DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36067-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41606101
تاريخ النشر: 2026-01-28
المؤلف: Ali Mohammadpour وآخرون
الموضوع الرئيسي: ميكانيكا الكم والفيزياء غير الهرمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة جهاز استشعار حيوي جديد من نوع كريستال فوتوني أحادي البعد يستخدم هيكل ثوي-موريس شبه دوري يتضمن تناظر الزمن-الزوجي (PT) وهندسة النقطة الاستثنائية (EP) لتعزيز قدرات الكشف عن السرطان. يدمج جهاز الاستشعار الحيوي طبقات سيليكون مسامي متناوبة مع طبقات نانوية من الجرافين، مما يحقق حصرًا بصريًا كبيرًا وتضييق الرنين بالقرب من ظروف النقطة الاستثنائية. حددت دراسة بارامترية المعلمات المثلى للجرافين، تحديدًا جهد كيميائي قدره 0.408 eV ووقت استرخاء قدره 0.5 ps، مما أسفر عن أقصى حساسية قدرها 1054 nm/RIU وحد كشف أدنى قدره \(9.875 \times 10^{-4}\) RIU. تشير النتائج إلى أن زيادة عدد طبقات الجرافين تحسن الحساسية بينما تقلل من النسبة المثلى للمسامية، مما يوضح الدور الحاسم للجرافين في حصر المجال.
تخلص الدراسة إلى أن جهاز الاستشعار الحيوي المقترح، الذي يتميز برنيناته الحادة في وضع العيب وتفاعل الضوء-المادة المعزز بفضل الجرافين، يتفوق على أجهزة الاستشعار الحيوية التقليدية أحادية البعد. تشير متانة الهيكل المؤكدة من خلال تحليل تحمل التصنيع إلى جدوى عملية للتطبيقات في العالم الحقيقي. بشكل عام، تؤسس الدراسة كريستالات ثوي-موريس الفوتونية ذات التناظر PT كمنصة واعدة للكشف الحيوي الفائق الحساسية، الخالي من العلامات، مع إمكانيات التوسع إلى تطبيقات تشخيصية أخرى. قد تركز التحقيقات المستقبلية على التصنيع التجريبي، والاندماج مع أنظمة الميكروفلويديك، والتحسين للكشف المتعدد.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لطرق الكشف المبكر، الخالية من العلامات، والحساسة للغاية لخلايا السرطان وعلامات البيولوجية في التشخيصات الطبية واختبارات الرعاية السريعة. يتم التأكيد على الكريستالات الفوتونية أحادية البعد (1D) كأجهزة استشعار حيوية بصرية واعدة بسبب هياكلها الطبقية، التي توفر حصرًا قويًا للمجال وتوقيعات طيفية قابلة للقياس بسهولة. يؤدي إدخال أوضاع العيوب في هذه الكريستالات الفوتونية إلى رنينات ضيقة ومحلية حساسة للتغيرات في معامل الانكسار المحلي، وهي ميزة رئيسية يتم الاستفادة منها في تطبيقات الاستشعار الحيوي البصري. أدت التقدمات الأخيرة في الاستشعار الحيوي البلازمي والفوتوني إلى تكوينات عالية الأداء لأجهزة استشعار الرنين البلازمي السطحي (SPR)، خاصة تلك التي تدمج ألياف الكريستال الفوتوني (PCFs) وهياكل الكاجومي ذات النواة المجوفة، التي أظهرت حساسية استثنائية للكشف عن مختلف المحللات البيولوجية.
