中山大学周建华/蔡暻煊团队MINE.：缺陷不敏感表面晶格共振阵列传感器的批量制备及免疫检测应用

表面晶格共振（SLR）传感器已被证明能降低等离子体共振的半峰全宽（FWHM）并提高传感灵敏度。然而，SLR结构对缺陷的敏感性高并且制备成本高，限制了其在免疫检测中的应用。近日，中山大学生物医学工程学院周建华教授（点击查看介绍）/蔡暻煊副教授（点击查看介绍）团队在Microsystems & Nanoengineering 期刊上发表了研究论文，设计了一种新型三层圆柱形SLR阵列并实现了其在免疫检测的应用。通过结合金属蒸镀与纳米压印光刻（NIL）技术，该文成功实现了高质量SLR阵列的复制和低成本制备。该阵列对结构缺陷具有高度容忍性，并能简化制备工艺。实验结果显示，这些阵列的FWHM低至5.1 nm。此外，该文还证明了SLR阵列具有高灵敏度，能够检测到浓度低至609 pg/mL的免疫球蛋白G（IgG）。

图1.不同结构缺陷类型(缺陷、鼓起和穹顶)SLR阵列与正常SLR阵列的模拟反射光谱对比。

该SLR阵列由三层结构组成：顶层为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）圆柱体，作为低折射率的电介质层；中间层为金层，提供等离子体源；底层为硅基底，提供支撑作用。为了评估设计SLR对常见缺陷的容忍度，该文采用时域有限差分法（FDTD）模拟了在NIL过程中可能遇到的缺陷类型，如断裂、鼓起和穹顶结构。模拟结果显示，在615 nm和841 nm处，不同缺陷的SLR阵列与正常的SLR阵列的共振峰峰位基本一致，表明该阵列对这些结构变化具有一定的容忍度。

图2. SLR阵列的制备与表征。

该论文采用改进的热NIL工艺实现了SLR阵列的成功制备。该文使用印章批量生产了一系列SLR阵列，且在印章和PMMA结构上均未发现明显缺陷。制备的SLR阵列实际反射光谱与模拟的反射光谱吻合良好。制备的SLR阵列的FWHM为5.1 ± 1.1 nm。扫描电子显微镜和反射光谱结果证明了SLR阵列的成功制备，并展现出优异的均匀性和可重复性。

图3. 基于SLR阵列的IgG检测。

该文使用传感器检测不同浓度的IgG评估了SLR阵列的生物传感性能。在检测过程中，随着IgG浓度的增加，SLR共振波谷发生红移。具体而言，随着IgG浓度从10增加到500 ng/mL，共振波谷平均红移范围从0.3增加到2.2 nm。SLR阵列传感器检测限低至609 pg/mL（即3.9 pM），其线性范围为10 ng/mL到100 ng/mL。为了评估SLR阵列传感器的选择性，该文还分别在相同条件下测量了细胞色素c（Cyt c）和心肌肌钙蛋白I（cTnI）。结果表明，IgG的捕获导致SLR共振波谷的红移最大，这验证了SLR阵列传感器对IgG检测的选择性。

小结

该工作设计了一种具有优良的制备缺陷容忍度高的SLR阵列，并在免疫测定领域中显示出广阔应用潜力。具体而言，该阵列采用三层圆柱结构，通过NIL技术制备。这种创新的结构设计显著提高了SLR阵列的批次间一致性。通过将金属蒸发技术与NIL技术相结合，该论文有效地实现了SLR阵列的大规模生产。尽管该工作中的SLR阵列制备步骤简单，但其仍有窄光谱共振峰的优良特性，其FWHM达到5.1 nm。基于SLR阵列的传感器在检测IgG时亦展现出了良好的检测能力，其检测限低至609 pg/mL。

中山大学生物医学工程学院是论文第一单位，中山大学生物医学工程学院博士后周斌和硕士研究生胡超是文章的共同第一作者，中山大学周建华和蔡暻煊副教授是论文的通讯作者。该研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家自然科学青年基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技计划、广东省传感技术与生物医学仪器重点实验室的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Defect-insensitive cylindrical surface lattice resonance array and its batch replication for enhanced immunoassay

Bin Zhou, Chao Hu, Haoyang Li, Xiangyi Ye, Baohua Wen, Zhangkai Zhou, Jingxuan Cai & Jianhua Zhou 

Microsyst. Nanoeng., 2024, 10, 168, DOI: 10.1038/s41378-024-00793-3

导师介绍

周建华

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

蔡暻煊

https://www.x-mol.com/university/faculty/345182