具有高灵敏度的纳米光子传感器,可被动捕获热点中的分析物分子

该传感器可以利用液体的表面张力进行浓缩并在设备结构的最敏感位置捕获分析物分子,从而显着提高灵敏度性能。

  光学传感器可以通过测量和处理样品产生的光信号来定量分析化学和生物样品。基于红外吸收光谱的光学传感器可以实时实现高灵敏度和选择性,因此在诸如环境传感,医学诊断,工业过程控制和国土安全等各种应用领域中发挥着至关重要的作用。

  在《光:科学与应用》发表的一篇新论文中,由纽约州立大学布法罗分校电气工程系的Peter Q.Liu博士领导的一组科学家展示了一种新型的高性能光学传感器,该传感器可以利用液体的表面张力进行浓缩并在设备结构的最敏感位置捕获分析物分子,从而显着提高灵敏度性能。基于还具有纳米级沟槽的金属-绝缘体-金属夹心结构,当溶液逐渐在传感器表面上蒸发时,传感器可以被动地将分析物溶液保留并浓缩在这些微小沟槽中,并最终将沉淀的分析物分子捕获在其中战es。通过设计,这些沟槽的光强度也大大提高。

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  通常,不同的分子种类以不同的频率吸收红外光,因此可以通过分析光谱中观察到的吸收线来识别和量化检测到的分子。尽管这种分子吸收本来就很弱,但是光学传感器可以通过在设备表面上采用合适的纳米结构将光限制在很小的体积(所谓的热点)中,从而极大地增强分子吸收,从而导致很大的光强度。这样,在给定的时间间隔内,热点中的每个分子都可以吸收比热点之外的分子更多的光,这使得如果可能的话,可以以很高的可靠性测量非常少量的化学或生物物质分子位于热点。

  但是,大多数SEIRA光学传感器的关键问题是,热点仅占据整个设备表面积的一小部分。另一方面,分析物分子通常随机分布在设备表面,因此所有分析物分子中只有一小部分位于热点中,并有助于增强光吸收。“如果大多数分析物分子可以传递到光学传感器的热点中,那么SEIRA信号将大得多。这是我们光学传感器设计的主要动机。”刘博士说。

  “有一些技术,例如光镊和介电泳,可以操纵小颗粒或什至分子,然后将它们传送到热点等目标位置。但是,这些技术需要大量的能量输入,而且使用起来也很复杂。”刘博士补充说:“我们着手探索的装置结构可以以被动(不需要能量输入)和有效的方式将溶液中沉淀的分析物分子捕获到热点中,我们意识到我们可以利用液体的表面张力来实现这一目标。”

  除了演示高灵敏度生物分子传感外,该团队还进行了另一组实验,结果表明,相同类型的器件结构还可以有效捕获脂质体颗粒(特征尺寸约100nm)。这意味着可以优化此类光学传感器,以检测和分析纳米物体,例如病毒或外泌体,其大小与实验中使用的脂质体相似。

  科学家认为,已证明的SEIRA光学传感器设计策略也可以应用于其他类型的光学传感器。除了传感应用之外,这种设备结构还可以用于操纵纳米级物体,包括外泌体,病毒和量子点。

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