علاوة على ذلك، تناقش هذه الفقرة الهياكل الهجينة الناشئة، مثل الأنظمة ذات التناظر الزمن-الزوجي (PT) المدعومة بالجرافين، التي تهدف إلى تعزيز الحساسية بما يتجاوز طرق SPR التقليدية. تم تحديد نهجين تصميم واعدين: الفوتونيات غير الهيرميتية التي تستغل النقاط الاستثنائية (EPs) لتضخيم الاستجابات الطيفية، والهياكل شبه الدورية مثل ترتيب ثوي-موريس، التي يمكن أن تولد رنينات ضيقة وتعزيزات محلية للمجال. تؤكد هذه الابتكارات مجتمعة على التطور السريع لتقنيات الاستشعار الحيوي البصري وإمكاناتها لتحسين الكشف عن علامات السرطان من خلال تعزيز الحساسية والموثوقية التشغيلية.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق والإطار النظري لكريستال فوتوني أحادي البعد (1D) مصمم باستخدام تسلسل ثوي-موريس (ThM) من طبقات عازلة متناوبة ذات معاملات انكسار مميزة. يتم توليد تسلسل ThM بشكل متكرر من كتلتين بناء، A و B، حيث تبدأ A التسلسل. ينتج عن هذا الترتيب شبه الدوري المحدد نطاقات نقل ذاتية التشابه. يتم إدخال طبقة عيب عن طريق استبدال وحدة ثوي-موريس واحدة بطبقة محلل، مثل محلول عازل أو تعليق خلايا سرطانية. لتحقيق تناظر الزمن-الزوجي (PT)، يتم دمج الكسب والخسارة في طبقات مختارة، مما يضمن أن الجزء الحقيقي من معامل الانكسار هو زوجي والجزء التخيلي فردي.
بالإضافة إلى ذلك، يعزز المؤلفون حصر المجال البصري وتفاعل الضوء-المادة عن طريق إدخال طبقات نانوية من الجرافين واحدة أو متعددة عند الواجهات بين الطبقات العازلة، خاصة بالقرب من طبقة العيب. يتم نمذجة الجرافين كصفحة موصلة ثنائية الأبعاد تتميز بتوصيلية سطحية، والتي يتم دمجها في طريقة المصفوفة الانتقالية (TMM) كشرط حدودي. يتم وصف التوصيلية المعقدة بواسطة صيغة كوبا، مع الأخذ في الاعتبار كل من الانتقالات بين النطاقات وداخل النطاقات، مع تأثير معلمات مثل الجهد الكيميائي، ووقت الاسترخاء، ودرجة الحرارة على الاستجابة البصرية. يتم تعريف مصفوفة الانتشار لكل طبقة، مما يسهل حساب سلوك النظام متعدد الطبقات البصري.
نتائج
تقدم النتائج المعروضة في هذا القسم طيف النقل وتغيرات الطور لهيكل فوتوني تحت سقوط كهرومغناطيسي عادي، كما هو موضح في الشكل 2. تشير قفزة طور ملحوظة قدرها $\pi$ راديان إلى وجود نقاط استثنائية (EPs)، التي تم استخدامها لتحسين المعلمات الهيكلية للنظام. تتضمن التكوين طبقات كسب وخسارة كل منها بسمك 400 نانومتر، وطبقة عينة بسمك 2000 نانومتر، وطبقات مسامية بسمك 172 نانومتر مع مسامية 30%. يتم تطبيق طبقة جرافين أحادية بسمك 0.34 نانومتر على كلا جانبي طبقة العينة، مع كثافات اهتزازية ماكروسكوبية محددة لطبقات الكسب والخسارة تم تعيينها عند $4.2 \times 10^{-3}$ و $4.2 \times 10^{-4}$، على التوالي.
تتراوح معاملات الانكسار لطبقة العينة، التي تتوافق مع خلايا صحية وسرطانية، من 1.350 إلى 1.401. يتم تحديد فجوة النطاق الفوتوني ضمن النطاق الطيفي الذي يتراوح تقريبًا بين 1360-1790 نانومتر. من الجدير بالذكر أن أقصى نقل للخلايا الصحية يحدث عند 1550 نانومتر مع سعة قدرها 1.77 عندما يكون الجرافين موجودًا، مقارنةً بأقصى نقل قدره وحدة واحدة فقط في غيابه. علاوة على ذلك، يكشف تشغيل كريستال ثوي-موريس الفوتوني المتناظر PT عند النقطة الاستثنائية عن اعتماد جذري مميز لتفريق القيم الذاتية على اضطرابات معامل الانكسار، مما يبرز حساسية النظام للتغيرات في معامل الانكسار، وهو أمر حاسم لتطبيقات أجهزة الاستشعار الحيوية. تم تجميع تفاصيل شاملة لإعادة الإنتاج واستكشاف تصميم وأداء جهاز الاستشعار الحيوي في الجدول 1.
