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- 高靈敏度納米光子傳感器，在熱點(diǎn)中被動(dòng)捕獲分析物分子
- 來(lái)源：傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2023/1/10
上圖：帶有捕獲分子的光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)示意圖。下圖：示意圖顯示了在溶液中濃縮和捕獲分子的過(guò)程。圖片來(lái)源：苗翔龍、閆玲月、吳云、劉玲玲、劉玲玲
光學(xué)傳感器可以通過(guò)測(cè)量和處理樣品產(chǎn)生的光信號(hào)來(lái)定量分析化學(xué)和生物樣品�；诩t外吸收光譜的光學(xué)傳感器可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和選擇性，因此在環(huán)境傳感、醫(yī)療診斷、工業(yè)過(guò)程控制等各種應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
在《光：科學(xué)與應(yīng)用》雜志上發(fā)表的一篇新論文中，由紐約州立大學(xué)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(xué)家展示了一種新型的高性能光學(xué)傳感器，該傳感器可以利用液體的表面張力來(lái)濃縮和捕獲分析物分子。 在器件結(jié)構(gòu)敏感的位置，從而顯著增強(qiáng)靈敏度性能�；诮饘�-絕緣體-金屬夾層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)還具有納米級(jí)溝槽，當(dāng)溶液在傳感器表面上逐漸蒸發(fā)時(shí)，傳感器可以被動(dòng)地將分析物溶液保留并濃縮在這些微小溝槽中，并將沉淀的分析物分子捕獲在這些溝槽中。由于這些溝槽中的光強(qiáng)度通過(guò)設(shè)計(jì)也得到了高度增強(qiáng)，因此光與捕獲的分析物分子之間的相互作用大大增強(qiáng)，即使在皮克級(jí)的分析物質(zhì)量下，也能產(chǎn)生易于檢測(cè)的光信號(hào)（即光吸收光譜的變化）。
一般來(lái)說(shuō)，不同的分子種類(lèi)以不同的頻率吸收紅外光，因此可以通過(guò)分析光譜中觀察到的吸收線(xiàn)來(lái)識(shí)別和量化檢測(cè)到的分子。雖然這種分子吸收本質(zhì)上很弱，但光學(xué)傳感器可以通過(guò)在器件表面使用合適的納米結(jié)構(gòu)來(lái)將光限制在非常小的體積（所謂的熱點(diǎn)）中，從而大大增強(qiáng)分子吸收，從而導(dǎo)致非常大的光強(qiáng)度。在這樣做的過(guò)程中，熱點(diǎn)中的每個(gè)分子在給定的時(shí)間間隔內(nèi)可以比熱點(diǎn)外的分子吸收更多的光，這使得如果有足夠的分子位于熱點(diǎn)中，則可以高可靠性地測(cè)量非常少量的化學(xué)或生物物質(zhì)。這種通用方法也稱(chēng)為表面增強(qiáng)紅外吸收（SEIRA）。
然而，對(duì)于大多數(shù)SEIRA光學(xué)傳感器來(lái)說(shuō)，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是熱點(diǎn)只占據(jù)整個(gè)設(shè)備表面積的一小部分。另一方面，分析物分子通常隨機(jī)分布在器件表面上，因此所有分析物分子中只有一小部分位于熱點(diǎn)中并有助于增強(qiáng)光吸收�！叭绻蠖鄶�(shù)分析物分子可以傳遞到光學(xué)傳感器的熱點(diǎn)中，SEIRA信號(hào)會(huì)大得多。這是我們光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵動(dòng)機(jī)。 劉博士說(shuō)。
“有一些技術(shù)，如光鑷和介電泳，可以操縱小顆粒甚至分子，并將它們輸送到熱點(diǎn)等目標(biāo)位置。然而，這些技術(shù)需要大量的能量輸入，而且使用起來(lái)也很復(fù)雜。 劉博士補(bǔ)充說(shuō)：“我們著手探索的是一種裝置結(jié)構(gòu)，可以將溶液中沉淀的分析物分子以被動(dòng)（不需要能量輸入）和有效的方式捕獲到熱點(diǎn)中，我們意識(shí)到我們可以利用液體的表面張力來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
除了演示高靈敏度生物分子傳感外，該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了另一組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，相同類(lèi)型的器件結(jié)構(gòu)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小溝槽中脂質(zhì)體顆粒（~100nm特征尺寸）的有效捕獲。這意味著這種光學(xué)傳感器可以?xún)?yōu)化用于檢測(cè)和分析納米物體，如病毒或外泌體，其大小與實(shí)驗(yàn)中使用的脂質(zhì)體相似。
科學(xué)家們認(rèn)為，所展示的SEIRA光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)策略也可以應(yīng)用于其他類(lèi)型的光學(xué)傳感器。除了傳感應(yīng)用外，這種器件結(jié)構(gòu)還可用于操縱納米級(jí)物體，包括外泌體、病毒和量子點(diǎn)。
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