中科院微电子所在表面等离激元光纤生化传感器方面取得进展

表面等离激元共振（SPR）光纤生化传感器因其体积小、抗干扰、高灵敏度、无标记、可实现远端检测等优势，在生化传感、即时现场检测（POCT）、环境监测等领域有着广泛的应用潜力。近日，微电子所健康电子中心路鑫超、黄成军课题组在SPR光纤传感器方面取得一系列重要进展。 

课题组基于等离子体—光子腔复合结构，实现了一种具有高灵敏度和稳定性的光纤生化传感器，如图1a所示，该光纤传感器主要由CVD制备的光子腔和自组装制备的等离子体金纳米颗粒构成，通过法布里—珀罗谐振腔干涉与局域SPR（LSPR）间的耦合共振构建了特征峰。研究结果表明，该传感器灵敏度达到530 nm/RIU，且对纳米颗粒间距波动不敏感，具有优秀的稳定性与重复性（DOI: 10.1016/j.snb.2022.132059）。基于该原理的光纤传感器，成功实现了对纳摩尔浓度的免疫球蛋白G（IgG）以及肿瘤标志物PD-L1的特异性实时检测（IEEE Transducers 2023）。 

课题组开发出一种三维光纤微结构传感方案，解决了传输SPR波矢匹配的难题。如图1b所示，在光纤端面集成微米尺寸圆台波导，通过横向波导限制及纵向圆台斜角共同调控入射波矢，高效激发传输SPR，实现了1439 nm/RIU的检测灵敏度。得益于光纤头上微米尺寸传感结构和蘸入—读取检出方式，该传感器可用于极小体积样品（如5 μL）的即时检测。实验表明，其对IgG检测极限为1.11 nM，为高时空分辨率的生化检测提供了一种新思路（DOI: 10.1016/j.snb.2023.133647）。 

课题组研发出一种基于LSPR暗模式光纤传感器，如图1c所示。该传感器由腐蚀得到的圆柱波导和侧壁吸附的金纳米颗粒阵列构成，通过金颗粒阵列极化耦合及圆柱波导光传输相差所致场迟滞效应，激发金颗粒阵列的暗模式。得益于暗模式的长等离激元寿命及极强局域场增强，实验获得了2019 nm/RIU的高灵敏度，比传统LSPR亮模式光纤传感器灵敏度提高了3至10倍（IEEE Transducers 2023）。 

基于上述光纤传感器，课题组针对传统SPR光纤传感器实际应用中依赖大尺寸光源及光谱仪的问题，进一步研制出一套以RGB LED为光源、光电二极管为探测器的小型化、便携式光纤传感系统。如图2所示，该系统尺寸为12 cm × 10 cm × 8 cm，重量仅为263 g，对IgG检测极限为9.1 nM，性能优于同类商业化小型SPR设备的检测结果（15.7 nM），成本降低了一个数量级以上。该工作为进一步促进SPR光纤生化传感技术的应用提供了一种可能的低成本途径（DOI: 10.1039/D3AN00028A）。 

上述研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委的项目支持。相关成果近期分别发表在传感器领域知名的国际期刊Sensors and Actuators B: Chemical和Analyst期刊上，并入选Analyst封面文章（图3），部分最新研究成果被传感器领域知名的国际会议Transducers 2023录用。微电子所博士研究生李鑫和王飞分别为文章的第一作者，微电子所黄成军研究员、路鑫超研究员、张灵倩副研究员、和刘虹遥副研究员分别为上述文章的通讯作者。 

图 1  三种表面等离激元光纤传感器 （a）等离子体-光子腔复合结构，（b）微型三维圆台结构，（c）圆柱波导激发暗模式结构 

图 2  小型化、便携式光纤传感系统及其生化检测性能（a）系统照片，（b）IgG检测的响应曲线 

图 3 入选Analyst期刊2023年第8期封面 

参考文献： 

1.    X. Li et al., Plasmonic-photonic hybrid configuration on optical fiber tip: Toward low-cost and miniaturized biosensing probe. Sensors and Actuators B: Chemical 367, 132059 (2022). 

2.    F. Wang et al., 3D fiber-probe surface plasmon resonance microsensor towards small volume sensing. Sensors and Actuators B: Chemical 384, 133647 (2023). 

3.    X. Li et al., A parylene-mediated plasmonic-photonic hybrid fiber-optic sensor and its instrumentation for miniaturized and self-referenced biosensing. Analyst 148, 1672-1681 (2023).