمة والخلايا السرطانية، مع قدرة مثبتة على الكشف عن ستة أنواع من خلايا السرطان، بما في ذلك سرطان عنق الرحم وسرطان الثدي. يظهر المستشعر حساسية استثنائية، ورقم جدارة، ودقة، مع حد أدنى للكشف يبلغ 3.92 نانومتر. يتم التحقق من الاستجابة الخطية لجهاز الاستشعار الحيوي بقيمة R² تبلغ 0.9997، مما يشير إلى ارتباط قوي في الكشف عن التغيرات في مؤشر الانكسار. على الرغم من نتائجه الواعدة، يجب معالجة التحديات العملية مثل الاستقرار البيئي، والتكامل في سير العمل السريري، وعوامل الضوضاء من أجل تطبيق فعال في العالم الحقيقي. بشكل عام، يمثل جهاز الاستشعار الحيوي تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا الكشف المبكر عن السرطان، مستفيدًا من الخصائص الفريدة لـ SPR و PCF لتعزيز قدرات الاستشعار الحيوي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-95249-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40128316
Publication Date: 2025-03-24
Author(s): Mahla Ashrafian et al.
Primary Topic: Acoustic Wave Resonator Technologies
Overview
The research presents a novel biosensor utilizing surface plasmon resonance (SPR) in conjunction with a photonic crystal fiber (PCF) featuring an open D-channel. This design incorporates a gold (Au) layer and titanium dioxide (TiO₂) to enhance adhesion and reduce the gap between the fiber core and the gold layer, thereby improving sensor performance. A comprehensive numerical analysis was conducted using the finite element method (FEM) integrated with perfectly matched layers (PML) in COMSOL Multiphysics, targeting molecules with refractive indices (RI) from 1.25 to 1.43. The biosensor achieved a peak spectral sensitivity of 47,000 nm/RIU and demonstrated significant sensitivity for six cancer cell types, with MCF-7 cells showing the highest wavelength sensitivity of 5,214.28 nm/RIU and HeLa cells exhibiting the best amplitude sensitivity of -1,481.1 RIU⁻¹, a resolution of 1.19 × 10⁻⁵ RIU, and a figure of merit (FOM) of 350 RIU⁻¹.
The findings underscore the potential of the proposed PCF-SPR biosensor for early cancer detection and other biosensing applications. The sensor’s design, which includes a square lattice with varying hole sizes, facilitates enhanced light interaction with biochemical samples, maximizing resonance shifts upon biomolecule binding. The biosensor’s high sensitivity and ease of fabrication using existing technologies make it suitable for detecting a range of biological and chemical analytes, including proteins, viruses, and nucleic acids, within the specified RI range.
Discussion
The proposed Surface Plasmon Resonance (SPR)-based Photonic Crystal Fiber (PCF) biosensor is meticulously designed to enhance sensitivity for cancer cell detection through optimized geometrical parameters and material selection. Utilizing the finite element method (FEM) via COMSOL Multiphysics, the biosensor’s structure features a D-shaped design with a silica core surrounded by a metallic plasmonic layer (gold) and an analyte channel. The design minimizes the distance between the core and the plasmonic material, facilitating efficient energy transfer and maximizing the coupling between the core-guided mode and surface plasmon polariton (SPP) mode. Key parameters such as hole sizes, pitch, and layer thicknesses were optimized, resulting in a configuration that achieves a confinement loss peak at 649 nm and an amplitude sensitivity of -1,481.1 RIU⁻¹ for detecting cervical cancer cells.
The biosensor’s performance is significantly influenced by the refractive index variations between healthy and cancerous cells, with a demonstrated capability to detect six types of cancer cells, including cervical and breast cancer. The sensor exhibits exceptional sensitivity, figure of merit, and resolution, with a minimum detection limit of 3.92 nm. The linear response of the biosensor is validated with an R² value of 0.9997, indicating a strong correlation in detecting changes in refractive index. Despite its promising results, practical challenges such as environmental stability, integration into clinical workflows, and noise factors must be addressed for effective real-world application. Overall, the biosensor represents a significant advancement in early cancer detection technology, leveraging the unique properties of SPR and PCF for enhanced biosensing capabilities.