一种用于 plasmonic 传感疟疮的有效微观模型

疟疾仍是低资源地区的主要健康威胁，快速诊断工具往往缺乏实现早期检测所需的灵敏度。为此，我们发展了一个用于 plasmonic 生物传感的预测性微观模型，具体用于探测基于金属表面的生物标记物。我们特别考虑了检测 plasmodium lactate dehydrogenase (pLDH)，这是一种广为人知的疟疾生物标志物。作为示例，研究了一个由金属纳米孔阵列（150nm 薄膜；150nm 直径；400nm 周期）构成的示例生物传感器，其上方的生物化学物质被建模为堆叠的紧密排列的膜层。我们采用 Maxwell Garnett effective medium theory 将 pLDH 生物标记物吸附层的折射率与缓冲液中 pLDH 的体浓度相联系。该有效微观模型考虑了生物化学基质、结合的 pLDH 以及缓冲液介质的组合光学特性。通过有限元法和近似解析方法进行传感器仿真，我们表明该有效模型可用于确定传感器响应、预测结合相互作用并量化传感器表面的浓度变化。随后，我们计算了该示例生物传感器的传感灵敏度及其理论检测限 (LOD)。基于模型计算的最低 LOD 为 pLDH 的 0.02nM，相当于 0.7ng/mL，这是当前快速诊断工具的 30 倍提升。虽然这种性能提升在实际应用中具有高度前景，但还需要进一步工作将此处所发展的理想理论转化为现场测试的实证性能。我们所提出的有效微观模型具有很好的普适性，所构建的框架为设计和优化其他高度灵敏的 plasmonic 生物传感器提供了广泛适用的工具。