基于光子晶体（PhC）的结构具有设计紧凑、能耗低、数据传输速率高等卓越优势，优于硅波导、半导体光放大器和量子点结构等传统平台，因而在光信号处理（OSP）应用中变得越来越重要。这些结构已经在谐振器、定向耦合器、滤波器、开关、光调制器、振荡器及传感器等领域获得广泛应用。光子晶体系统正处于光信号处理研究的前沿，突显了其在丰富应用和先进技术解决方案方面的巨大潜力。
光子晶体能够提高灵敏度和品质因数，通过反射率和透射率等独特物理特性实现精确检测，因此光子晶体在传感应用中的集成受到了广泛关注。光子晶体结构已在各种传感领域展示了多功能性，包括高温传感、压力传感、气体传感、生物医学传感、位移传感、液体传感和力应变传感等。其中，基于光子晶体的生物医学传感器大有可为，特别是在监测血液和尿液中的葡萄糖水平、检测DNA暴露、识别癌细胞以及诊断疟疾阶段方面。这些先进生物传感器体现了光子晶体技术在革新医疗保健和全光传感方面的潜力，标志着光子晶体已成为未来研究和开发的一个重要焦点。
人体系统中的葡萄糖浓度是医学研究的一个重要课题，因为葡萄糖是生理功能的基本能量来源。葡萄糖水平的波动对健康有很大影响，糖尿等葡萄糖水平的升高与糖尿病及其相关并发症（包括心血管、神经病变和视网膜问题）有关。监测尿液中的葡萄糖浓度对临床诊断和代谢研究至关重要，因为它能反映血糖控制和肾脏葡萄糖处理情况。尿糖升高表明血糖调节能力差或肾功能受损，而血糖正常时，由于有效的肾脏再吸收，葡萄糖排出量可忽略不计。因此，准确的尿糖测量对于诊断和管理糖尿病、优化治疗和评估疗效至关重要。
现代生物传感器技术的进步，特别是基于空腔光子晶体的设计，通过提供实时、无创、高灵敏度的检测，有望彻底变革尿糖监测。这些生物传感器利用光子晶体结构的独特光学特性，实现了精确诊断功能。灵敏度、品质因数和紧凑性等关键性能参数，仍然是生物传感器优化的核心，推动着解决局限性、增强生物医学传感技术的持续研究。将光子晶体波导与谐振器集成等技术，大大提高了灵敏度和品质因数，但导模谐振限制以及制造与模拟之间的一致性等挑战依然存在。这些创新有望提高葡萄糖监测系统的诊断精度，改善患者的治疗效果。
据麦姆斯咨询介绍，埃及高等技术学院的研究人员开发了一种基于光子晶体折射率测量法的尿液葡萄糖浓度传感器，可在0 mg/dl至10 gm/dl的浓度范围内工作，能够提供超高的准确性和可靠性。其新颖的设计与现代制造技术兼容，在灵敏度、品质因数和结构紧凑度方面均优于现有的葡萄糖传感器。这些改进为高效生物医学传感器的发展奠定了坚实的基础，展示了未来在葡萄糖监测系统中的应用潜力。
图1 无缺陷初始设计
图1展示了初始设计的配置，该设计采用由硅（Si）棒组成的二维六边形晶格。这些硅棒的半径r = 0.3 a，其中“a”表示晶格常数，代表两棒中心之间的距离，设定为880 nm。光束无法传播的频率范围称为光子带隙。要计算这个光子带隙，需要使用平面波展开（PWE）方法。
图2 为实现尿液中葡萄糖浓度的高性能检测而设计的关键缺陷
图2展示了为实现尿液中葡萄糖浓度的高性能检测而设计的关键缺陷。在光子晶体应用中，关键缺陷的控制和优化对于实现特定的光学性能至关重要。该设计旨在实现特定目标，包括易于制造、灵敏度高且质量系数合理以及结构紧凑。最终，用于检测尿液中葡萄糖浓度的设计结构利用谐振波长作为测量指标，随空腔折射率的变化而变化。
该设计通过实施时域有限差分法（FDTD）来执行和模拟。该方法可用于数值模拟，以精确求解麦克斯韦方程，从而有效描述各种光子结构和应用。
图3 所提出设计折射率分布的等高线图
在设计阶段，研究人员对标有A、B和C的硅棒进行了广泛的优化处理，这些硅棒构成了所提出设计的空腔。优化过程包括微调每根硅棒的半径及其相对于晶格原点的位置。旨在实现极高灵敏度、超高品质因数以及紧凑性的设计目标。研究结果显示该尿液葡萄糖浓度传感器的最高灵敏度和可接受的品质因数，超过了相关文献报道的数值。
图4 空腔半径和偏移的最佳值，对实现所提出设计的目标至关重要
图5 采用优化参数设计的归一化透射光谱
结论
总结来说，这项成果标志着向未来的光子晶体生物传感器迈出了重要一步。与相关研究相比，所介绍的设计可以利用现代先进技术实现，具有显著的灵敏度、超高的品质因数和出色的检测限。值得注意的是，该设计是首个在尿液中葡萄糖浓度范围内工作的同类产品。该传感器的灵敏度范围为20040.30 nm/RIU（0-15 mg/dl）到6051.76 nm/RIU（10 gm/dl），相应的品质因数为 10424.55到10636.75。其检测限达到8 × 10⁻¹⁰，为葡萄糖传感树立了新标准。所提出的传感器尺寸小巧，仅为16.8 x 17.6 µm²，与当前的先进制造方法兼容，使其在实际应用中可行。研究人员对现有关于尿液中葡萄糖浓度检测的文献进行了全面综述，进一步证实了上述超凡的性能结果。
当然，要在实际应用中实现这一设计，其制造过程必须采用先进的光刻技术来精确构建光子晶体结构，确保高精度和可重复性。随后，该传感器应在实际条件下进行严格测试，并在可扩展性、成本效益和集成到可穿戴或便携式诊断设备方面进行优化。未来的研究应侧重于提高其同时检测多种分析物的能力，扩大其在综合诊断和健康监测中的适用性，并将其确立为医疗技术中一种多功能、高成本效益的解决方案。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-025-87547-x
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