近年來，基于表面等離激元共振（SPR）的分子互作分析技術因其卓越的檢測性能，于2016至2020年間被美國、日本、歐洲和中國相繼列入藥典，并在近年迎來了應用需求的激增。為解決其設備龐大、操作復雜及通量難以提升的痛點，近二十年來，各種納米等離激元生物傳感器得到了廣泛的研究。其中，將傳感器集成在光纖末端成為極具潛力的研究方向。該類傳感器不僅能夠受益于光纖架構從而實現設備小型化，還能利用光纖通信的復用能力實現高通量傳感，同時摒棄復雜的微流控系統(tǒng)，實現對小體積樣本的便捷檢測操作。

基于光子晶體微腔的設計，楊天團隊于2016至2022年間，將單模光纖端SPR傳感器的信噪比提升了3個數量級，檢測限達到10-7RIU量級。但是，在生物分子傳感實驗中，團隊發(fā)現其穩(wěn)定性和重復性不佳，無法達到商業(yè)（非納米）SPR設備的水平，且不能通過工藝流程標準化和質量控制來解決。通過文獻調研，他們發(fā)現具有納米結構表面的傳感器在分子互作實驗中普遍表現出差的穩(wěn)定性；與之相關的，經?？梢钥吹綄{米結構生物傳感器超高靈敏度的報道，而其中大部分都違反Langmuir定律，且分子結合速率比正常情況高出幾個數量級。這種奇怪的非線性超高靈敏度現象的根源，一直以來是未解之謎。

圖1 傳感器設計： (A) 光纖端面的SPP-MIM雜化超構薄膜和光子晶體微腔示意圖；（B）SPP表面波和MIM波導的雜化，顏色表示雜化光學模式的電場實部；（C）SPP-MIM超構薄膜光子晶體微腔（MIM cavity）的諧振波長隨表面折射率的變化，以及與傳統(tǒng)的光柵耦合SPR的比較

楊天團隊提出，分子互作過程受到納米結構表界面過程的影響，例如表面納米氣泡的存在，導致了上述的不穩(wěn)定性與奇怪的互作表現。這為納米生物傳感器領域闡明了一項長期以來被嚴重忽視的挑戰(zhàn)。為攻克這一難題，該團隊設計了一種將光子晶體微腔的光場耦合到平面表面SPP倏逝波的超構薄膜（圖1a,b）。這種超構薄膜具有遠小于傳統(tǒng)SPP表面波的倏逝深度，以及由此帶來的更高的表面靈敏度；同時，其表面靈敏度還隨著表面吸附物質的增多而降低，從而體現出局域表面等離激元共振（LSPR）的性質（圖1c）。因此，這種超構薄膜堪稱是平面SPR與納米LSPR結合的“結晶”，它兼具了兩者的優(yōu)點：既擁有平面SPR平滑且穩(wěn)定的物理傳感界面，又具備納米LSPR的高表面靈敏度以及對環(huán)境干擾的低敏感性。這種新材料的出現，為提升納米生物傳感器的性能提供了一種全新的解決方案。

圖2 分子互作傳感設備與實驗結果：（A）設備照片；（B）三個傳感器，每個重復三次實驗，體現了高穩(wěn)定性和可重復性

在此基礎上，楊天團隊在這種超構薄膜中嵌入光子晶體微腔，并將之集成在單模光纖的端面，形成一種新的光纖末端生物傳感器。配合自研的光纖傳感設備（圖2a），該團隊實現了高靈敏、高穩(wěn)定、可重復且符合Langmuir定律的生物分子相互作用實驗。文章報道的實驗結果包括低至30 fM的生物素化分子的檢測及多傳感器多次重復實驗的對比（圖2b）。該傳感器在長達17個月的時間跨度內，依然保持了穩(wěn)定的性能表現，充分證明了其在長期使用中的可靠性和耐久性。

來源：上海交大自動化與感知學院