مناقشة
تسلط فقرة المناقشة في الورقة الضوء على التقدمات في تكنولوجيا الاستشعار الحيوي من خلال دمج تسلسلات ثوي-موريس (ThM)، السيليكون المسامي (PSi)، والجرافين ضمن إطار كريستال فوتوني. يُلاحظ أن تسلسل ThM قادر على دعم ميزات طيفية حادة وحالات محلية، مما يعزز الحساسية في الكشف عن المحللات مثل خلايا السرطان. يعمل PSi كوسيط فعال بسبب معامل انكساره القابل للتعديل ومساحته السطحية العالية، مما يسهل التفاعل المباشر مع المحللات السائلة. يعزز إدماج طبقات الجرافين تفاعلات الضوء-المادة، مما يحسن الاستجابة البصرية واستقرار الجهاز. تؤدي مجموعة هذه العناصر، وخاصة هندسة النقطة الاستثنائية (EP) والتناظر PT، إلى جهاز استشعار حيوي بحساسية قدرها 1054 nm/RIU وحد كشف يبلغ تقريبًا \(4.98 \times 10^{-4}\) RIU، مما يتفوق بشكل كبير على أجهزة الاستشعار الحيوية الفوتونية التقليدية.
تشدد الورقة على أن الخصائص الفريدة لترتيب ThM تؤدي إلى تعزيز حصر المجال وتقليل الخسائر الإشعاعية مقارنةً بالهياكل الدورية، مما ينتج عنه رنينات أكثر حدة وحساسية أكبر. يكشف تحليل المعلمات الهيكلية المختلفة، بما في ذلك سمك طبقات الكسب والخسارة ونسبة مسامية PSi، أن التكوينات المثلى يمكن تحقيقها من خلال موازنة الحساسية مع قيود التصنيع العملية. تشير النتائج إلى أنه بينما يظهر جهاز الاستشعار الحيوي المقترح أداءً متفوقًا، لا تزال هناك تحديات تتعلق بدقة التصنيع وإدارة خسائر الامتصاص المرتبطة بزيادة طبقات الجرافين. بشكل عام، تقدم الدراسة مسارًا واعدًا لتطوير أجهزة استشعار حيوية مصغرة عالية الأداء للتشخيصات السرطانية في الوقت الحقيقي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36067-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41606101
Publication Date: 2026-01-28
Author(s): Ali Mohammadpour et al.
Primary Topic: Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics
Overview
This research presents a novel one-dimensional photonic crystal biosensor utilizing a Thue-Morse quasiperiodic structure that incorporates parity-time (PT) symmetry and exceptional point (EP) engineering to enhance cancer detection capabilities. The biosensor integrates alternating porous silicon gain-loss layers with graphene nanolayers, achieving significant optical confinement and resonance sharpening near EP conditions. A parametric study identified optimal parameters for graphene, specifically a chemical potential of 0.408 eV and a relaxation time of 0.5 ps, resulting in a maximum sensitivity of 1054 nm/RIU and a minimum detection limit of \(9.875 \times 10^{-4}\) RIU. The findings indicate that increasing the number of graphene layers improves sensitivity while reducing the optimal porosity percentage, demonstrating the critical role of graphene in field confinement.
The study concludes that the proposed biosensor, characterized by its sharp defect-mode resonances and enhanced light-matter interaction due to graphene, outperforms conventional one-dimensional biosensors. The structural robustness confirmed through fabrication tolerance analysis suggests practical viability for real-world applications. Overall, the research establishes PT-symmetric Thue-Morse photonic crystals as a promising platform for ultra-sensitive, label-free biomedical sensing, with potential extensions to other diagnostic applications. Future investigations may focus on experimental fabrication, integration with microfluidic systems, and optimization for multiplexed detection.
Introduction
The introduction highlights the urgent need for early, label-free, and highly sensitive detection methods for cancer cells and biomarkers in biomedical diagnostics and point-of-care testing. One-dimensional (1D) photonic crystals (PhCs) are emphasized as promising optical biosensors due to their layered structures, which provide strong field confinement and easily measurable spectral signatures. The introduction of defect modes in these PhCs leads to narrow, localized resonances that are sensitive to changes in the local refractive index, a key feature leveraged in optical biosensing applications. Recent advancements in plasmonic and photonic biosensing have resulted in high-performance surface plasmon resonance (SPR) sensor configurations, particularly those integrating photonic crystal fibers (PCFs) and kagome-lattice hollow-core structures, which have shown exceptional sensitivity for detecting various biological analytes.
