Science头条：用于分子检测的超表面技术

【引言】

中红外光谱对于传感是必不可少的，其直接表征该光谱范围特有的化学特异性的分子结构，也是一种功能强大的非破坏性和无标签技术，用于鉴定生物化学结构单元，包括蛋白质，脂质和DNA。然而，由于中红外波长与分子尺寸之间的不匹配，中红外光谱在检测纳米级样品、生物膜或少量表面结合分子时受到限制。纳米光子学可以通过利用亚波长谐振器的强近场增强来克服这个限制。当共振与吸收指纹在光谱上重叠时，增强的分子-谐振器耦合可以导致共振的频率或强度的变化，从中可以提取分子指纹。然而，由于电阻损耗造成的低Q（品质因数）共振的固有限制，所实现的性能仍然远非理想的。

【成果简介】

近日，在瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Hatice Altug教授的带领下，与澳大利亚国立大学合作，报告了一种基于全介电高Q超表面元素的中红外纳米光电传感器。该团队设计的超表面中的高Q共振利用了Mie共振的集合行为，它可以被认为是由连续谱中束缚态物理所驱动的超空泡模式。此外，设计的高Q共振频谱清晰无需额外的共振背景，允许高光谱选择性增强富含光谱的分子指纹信息。具体而言，团队实现了一个高Q值的二维阵列，其中各个元像素的共振位置在中红外指纹范围内线性变化。这种构造允许将每个共振位置分配给变换表面的特定像素，从而建立光谱和空间信息之间的一对一映射。通过比较涂覆目标分析物分子前后这种空间编码的振动信息的基于成像的读出，证明了化学特性的分子条形码适用于化学鉴定和成分分析。相关成果以题为“Metasurfaces for molecular detection”发表在了Science上。

【图文导读】

图1 用像素化介质变换表面进行分子指纹检测

图2 像素化曲面的实现

图3 分子指纹检索和空间吸收映射

图4 基于成像的化学鉴定和成分分析

 【小结】

该团队的纳米光子技术提供了红外吸收光谱的前景。基于Si的像素化转换表面与用于低成本晶圆级传感器制造的CMOS技术兼容，可以与最先进的表面功能化技术相结合，用于更复杂的生物测定。通过减小谐振器的方位角可以进一步改善表面的灵敏度和Q因子。另外，通过使用更复杂的元原子设计，可以实现更强的近场增强。用此法获得的分子条形码为先进的图像分析提供了独特的可能性，为多功能和敏感的小型化中红外光谱设备铺平了道路。

 文献链接：Metasurfaces for molecular detection（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aas9768）

本文由材料人编辑部学术组木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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