智能手机推动等离激元传感技术发展,助力便携化健康检测

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为实现健康检测的便携化,研究者提出了众多方案,尝试将基于光学的微纳生化传感器,特别是等离激元传感器与手机结合。

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  随着信息时代的到来,人们单靠自身的感觉器官从外界获取信息、发现自然现象和规律是远远不够的。为了适应各种需求,传感检测技术已经成为日常生产和生活中最为广泛和最为重要的信息获取手段。等离激元传感技术,作为一种从20 世纪90 年代发展起来的新型光学检测技术,已经为环境检测、健康监测、生化分析等领域注入了新的活力,尤其在促进生命科学、化学和材料等学科的发展方面有着广泛的应用前景。

智能手机推动等离激元传感技术发展,助力便携化健康检测

局域表面等离激元

  等离激元是一种表面波,其本质是金属与介质分界面上光与自由电子之间相互作用而引起的电磁振荡,具有短波长、近场增强、表面局域等特性。人们利用等离激元的局部电磁场对周围介质敏感的特性建立了表面等离激元传感技术。

  目前基于该技术发展起来的光学检测技术,已经成为定性测量生物分子相互作用的重要手段。与传统的生物检测技术相比,等离激元生化传感器主要具有以下优点:样品无需标记;灵敏度高、背景干扰小;实时监测生物分子之间反应的动态过程;待测物无需纯化。

  如今,智能手机迅猛发展普及,已成成为人们日常生活中不可或缺的一部分。同时,作为集通讯、计算、光学成像等功能为一体的便携工具,智能手机也为实现各类便携式的健康检测装置,为家庭或边远地区提供快速、便捷、高质量的健康服务提供了可能。

  目前,等离激元由于其异常的光学特性在高灵敏度传感领域有着广泛的应用前景。为实现健康检测的便携化,研究者提出了众多方案,尝试将基于光学的微纳生化传感器,特别是等离激元传感器与手机结合。从前,由于传统等离激元传感器的数据的高精度读取依赖于光谱或者角谱测量,需要较为复杂的读出装置,限制了最终设备的小型化。现在,等离激元传感器的出现为实现低成本、小型化和集成化的表面等离激元传感器提供了一条有效的解决途径。

智能手机推动等离激元传感技术发展,助力便携化健康检测

渐变图案等离激元传感器的光学与电镜照片,以及手机读取装置的示意图

  日前,南京大学现代工程与应用科学学院张伟华教授课题组和鲁振达教授课题组合作,发展了一种渐变图案等离激元传感器(PPG)。该传感器可将局域折射率信息转换为二维图像信息,即共振环的尺寸,从而可直接使用智能手机的拍照功能读出数据。

智能手机推动等离激元传感技术发展,助力便携化健康检测

(a)渐变图案等离激元传感器的共振环大小与折射率的倒数成正比关系,(b)痕量蛋白分子样品(20 μL, ~10 nM)的特异性吸附实验

       实验结果显示,PPG传感器的折射率测量精度优于< 0.001RIU,可实时检测到痕量(20 μL, ~10 nM)蛋白质的吸附过程(检测限在~1 nM)。目前,该PPG传感器的设计已获得发明专利授权。

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