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高灵敏度纳米光子传感器,在热点中被动捕获分析物分子
来源:传感器网 发表于 2023/1/10

上图:带有捕获分子的光学传感器设计示意图。下图:示意图显示了在溶液中浓缩和捕获分子的过程。图片来源:苗翔龙、闫玲月、吴云、刘玲玲、刘玲玲


光学传感器可以通过测量和处理样品产生的光信号来定量分析化学和生物样品。基于红外吸收光谱的光学传感器可以实时实现高灵敏度和选择性,因此在环境传感、医疗诊断、工业过程控制等各种应用领域发挥着至关重要的作用。


在《光:科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中,由纽约州立大学布法罗分校电气工程系的peter q. liu博士领导的一组科学家展示了一种新型的高性能光学传感器,该传感器可以利用液体的表面张力来浓缩和捕获分析物分子。 在器件结构敏感的位置,从而显著增强灵敏度性能。基于金属-绝缘体-金属夹层结构,该结构还具有纳米级沟槽,当溶液在传感器表面上逐渐蒸发时,传感器可以被动地将分析物溶液保留并浓缩在这些微小沟槽中,并将沉淀的分析物分子捕获在这些沟槽中。由于这些沟槽中的光强度通过设计也得到了高度增强,因此光与捕获的分析物分子之间的相互作用大大增强,即使在皮克级的分析物质量下,也能产生易于检测的光信号(即光吸收光谱的变化)。


一般来说,不同的分子种类以不同的频率吸收红外光,因此可以通过分析光谱中观察到的吸收线来识别和量化检测到的分子。虽然这种分子吸收本质上很弱,但光学传感器可以通过在器件表面使用合适的纳米结构来将光限制在非常小的体积(所谓的热点)中,从而大大增强分子吸收,从而导致非常大的光强度。在这样做的过程中,热点中的每个分子在给定的时间间隔内可以比热点外的分子吸收更多的光,这使得如果有足够的分子位于热点中,则可以高可靠性地测量非常少量的化学或生物物质。这种通用方法也称为表面增强红外吸收(seira)。


然而,对于大多数seira光学传感器来说,一个关键问题是热点只占据整个设备表面积的一小部分。另一方面,分析物分子通常随机分布在器件表面上,因此所有分析物分子中只有一小部分位于热点中并有助于增强光吸收。“如果大多数分析物分子可以传递到光学传感器的热点中,seira信号会大得多。这是我们光学传感器设计的关键动机。 刘博士说。


“有一些技术,如光镊和介电泳,可以操纵小颗粒甚至分子,并将它们输送到热点等目标位置。然而,这些技术需要大量的能量输入,而且使用起来也很复杂。 刘博士补充说:“我们着手探索的是一种装置结构,可以将溶液中沉淀的分析物分子以被动(不需要能量输入)和有效的方式捕获到热点中,我们意识到我们可以利用液体的表面张力来实现这一目标。


除了演示高灵敏度生物分子传感外,该团队还进行了另一组实验,结果表明,相同类型的器件结构也实现了对微小沟槽中脂质体颗粒(~100nm特征尺寸)的有效捕获。这意味着这种光学传感器可以优化用于检测和分析纳米物体,如病毒或外泌体,其大小与实验中使用的脂质体相似。


科学家们认为,所展示的seira光学传感器设计策略也可以应用于其他类型的光学传感器。除了传感应用外,这种器件结构还可用于操纵纳米级物体,包括外泌体、病毒和量子点。

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