Furthermore, the section discusses emerging hybrid architectures, such as parity-time (PT)-symmetric and graphene-assisted systems, which aim to enhance sensitivity beyond conventional SPR methods. Two promising design approaches are identified: non-Hermitian photonics that exploit exceptional points (EPs) to amplify spectral responses, and quasi-periodic structures like the Thue-Morse order, which can generate narrow resonances and localized field enhancements. These innovations collectively underscore the rapid evolution of optical biosensing technologies and their potential for improving cancer biomarker detection through enhanced sensitivity and operational robustness.
Methods
In this section, the authors describe the methods and theoretical framework for a one-dimensional (1D) photonic crystal designed using a Thue-Morse (ThM) sequence of alternating dielectric layers with distinct refractive indices. The ThM sequence is recursively generated from two building blocks, A and B, with A initiating the sequence. This deterministic quasi-periodic arrangement yields self-similar transmission bands. A defect layer is introduced by substituting one ThM unit with an analyte layer, such as a buffer solution or cancer-cell suspension. To achieve parity-time (PT) symmetry, gain and loss are incorporated into selected layers, ensuring the real part of the refractive index is even and the imaginary part is odd.
Additionally, the authors enhance optical field confinement and light-matter interaction by inserting single or multiple graphene nanolayers at the interfaces between dielectric layers, particularly near the defect layer. Graphene is modeled as a two-dimensional conductive sheet characterized by a surface conductivity, which is integrated into the transfer-matrix method (TMM) as a boundary condition. The complex conductivity is described by the Kubo formula, accounting for both interband and intraband transitions, with parameters such as chemical potential, relaxation time, and temperature influencing the optical response. The propagation matrix for each layer is defined, facilitating the calculation of the multilayer system’s optical behavior.
Results
The results presented in this section detail the transmission spectrum and phase variations of a photonic structure under normal electromagnetic incidence, as illustrated in Fig. 2. A notable phase jump of $\pi$ radians indicates the presence of exceptional points (EPs), which were utilized to optimize the structural parameters of the system. The configuration includes gain and loss layers each with a thickness of 400 nm, a sample layer of 2000 nm, and porous layers of 172 nm thickness with 30% porosity. A graphene monolayer of 0.34 nm is applied to both sides of the sample layer, with specific macroscopic Lorentz oscillation intensities for the gain and loss layers set at $4.2 \times 10^{-3}$ and $4.2 \times 10^{-4}$, respectively.
The refractive indices for the sample layer, corresponding to healthy and cancerous cells, range from 1.350 to 1.401. The photonic band gap is identified within the spectral range of approximately 1360-1790 nm. Notably, the maximum transmission for healthy cells occurs at 1550 nm with an amplitude of 1.77 when graphene is present, compared to a maximum transmission of only unity in its absence. Furthermore, operating the Thue-Morse PT-symmetric photonic crystal at the EP reveals a characteristic square root dependence of eigenvalue splitting on refractive-index perturbations, highlighting the sensitivity of the system to changes in refractive index, which is crucial for biosensor applications. Comprehensive details for reproducibility and further exploration of the biosensor’s design and performance are compiled in Table 1.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the advancements in biosensing technology through the integration of Thue-Morse (ThM) sequences, porous silicon (PSi), and graphene within a photonic crystal framework. The ThM sequence is noted for its ability to support sharp spectral features and localized states, which enhance sensitivity in detecting analytes such as cancer cells. PSi serves as an effective medium due to its tunable refractive index and high surface area, facilitating direct interaction with liquid analytes. The incorporation of graphene layers further amplifies light-matter interactions, improving the optical response and stability of the sensor. The combination of these elements, particularly the exceptional point (EP) engineering and PT-symmetry, results in a biosensor with a sensitivity of 1054 nm/RIU and a detection limit of approximately \(4.98 \times 10^{-4}\) RIU, significantly outperforming conventional photonic biosensors.
The paper emphasizes that the unique properties of the ThM arrangement lead to enhanced field localization and reduced radiative losses compared to periodic structures, resulting in sharper resonances and greater sensitivity. The analysis of various structural parameters, including the thickness of gain-loss layers and the porosity of PSi, reveals that optimal configurations can be achieved by balancing sensitivity with practical fabrication constraints. The findings suggest that while the proposed biosensor demonstrates superior performance, challenges remain regarding fabrication precision and the management of absorption losses associated with increased graphene layers. Overall, the study presents a promising avenue for developing high-performance, miniaturized biosensors for real-time cancer diagnostics.