中山大学蔡暻煊、周建华团队Adv. Sci.：基于图像传感的局域等离子体超表面的超灵敏度免疫检测取得重大进展

近日，中山大学蔡暻煊、周建华团队基于等离子体超表面和曲面全息光栅衍射成像，设计并制作出了一种新型超灵敏度等离子体超表面传感器，用于痕量生物分子的检测。相关研究成果发表于Advanced Science，中山大学生物医学工程学院硕士研究生吴明熙和李国华为论文共同第一作者，蔡暻煊助理教授和周建华教授为论文共同通讯作者。

图1. 基于成像分子检测方法的原型以及生物分子检测

集成化、低成本、高效益的光学设备用于痕量分子的高灵敏度检测，对医疗保健、污染物监测和爆炸物检测等应用具有重要意义。基于纳米光子的超表面传感器在分子检测方面一直受到广泛关注。其中，具有金属和介电纳米光子结构的超表面由于在亚波长范围内具有操纵光散射的独特能力，已成为许多纳米光子应用中很有前景的技术。超表面的亚波长光散射高度局限在纳米结构附近，并且对结构的几何形状和局部环境高度敏感，这使得它们非常适合用于附着在超表面纳米结构上薄层物质的折射传感。通常，光谱表征用于记录超表面的光谱变化，例如由附着物质引起的共振波长偏移。然而，当附着物质的量非常小时，需要高灵敏度和高分辨率光谱仪来记录物质引起的微小光谱位移。这类光谱仪通常体积庞大、价格昂贵且操作复杂，这阻碍了超表面在分子传感和许多其他日常检测场景中的应用。

该研究团队开发了一种基于成像的新型分子传感检测平台。此平台将低成本制备的一次性超表面与曲面全息光栅集成。曲面全息光栅将一次性超表面的透射光有效衍射，并利用单色相机捕获一次性超表面的一阶衍射条纹。在宽频光照射下，衍射图案随附着在超表面的分子发生变化，通过对衍射图案的成像和分析，用于微量分子的超灵敏、无标签、无光谱仪且经济高效地检测。研究结果指出，通过跟踪强度分布的像素偏移可以检测附着的微量分子，其灵敏度可达到2315 Pixel/RIU, 检测限为4.3×10⁻⁴ RIU，而且通过放大图像来捕捉更多的有效像素还可以进一步提升灵敏度。此外，还展示了一种实时检测IgG/抗IgG免疫复合物的形成过程；对IgG的检测限为0.6 pM。最后，研究者们还开发了一个基于LED和商用图像传感器的紧凑、经济高效的图像传感系统原型。

图2. 基于成像分子检测方法的原型以及生物分子检测

值得注意的是，超表面和全息光栅都是通过完全非真空的溶液加工制造，该工艺最大限度地降低了传感器的制造成本。研究中提出的基于成像的传感平台相较于传统光谱仪体积更小并且更具成本效益。进一步结合商用CMOS和LED光源，还可以继续优化这种基于成像的新型传感方案，从而实现同时多路检测并用于即时现场检测相关应用。

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Ultrasensitive Molecular Detection at Subpicomolar Concentrations by the Diffraction Pattern Imaging with Plasmonic Metasurfaces and Convex Holographic Gratings

Mingxi Wu#, Guohua Li#, Xiangyi Ye, Bin Zhou, Jianhua Zhou*, and Jingxuan Cai*

Adv. Sci., 2022, DOI: 10.1002/advs.202201682

导师介绍

周建华

https://www.x-mol.com/university/faculty/62331