光學(xué)傳感器可以通過測(cè)量和處理樣品產(chǎn)生的光信號(hào)來定量分析化學(xué)和生物樣品。基于紅外吸收光譜的光學(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，因此可以通過分析光譜中觀察到的吸收線來識(shí)別和量化檢測(cè)到的分子。盡管這種分子吸收本來就很弱，但是光學(xué)傳感器可以通過在設(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。

“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，而且使用起來也很復(fù)雜。 ” 劉博士補(bǔ)充說：“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)。

標(biāo)簽： 高靈敏度納米光子傳感器