新型光学生物传感器研究进展

周霁洋,陈震,刘志刚,刘展彤,马季*

辽宁石油化工大学 理学院

光学生物传感器因成本低、响应速度快、检测灵敏度高、实时检测和小型化等优势在健康产业需求方面表现出巨大潜力。本文主要介绍了主流的纳米等离子体生物传感理论。归纳了纳米等离子体生物传感器的自下而上和自上而下的纳米制造方法。讨论了纳米等离子体生物传感在临床转化方面的机遇与挑战。

关键词：无标记传感；表面波；传感器

目前,全球生物传感市场估值约为500亿美元，且将以6%的年增长率增长。医疗行业日益增长的需求集中在护理点临床筛查、疾病实时诊断和个性化治疗上。为满足这一需求，生物传感器技术专注于具有高灵敏度和实时检测能力且低成本、快速、便携的自动化系统。尽管现有的成功检测方法很多，但在消除每种方法的缺点方面总是有改进的余地。在众多生物传感器中，光学生物传感器以其快速、无损和具有成本效益的多路复用等优势脱颖而出[1]。

等离子体激元主要指一种在电介质和金属交界面上激发的集体自由电子振荡。电子的这种集体振荡被称为表面等离子体共振（SPR）。SPR具有表面受限、近场增强、可突破衍射极限等优点。SPR的激发可以利用组成材料的几何参数和色散特性来设计[2-4]。随着纳米光子学的快速发展，SPR机制可以应用在光电子学，与当前生物传感领域的小型化需求相吻合。基于SPR的生物传感器利用贵金属薄膜作为激发表面，在该结构中，入射光场激发金属和电介质交界面中传播的表面电子形成表面等离子体基元。它在电介质层中表现为快速衰减的倏逝场，而这又极易受到周围环境折射率变化的影响。基于这种折射率敏感性可实现高灵敏度和低检测限传感。

作为SPR的替代方案，小于入射光波长的金属纳米结构可以支持金属–电介质界面中自由电子的局部受限非传播集体谐波振荡。这种现象被称为局域表面等离子体共振（LSPR）。与SPR相比，LSPR可以在界面附近提供高度受限和增强的电场，且具有更快的倏逝场衰减，也因此高度受限。LSPR不需要棱镜或角度检测等耦合元件,支持LSPR的纳米结构的强散射和吸收系数消除了对光学耦合元件或偏振限制的需要[5]。LSPR 光谱偏移可以是几十纳米，因此即使是肉眼也可以检测到。与 SPR 相比，由于 10–30 nm 的场衰减长度较短，LSPR 可以提供更高的表面灵敏度，同时对体 RI 变化和对流温度波动不敏感。因此，基于 LSPR 的生物传感系统可以跟踪其表面附近的分析物，而不会干扰分析物溶液中的远处分子。

此外，超常光传输（EOT）是另一种传感机制，它起源于入射光子与周期性纳米孔阵列的相互作用[6-8]。EOT将传播SPR和LSPR结合在一个几何体中。周期性阵列就像一个光栅，将入射光的动量与表面等离子体激元相匹配。纳米孔充当反向空心纳米结构，将传入的电磁场限制在其周长内，因为在静电近似下，介电介质中的金属纳米结构可以与金属介质中的空心或介电纳米结构互换。这样，EOT 不需要复杂的光学器件，并且可以用非偏振光激发。

自下向上的制造技术：为了满足临床应用标准和取代传统技术，现代无标记生物传感器需要克服可分级性、多重测量能力和生物样品相容性等重大挑战。基于自组装的制造方法比大多数自上而下的制造方法(如电子束光刻法)具有更低的成本和更高的可扩展性。在基于自组装的制造中，各种组装块被用来通过诸如相互作用控制、模板辅助自组装和胶体光刻等策略来创建等离子体生物传感器。在相互作用控制和模板辅助的自组装方法中，构件通常是直接作为传感器的金属纳米粒子。在胶体光刻技术中，利用组装好的纳米粒子作为支架制作传感器。

自上而下的制造技术：洁净室制造技术包括具有光刻的基板图案化步骤，图案化基板上的材料沉积以及剥离或蚀刻过程。这些步骤根据结构和装置设计交替或重复。有效的纳米制造需要高空间分辨率、低成本、无缺陷的纳米结构生成。因此，光刻技术是获得光滑结构的最关键的步骤之一。光刻技术是半导体器件工业中最常用的制造技术之一，而光刻技术的空间分辨率受光衍射的限制。此外，由光的波长依赖性衍射引起的光掩膜与衬底之间的间隙在衍射中起着关键作用。电子束光刻、聚焦离子束光刻、激光干涉光刻、纳米压印光刻、纳米圈光刻和深紫外光刻方法，可以减轻经典光刻技术的局限性。这些方法是自上而下的光刻技术，必须实现各种等离子体共振的激发，如LSPR，Tamm，和Fano。等离子体共振非常依赖于电磁场与光刻参数的相互作用，如结构模式、尺度、形状、尺寸和交替材料（即布拉格镜型结构）的分布。

在本文，我们从三个方面介绍了纳米等离子体生物传感技术。SPR、LSPR和EOT的折射率传感是纳米等离子体传感器设计方面的重要基础，关键技术在于纳米结构几何形状，检测方案在性能参数方面的优势和局限性以及材料的选择。讨论了从低成本的自下而上方法到工业化的自上而下方法，总结了纳米等离子体生物传感应用中的主流制备方案。

参考文献

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辽宁石油化工大学生创新创业训练计划项目：基于一维光子晶体的光学生物传感器研究，项目编号：2021101480016