【科普系列】基于超材料的无标记光学生物传感

    超材料（Metamaterials）是一种由大量亚波长结构单元组成的人工电磁材料。通过精心设计结构单元的几何形状和排布方式，超材料对于电磁波的远近场调控都展示出前所未有的灵活性，实现了负折射、完美成像、电磁隐身等一系列超常物理特性，在材料学、电磁学等不同领域中都引起了人们的广泛关注。尤其，超材料能够在其表面支持显著的局域场增强，对周围介电环境的变化极其敏感，在无标记光学生物传感领域具有重要应用前景。光学生物传感器可实现生物分子及其相互作用的快速无损检测，对于疾病的早期诊断、生物医药研究以及环境监测等方面都具有重要意义。传统的光学生物传感器主要基于表面等离子体共振（金膜等）和局域表面等离子体共振（金纳米颗粒等）两种机理，往往面临着体积庞大、灵敏度不足、功能单一等缺点，难以满足日益复杂的实际应用需求。而超材料生物传感器能够支持更加丰富的电磁模态，具有更加优异的灵敏度，易于小型化和集成化，而且在功能设计上更具灵活性，是发展下一代高性能生物传感芯片的重要方案之一。

    近日，北京科技大学新材料技术研究院白洋教授课题组在《材料工程》期刊上发表了题为“基于超材料的无标记光学生物传感器”的综述文章。该综述从超材料的工作频带出发，分别总结了可见光与近红外、中红外、以及太赫兹波段超材料生物传感器的研究进展，包括折射率生物传感、表面增强拉曼散射、表面增强红外吸收和太赫兹生物传感等（图（1））。最后，文章对于超材料生物传感器未来发展趋势提出了几点思考，包括探索新的传感机理、设计多功能生物传感器以及结合人工智能技术等。

图1 基于超材料的无标记光学生物传感器

1 可见光与近红外波段超材料生物传感器

    可见光与近红外波段超材料生物传感器主要用于折射率生物传感，能够对生物分子及其相互作用进行高灵敏检测。在过去的十几年内，研究者们提出了一系列基于法诺共振超材料、双曲超材料、拓扑暗点等离子体超材料以及表面增强拉曼散射超材料等来构建新型无标记光学生物传感器（图2），有效提高了光学生物传感器的灵敏度和品质因数，实现了较低的浓度检测极限。

图2  可见光与近红外波段超材料生物传感器

（a）由光学“亮”偶极天线和光学“暗”四极天线组成的法诺共振超材料；（b）光栅耦合双曲超材料；（c）能够实现拓扑暗点的自组装核壳等离子体超材料；（d）用于表面增强拉曼散射的开口谐振环超材料

2 中红外波段超材料生物传感器

    中红外光谱对应着多种生物分子的特征振动指纹。通过获取这种振动指纹，中红外光谱能够以非破坏、无标签方式提供生物分子精细的生化信息，适合于检测、识别多种不同种类的生物分子。然而，由于中红外波长（2~6 μm）与生物分子尺寸（<10 nm）之间的巨大尺度失配，使得振动吸收信号非常微弱。当检测纳米样品、生物膜或表面结合分子数量较少时，中红外光谱的检测灵敏度较低，而采用表面增强红外吸收可有效克服这一局限。当亚波长谐振器的谐振峰与分子振动指纹重叠时，局域增强的电场可以增强分子与谐振器之间的耦合，导致谐振频率和强度的变化，从而提取分子指纹。这一方法已在多种金属基超材料、石墨烯超材料和介质基超表面中实现并用于生物信息检测（图3）。

图3中红外波段超材料生物传感器

（a）同轴纳米孔超材料；（b）双谐振峰等离子体超材料；（c）石墨烯纳米带超材料及其（d）表面电场局域示意图；（e）用于分子指纹成像检测的介质基超表面

3 太赫兹波段超材料生物传感器

    太赫兹波位于红外光和微波辐射之间，包含了大量与生物分子（蛋白质、DNA等）振动及转动相关的光谱信息，在其发展之初即受到了广大研究者的重视。且与其他光学技术（紫外线、X射线等）相比，它的非侵入性和非电离性允许太赫兹技术被用来检测细胞和组织等更为复杂的结构生物材料，而不必担心热波动或其他非线性副作用的影响。然而，由于生物分子在太赫兹波段的吸收截面过小，与电磁波的相互作用较弱，使得光谱信号的变化微弱，给检测带来了很大难度。近年来，为了提高生物传感器的检测灵敏度，基于超材料生物传感芯片的太赫兹检测技术已相继被开发。基于局域表面等离子体共振、法诺共振以及环偶极子共振的太赫兹超材料可以有效增加分子吸收截面，能够用于碳水化合物、化学混合物、薄样品层和微生物等试样的高灵敏检测（图（4））。

图4太赫兹波段超材料生物传感器

（a）纸基平面超材料；（b）与微流体技术集成的等离子体超材料；（c）环形偶极子超材料；（d）纳米天线阵列超材料

    在总结了可见光与近红外、中红外、以及太赫兹波段超材料生物传感器的研究进展之后，文章对于超材料生物传感器未来发展趋势提出了以下四点：（1）探索新的传感机理（如环形偶极子超材料的引入），进一步提高器件灵敏度；（2）超材料多功能生物传感器的设计（如中红外波段生物分子指纹成像检测），实现多功能集成；（3）低成本、一次性使用的超材料生物传感器设计（如纸基平面超材料），方便个人的临床诊断；（4）结合人工智能技术，实现高通量智能化生物分子检测等。

    综上所述，超材料灵活的结构设计和丰富的电磁模态，为生物传感器赋予了更多的可能性，将在未来小型化、集成化的高性能生物传感芯片中发挥重要作用。

原文出处：

基于超材料的无标记光学生物传感（点击“题目”可链接全文）

陶承东，刘传宝，李扬，乔利杰，周济，白洋

2021, 49 (4): 1-12.   

DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000990

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