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Nano Res.│面向实现单分子检测的“被动型“和“主动型”表面等离子体共振传感增强技术

作者：Nano Research 2022-09-01

本篇文章版权为贾伯良博士所有，未经授权禁止转载。

背景介绍

等离子体共振（SPR/LSPR）是一种高灵敏度的实时传感技术，已经成为分子检测、生命科学和医药等领域的奠基技术之一。

该类传感器通常具有高灵敏和易集成等优势，在过去20-30年内取得了巨大的发展。然而，在实际应用层面却存在很多不足，比如需要较长的检测时间以及较高的检出限等。

于是增强型SPR检测芯片得到了越来越多的研究者的重视，其中，多种材料科学和微纳操控手段已经成为了主流的传感增强方式。本综述聚焦近10年新材料和微纳操控技术在SPR检测芯片的发展，通过“被动型”和“主动型”的分类，展示了增强型SPR在实现单分子检测领域所取得的成就以及未来挑战。

成果简介

本综述先阐述了“被动型”，即材料层面的增强原理，包括在被测介质中使用纳米颗粒标签来放大LSPR信号，以及在芯片基底采用信号增强型纳米结构（如EOT结构，SPR/LSPR等）。

主动型”区别于“被动型”的主要方面在于施加外力场作用于被检测的分子或颗粒，使其在被检区域聚集，从而提升检测灵敏度。本文展示了四大类微纳操控物理场在增强型SPR检测中的应用，包括电动力场、光场、磁场和超声场。

通过总结归纳“被动型”和“主动型”检测的优点，下一代SPR检测技术的主要目标将是在实际操作层面实现单分子检测。作者借此综述为广大学者提供多方面的资讯，希望能为他们取得更新颖、更有影响力的成果提供帮助。

图文导读

图1介绍了SPR传感器的主要原理，包括传播型SPR（PSPR）、局域型SPR（LSPR）以及非凡光传输型（EOT）。除了广为人知的PSPR和LSPR传感器，越来越多人开始关注EOT传感器的研究，并且在很多方面具有优于前者的表现，比如更高的通量和检测稳定性。

图1.SPR传感器的工作原理。（a）金属薄膜色散特征普；（b）等离子体激元在PSPR（左）和LSPR（右）结构上的激发示意图；（c）主要的SPR传感器工作原理：PSPR（左）、LSPR（中）和EOT（右）。

图2展示了最新“被动型”SPR传感器的发展，主要通过采用新型材料和新纳米结构来实现。比如通过使用碳基纳米片（a）和半导体材料（c）的基底涂层，或者反射多层（b）和（d）结构，多孔阵列EOT基底（f）和（g），可以显著增强SPR传感信号；再如使用形状增强型纳米标签（e）可以增强LSPR传感信号。

图2. “被动型”SPR传感器的案例展示。

图3-6展示了最新“主动型”SPR传感器的发展，依次是由电动力、纳米光镊、磁场和超声波场作为动力来源。其中电动力和光镊操控的精度最高，可以实现单分子抓取，但作用范围短，通常在几十纳米或上百纳米，而且操控效率极易受液体介质性质的影响；磁场和超声波操控的效率高，可操控样品的范围大，但缺乏精度。

图3. “主动型”SPR传感器的案例展示——电动力驱动。

图4. “主动型”SPR传感器的案例展示——光镊驱动。

图5. “主动型”SPR传感器的案例展示——磁场驱动。

图6. “主动型”SPR传感器的案例展示——超声波场驱动。

除此之外，文中还对信号放大材料（原文Table 1）、光热镊传感器性能（原为Table 2）以及磁性材料（原文Table 3）做了详细的对比和总结。

最后，作者总结了“被动型”与“主动型”增强技术的优点，并归纳集成技术路线，如图7所示。

图7. 下一代SPR传感器的展望。结合“主动型”和“被动型”技术的优点，提升近场传感、远场操控效果和效率，迈向单分子检测的目标。

作者简介

第一作者：贾伯良，2010年本科毕业于香港中文大学电子工程系，2011年取得生物医学工程硕士，2011-2016在公司进行电控生物芯片产品（BioMEMS）的研发工作，2014-2019年于香港城市大学机械工程系取得博士学位，研究方向为新型超分辨显微透镜的加工和应用，2019-2021年博士后研究继续该方向的工作，于2021年5月加入深圳大学物理与光电工程学院邵永红教授课题组，研究课题为结合光热/电动力学操控的表面等离子体共振（SPR）检测技术与应用。

通讯作者：陈嘉杰博士， 2012年于南开大学取得学士学位，2016年于香港中文大学取得博士学位，后分别于香港中文大学与加州大学圣地亚哥分校作为博士后研究。并曾在香港应用科技研究院任高级光学工程师职位。2019年11月入职深圳大学，受聘讲师与特聘副研究员职位，致力于纳米光热镊和SPR生物传感的新方法、新现象、新结构的研究。

通讯作者：邵永红教授，1996年本科毕业于长春理工大学物理系，2001年取得长春理工大学光学专业硕士学位，2004年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所取得博士学位，2007年5月入职深圳大学，主要从事非线性光学显微成像与SPR传感技术研究和仪器开发。

课题组招博士后聘信息：

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文章信息

Jia, B., Chen, J., Zhou, J. et al. Passively and actively enhanced surface plasmon resonance sensing strategies towards single molecular detection. Nano Res. (2022). https://doi.org/10.1007/s12274-022-4515-z