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上圖：帶有捕獲分子的光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)示意圖。下圖：示意圖顯示了在溶液中濃縮和捕獲分子的過程。圖片來源：苗翔龍、閆玲月、吳云、劉玲玲、劉玲玲

光學(xué)傳感器可以通過測量和處理樣品產(chǎn)生的光信號來定量分析化學(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，因此在環(huán)境傳感、醫(yī)療診斷、工業(yè)過程控制等各種應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

在《光：科學(xué)與應(yīng)用》雜志上發(fā)表的一篇新論文中，由紐約州立大學(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)家展示了一種新型的高性能光學(xué)傳感器，該傳感器可以利用液體的表面張力來濃縮和捕獲分析物分子。 在器件結(jié)構(gòu)敏感的位置，從而顯著增強(qiáng)靈敏度性能。基于金屬-絕緣體-金屬夾層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)還具有納米級溝槽，當(dāng)溶液在傳感器表面上逐漸蒸發(fā)時(shí)，傳感器可以被動地將分析物溶液保留并濃縮在這些微小溝槽中，并將沉淀的分析物分子捕獲在這些溝槽中。由于這些溝槽中的光強(qiáng)度通過設(shè)計(jì)也得到了高度增強(qiáng)，因此光與捕獲的分析物分子之間的相互作用大大增強(qiáng)，即使在皮克級的分析物質(zhì)量下，也能產(chǎn)生易于檢測的光信號（即光吸收光譜的變化）。

一般來說，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別和量化檢測到的分子。雖然這種分子吸收本質(zhì)上很弱，但光學(xué)傳感器可以通過在器件表面使用合適的納米結(jié)構(gòu)來將光限制在非常小的體積（所謂的熱點(diǎn)）中，從而大大增強(qiáng)分子吸收，從而導(dǎo)致非常大的光強(qiáng)度。在這樣做的過程中，熱點(diǎn)中的每個(gè)分子在給定的時(shí)間間隔內(nèi)可以比熱點(diǎn)外的分子吸收更多的光，這使得如果有足夠的分子位于熱點(diǎn)中，則可以高可靠性地測量非常少量的化學(xué)或生物物質(zhì)。這種通用方法也稱為表面增強(qiáng)紅外吸收（SEIRA）。

然而，對于大多數(shù)SEIRA光學(xué)傳感器來說，一個(gè)關(guān)鍵問題是熱點(diǎn)只占據(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)分布在器件表面上，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，SEIRA信號會大得多。這是我們光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵動機(jī)。 劉博士說。

“有一些技術(shù)，如光鑷和介電泳，可以操縱小顆粒甚至分子，并將它們輸送到熱點(diǎn)等目標(biāo)位置。然而，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：“我們著手探索的是一種裝置結(jié)構(gòu)，可以將溶液中沉淀的分析物分子以被動（不需要能量輸入）和有效的方式捕獲到熱點(diǎn)中，我們意識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，相同類型的器件結(jié)構(gòu)也實(shí)現(xiàn)了對微小溝槽中脂質(zhì)體顆粒（~100nm特征尺寸）的有效捕獲。這意味著這種光學(xué)傳感器可以優(yōu)化用于檢測和分析納米物體，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)家們認(rèn)為，所展示的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)用外，這種器件結(jié)構(gòu)還可用于操縱納米級物體，包括外泌體、病毒和量子點(diǎn)。