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- 具有高靈敏度的納米光子傳感器，可被動捕獲熱點中的分析物分子
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/1/21
上圖：帶有捕獲分子的光學傳感器設(shè)計示意圖。底部：顯示溶液中分子富集和捕集過程的示意圖。圖片來源：苗向龍，嚴令月，吳云和Peter Q. Liu
光學傳感器可以通過測量和處理樣品產(chǎn)生的光信號來定量分析化學和生物樣品�；诩t外吸收光譜的光學傳感器可以實時實現(xiàn)高靈敏度和選擇性，因此在諸如環(huán)境傳感，醫(yī)學診斷，工業(yè)過程控制和國土安全等各種應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
紐約州立大學布法羅分校電氣工程系的Peter Q. Liu博士領(lǐng)導(dǎo)的一組科學家在《光：科學與應(yīng)用》上發(fā)表了一篇論文，展示了一種新型的高性能光學傳感器，可以利用液體的表面張力來濃縮和捕獲分析物分子在器件結(jié)構(gòu)的最敏感位置處，因此大大提高了靈敏度性能。基于還具有納米級溝槽的金屬-絕緣體-金屬夾心結(jié)構(gòu)，當溶液逐漸在傳感器表面上蒸發(fā)時，傳感器可以被動地將分析物溶液保留并濃縮在這些微小溝槽中，并最終將沉淀的分析物分子捕獲在其中戰(zhàn)es。通過設(shè)計，這些溝槽中的光強度也大大提高，因此光和捕獲的分析物分子之間的相互作用也得到了極大的增強，即使在分析物質(zhì)量的皮克級，也可以輕松檢測到光信號（即光吸收光譜的變化） 。
通常，不同的分子種類以不同的頻率吸收紅外光，因此可以通過分析光譜中觀察到的吸收線來識別和量化檢測到的分子。盡管此類分子吸收本來就很弱，但是光學傳感器可以通過在設(shè)備表面上采用合適的納米結(jié)構(gòu)將光限制在很小的體積（所謂的熱點）中，從而極大地增強分子吸收，從而導(dǎo)致很大的光強度。這樣，在給定的時間間隔內(nèi)，熱點中的每個分子都可以吸收比熱點之外的分子更多的光，這使得如果可能的話，可以以很高的可靠性測量非常少量的化學或生物物質(zhì)分子位于熱點。這種通用方法也稱為表面增強紅外吸收（SEIRA）。
但是，大多數(shù)SEIRA光學傳感器的關(guān)鍵問題是，熱點僅占據(jù)整個設(shè)備表面積的一小部分。另一方面，分析物分子通常隨機分布在設(shè)備表面，因此所有分析物分子中只有一小部分位于熱點中，并有助于增強光吸收。“如果大多數(shù)分析物分子可以傳遞到光學傳感器的熱點中，那么SEIRA信號將大得多。這是我們光學傳感器設(shè)計的主要動機�！� 劉醫(yī)生說。
“有一些技術(shù)，例如光鑷和介電泳，可以操縱小顆粒或什至分子，然后將它們傳送到熱點等目標位置。但是，這些技術(shù)需要大量的能量輸入，而且使用起來也很復(fù)雜。 ” 劉博士補充說：“我們著手探索的裝置結(jié)構(gòu)可以以被動（不需要能量輸入）和有效的方式將溶液中沉淀的分析物分子捕獲到熱點中，我們意識到我們可以利用液體的表面張力來實現(xiàn)這一目標。”
除了演示高靈敏度生物分子傳感外，該團隊還進行了另一組實驗，表明相同類型的器件結(jié)構(gòu)還可以有效捕獲脂質(zhì)體顆粒（約100nm特征尺寸）在微小溝槽中。這意味著可以優(yōu)化此類光學傳感器，以檢測和分析納米物體，例如病毒或外泌體，其大小與實驗中使用的脂質(zhì)體相似。
科學家認為，已證明的SEIRA光學傳感器設(shè)計策略也可以應(yīng)用于其他類型的光學傳感器。除了傳感應(yīng)用之外，這種設(shè)備結(jié)構(gòu)還可以用于操縱納米級物體，包括外泌體，病毒和量子點。
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