超材料（Metamaterials）是一種由大量亞波長結構單元組成的人工電磁材料。通過精心設計結構單元的幾何形狀和排布方式，超材料對于電磁波的遠近場調控都展示出前所未有的靈活性，實現了負折射、完美成像、電磁隱身等一系列超常物理特性，在材料學、電磁學等不同領域中都引起了人們的廣泛關注。尤其，超材料能夠在其表面支持顯著的局域場增強，對周圍介電環境的變化極其敏感，在無標記光學生物傳感領域具有重要應用前景。光學生物傳感器可實現生物分子及其相互作用的快速無損檢測，對于疾病的早期診斷、生物醫藥研究以及環境監測等方面都具有重要意義。傳統的光學生物傳感器主要基于表面等離子體共振（金膜等）和局域表面等離子體共振（金納米顆粒等）兩種機理，往往面臨著體積龐大、靈敏度不足、功能單一等缺點，難以滿足日益復雜的實際應用需求。而超材料生物傳感器能夠支持更加豐富的電磁模態，具有更加優異的靈敏度，易于小型化和集成化，而且在功能設計上更具靈活性，是發展下一代高性能生物傳感芯片的重要方案之一。

    近日，北京科技大學新材料技術研究院白洋教授課題組在《材料工程》期刊上發表了題為“基于超材料的無標記光學生物傳感器”的綜述文章。該綜述從超材料的工作頻帶出發，分別總結了可見光與近紅外、中紅外、以及太赫茲波段超材料生物傳感器的研究進展，包括折射率生物傳感、表面增強拉曼散射、表面增強紅外吸收和太赫茲生物傳感等（圖（1））。最后，文章對于超材料生物傳感器未來發展趨勢提出了幾點思考，包括探索新的傳感機理、設計多功能生物傳感器以及結合人工智能技術等。

圖1 基于超材料的無標記光學生物傳感器

1 可見光與近紅外波段超材料生物傳感器

    可見光與近紅外波段超材料生物傳感器主要用于折射率生物傳感，能夠對生物分子及其相互作用進行高靈敏檢測。在過去的十幾年內，研究者們提出了一系列基于法諾共振超材料、雙曲超材料、拓撲暗點等離子體超材料以及表面增強拉曼散射超材料等來構建新型無標記光學生物傳感器（圖2），有效提高了光學生物傳感器的靈敏度和品質因數，實現了較低的濃度檢測極限。

圖2  可見光與近紅外波段超材料生物傳感器

（a）由光學“亮”偶極天線和光學“暗”四極天線組成的法諾共振超材料；（b）光柵耦合雙曲超材料；（c）能夠實現拓撲暗點的自組裝核殼等離子體超材料；（d）用于表面增強拉曼散射的開口諧振環超材料

2 中紅外波段超材料生物傳感器

    中紅外光譜對應著多種生物分子的特征振動指紋。通過獲取這種振動指紋，中紅外光譜能夠以非破壞、無標簽方式提供生物分子精細的生化信息，適合于檢測、識別多種不同種類的生物分子。然而，由于中紅外波長（2~6 μm）與生物分子尺寸（<10 nm）之間的巨大尺度失配，使得振動吸收信號非常微弱。當檢測納米樣品、生物膜或表面結合分子數量較少時，中紅外光譜的檢測靈敏度較低，而采用表面增強紅外吸收可有效克服這一局限。當亞波長諧振器的諧振峰與分子振動指紋重疊時，局域增強的電場可以增強分子與諧振器之間的耦合，導致諧振頻率和強度的變化，從而提取分子指紋。這一方法已在多種金屬基超材料、石墨烯超材料和介質基超表面中實現并用于生物信息檢測（圖3）。

圖3中紅外波段超材料生物傳感器

（a）同軸納米孔超材料；（b）雙諧振峰等離子體超材料；（c）石墨烯納米帶超材料及其（d）表面電場局域示意圖；（e）用于分子指紋成像檢測的介質基超表面

3 太赫茲波段超材料生物傳感器

    太赫茲波位于紅外光和微波輻射之間，包含了大量與生物分子（蛋白質、DNA等）振動及轉動相關的光譜信息，在其發展之初即受到了廣大研究者的重視。且與其他光學技術（紫外線、X射線等）相比，它的非侵入性和非電離性允許太赫茲技術被用來檢測細胞和組織等更為復雜的結構生物材料，而不必擔心熱波動或其他非線性副作用的影響。然而，由于生物分子在太赫茲波段的吸收截面過小，與電磁波的相互作用較弱，使得光譜信號的變化微弱，給檢測帶來了很大難度。近年來，為了提高生物傳感器的檢測靈敏度，基于超材料生物傳感芯片的太赫茲檢測技術已相繼被開發。基于局域表面等離子體共振、法諾共振以及環偶極子共振的太赫茲超材料可以有效增加分子吸收截面，能夠用于碳水化合物、化學混合物、薄樣品層和微生物等試樣的高靈敏檢測（圖（4））。

圖4太赫茲波段超材料生物傳感器

（a）紙基平面超材料；（b）與微流體技術集成的等離子體超材料；（c）環形偶極子超材料；（d）納米天線陣列超材料

    在總結了可見光與近紅外、中紅外、以及太赫茲波段超材料生物傳感器的研究進展之后，文章對于超材料生物傳感器未來發展趨勢提出了以下四點：（1）探索新的傳感機理（如環形偶極子超材料的引入），進一步提高器件靈敏度；（2）超材料多功能生物傳感器的設計（如中紅外波段生物分子指紋成像檢測），實現多功能集成；（3）低成本、一次性使用的超材料生物傳感器設計（如紙基平面超材料），方便個人的臨床診斷；（4）結合人工智能技術，實現高通量智能化生物分子檢測等。

    綜上所述，超材料靈活的結構設計和豐富的電磁模態，為生物傳感器賦予了更多的可能性，將在未來小型化、集成化的高性能生物傳感芯片中發揮重要作用。

原文出處：

基于超材料的無標記光學生物傳感（點擊“題目”可鏈接全文）

陶承東，劉傳寶，李揚，喬利杰，周濟，白洋

2021, 49 (4): 1-12.   

DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000990

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