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，因此在各種應(yīng)用領(lǐng)域(例如環(huán)境傳感，醫(yī)學(xué)診斷，工業(yè)過(guò)程控制和國(guó)土安全)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

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)家在《光：科學(xué)與應(yīng)用》上發(fā)表了一篇論文，展示了一種新型的高性能可以利用液體的表面張力來(lái)濃縮和捕獲分析物分子的光學(xué)傳感器在器件結(jié)構(gòu)的最敏感位置處，因此顯著增強(qiáng)了靈敏度性能?；谶€具有納米級(jí)溝槽的金屬-絕緣體-金屬夾心結(jié)構(gòu)，當(dāng)溶液逐漸在傳感器表面上蒸發(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，并最終將沉淀的分析物分子捕獲在其中戰(zhàn)es。通過(guò)設(shè)計(jì)，這些溝槽中的光強(qiáng)度也大大提高，因此光與捕獲的分析物分子之間的相互作用也得到了極大的增強(qiáng)，即使在分析物質(zhì)量的皮克級(jí)，也導(dǎo)致了易于檢測(cè)到的光信號(hào)(即光吸收光譜的變化) 。

通常，不同的分子種類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來(lái)識(shí)別和量化檢測(cè)到的分子。盡管這種分子吸收本來(lái)就很弱，但是光學(xué)傳感器可以通過(guò)在設(shè)備表面上采用合適的納米結(jié)構(gòu)將光限制在很小的體積(所謂的熱點(diǎn))中，從而極大地增強(qiáng)分子吸收，從而導(dǎo)致很大的光強(qiáng)度。。這樣，在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，熱點(diǎn)中的每個(gè)分子都可以吸收比熱點(diǎn)之外的分子更多的光，這使得如果可能的話，可以以很高的可靠性測(cè)量非常少量的化學(xué)或生物物質(zhì)分子位于熱點(diǎn)。這種通用方法也稱為表面增強(qiáng)紅外吸收(SEIRA)。

但是，大多數(shù)SEIRA光學(xué)傳感器的關(guān)鍵問(wèn)題是，熱點(diǎn)僅占據(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)分布在設(shè)備表面，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。“如果大多數(shù)分析物分子可以傳遞到光學(xué)傳感器的熱點(diǎn)中，那么SEIRA信號(hào)將大得多。這是我們光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)恿Α?rdquo; 劉醫(yī)生說(shuō)。

“有一些技術(shù)，例如光鑷和介電泳，可以操縱小顆?；蚴仓练肿?，并將其傳送到熱點(diǎn)等目標(biāo)位置。但是，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)：“我們著手探索的裝置結(jié)構(gòu)可以以被動(dòng)(不需要能量輸入)和有效的方式將溶液中沉淀的分析物分子捕獲到熱點(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，相同類型的設(shè)備結(jié)構(gòu)還可以有效地將脂質(zhì)體顆粒(約100nm特征尺寸)捕獲在微小的溝槽中。這意味著可以優(yōu)化此類光學(xué)傳感器，以檢測(cè)和分析納米物體，例如病毒或外泌體，其大小與實(shí)驗(yàn)中使用的脂質(zhì)體相似。

科學(xué)家認(rèn)為，已證明的SEIRA光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)策略也可以應(yīng)用于其他類型的光學(xué)傳感器。除了傳感應(yīng)用之外，這種設(shè)備結(jié)構(gòu)還可以用于操縱納米級(jí)物體，包括外泌體，病毒和量子點(diǎn)。

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