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达到新灵敏度水平的生物传感器

发布:laserline    |    2019-04-11 22:45    阅读:719
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瑞士和澳大利亚的研究人员将介电超表面物理和高光谱成像结合起来,创造了一个超灵敏、免标记的生物传感平台(Nat.Photon.,doi:10.1038 / s41566-019-0394-6)。据报道,该团队相信这种平台能够在空间浓度低于每平方微米三个分子的情况下检测和分析样本,最终能够为个性化医疗提供紧凑的便携式诊断。据研究人员称,它还可以为单原子厚度的二维材料(如石墨烯)的高通量、高分辨率光学特性提供一条途径,这正是推动这些大颗粒材料技术发展的关键要求。


瑞士和澳大利亚科学家展示的检测平台结合了高Q因子介电表面和高光谱成像技术,据报道可以检测每平方微米探测器上密度小于三个生物分子。[图像:EPFL ]

通过表面等离子体共振(表面上装饰有纳米级金属天线的亚波长浓度和光的放大)工作的传感器,在生物医学诊断领域已经有了悠久的历史。当细胞或生物分子与纳米结构结合时,它们以极小的量改变局部折射率,从而导致表面等离子体共振的峰值波长发生剧烈变化。可以读取这些波长变化来跟踪所研究的生物制剂的存在、浓度和生长。近年来,随着纳米制造技术的进步,人们越来越关注使用非金属、介电纳米颗粒和超表面来实现等离子体技术所实现的一些相同的光定位技术。特别是,使用电介质可以避免等离子体表面的一个特殊缺陷:这些基于金属的系统以热的形式耗散大量光能的趋势。已经证明了具有各种潜在纳米光子应用的非等离子体、介电超表面,其中许多超表面依赖于Mie型共振的物理特性,该物理特性允许根据纳米颗粒的几何结构和尺寸调整局部光学共振(见 “Meta-Optics with Mie Resonances,” OPN, January 2017)。

由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL) OSA成员Hatice Altug领导的一个团队在这项新研究中展示了介电生物传感器平台,该平台依赖于一种不同的共振,这种共振由所谓的连续介质中的束缚态(BICs)实现。BICs最初是量子力学的一个概念,它是局限在连续辐射波频谱内的有限波。(更准确地说,它们代表了量子力学中单粒子薛定谔方程的离散解,嵌入正能量态的连续体内。)原则上,这种束缚态将是完全局部化的,并且具有无限质量(Q)因子。实际上,对于器件设计,人们可以用数学方法设计出一个亚波长光学“超腔”,它支持一个具有极高Q值和极窄共振宽度的“准BIC”。

这项新研究背后的研究人员意识到,由于这些特性,利用这种超空腔BICs的表面将对局部折射率变化非常敏感,从而能够建立一个非常敏感的生物检测平台。所以他们开始准备建造一个。为了做到这一点,他们使用电子束光刻技术在100纳米厚的非晶态硅层(在熔融二氧化硅衬底上)上刻制了一个大约100纳米宽、280纳米长的倾斜硅“纳米柱”阵列。为了最大限度地利用准Bic态和它们在近红外区域所能产生的高Q因子和光谱隔离共振,对棒的具体结构和倾斜角进行了数学计算。这就建立了一个超表面,当用合适波长的激光照射时,该超表面会通过共振峰的变化,对由于附着在表面上的单个生物分子引起的折射率变化作出显著的反应。下一步,研究小组将这种介质超表面平台与另一项热门技术(高光谱成像)结合起来,对其进行了增强。为了从超表面传感器获取高光谱数据,研究小组使用超连续光谱激光源照射传感器,通过激光线可调谐滤波器扫描激光通过多个窄线宽频率。在每一个入射光频率下,一个高分辨率的CMOS相机捕捉传感器共振响应的新图像。然后将这些图像数据叠加在一起,形成一个高光谱“数据立方体”,对于图像中的数万个像素中的每一个,该立方体捕捉每个照明波长下的超表面光谱响应。研究人员称,使用“数据科学技术”将这些数据整合在一起,可以让他们在传感器上构建一个共振图,该共振图对由于存在单个生物分子而引起的共振位移高度敏感。

研究人员在涉及特定生物分子(来自小鼠免疫球蛋白G)的生物测试中测试了该系统。他们发现,该系统结合了超表面设计和数字处理技术,可以在探测器表面以每平方微米不到三个分子的密度检测分子,该研究小组称这次测试是史无前例的。研究小组注意到,该系统不需要使用实际的大型光谱仪就能提供高分辨率光谱数据,这有助于便携式个性化医疗诊断。在另一个实验中,研究小组研究了传感器作为二维材料分析平台的能力。研究人员将单层石墨烯(厚度仅为3.2埃)覆盖在超表面上,并且能够使用他们的高光谱方法来解析材料在3.3平方毫米面积上的光学性质。研究小组认为,高Q谐振介质超表面和高通量、基于成像的数据采集相结合,构成了“一个优越的多功能传感平台”。研究人员建议,利用替代材料、其他维度(如入射光偏振和机器学习)可以进一步扩大系统的灵活性,有可能使“生物医学应用领域可部署的高通量单分子探测器”称为可能。除了EPFL的科学家,该研究团队还包括来自澳大利亚国立大学的科学家。

来源: Optics Photonics

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