全介質超表面近場增強新突破--非局域準束縛態提升生物傳感性能

　　【儀表網 研發快訊】長期以來，光學傳感技術在生物醫學、環境監測等領域的應用中面臨著靈敏度不足的挑戰?，F有的包括等離激元共振(SPR)在內的多種技術在提升傳感性能方面取得了一定進展，但仍存在諸多限制，如容易產生熱、靈敏度不夠高等問題。
 

　　近日，中國科學院深圳先進技術研究院李光元和劉運輝研究團隊在全介電超表面的研究中取得重要進展。該團隊的研究成果以“Homogeneous and Significant Near-Field Enhancement in All-Dielectric Metasurfaces”為題發表在光學材料領域權威期刊《先進光學材料》(Advanced Optical Materials)上，并入選了雜志當期內封面論文(Inside Front Cover)。這項研究開發了一種通過全介電超表面實現均勻且顯著的近場增強新方法，為高靈敏度的光學生物傳感應用提供新的解決方案。
 

文章上線截圖
 

　　全介電超表面憑借其高品質因數(Q因數)、大近場增強能力和不易產生熱，成為了光學傳感應用中的一個新平臺。然而，傳統的全介電超表面在增強近場時，往往將光場束縛于介電納米結構內部，而非外部的待傳感區域，從而嚴重限制了體折射率靈敏度和生物傳感性能。
 

　　本研究通過設計一種由兩個相對位移的晶格復用形成的硅基超表面，利用兩個表面晶格共振模式之間的干涉相消實現了非局域準束縛態(nonlocal q-BICs)，在硅納米柱外的大體積區域內產生了均勻且顯著的近場增強。實驗結果表明，該方法在折射率傳感應用中實現了407 nm/RIU的高體折射率傳感靈敏度，并在早期乳腺癌篩查中對蛋白質生物標志物的檢出限達到了20 pg/mL，比目前的技術水平提高了35倍。
 

新方法在ERBB2的檢測限度達到了20 pg/mL，比現有技術提高了35倍
 

　　通過利用表面晶格共振之間干涉相消形成的非局域性q-BIC，這項研究成功地克服了傳統的高Q值表面晶格共振對均勻介電環境的苛刻要求，從而大幅提升了在非均勻介電環境下超表面的Q因數和近場增強能力。這種設計不僅在理論上達到了478 nm/RIU的折射率靈敏度，在實驗中也實現了407 nm/RIU的高靈敏度，遠遠超越了絕大多數全介電超表面的q-BICs。
 

　　兩個相對位移的晶格雜化形成的硅基超表面，實現非局域準束縛態(q-BICs)，在硅納米柱外部區域內產生均勻且顯著的近場增強
 

　　該研究的成功為大體積區域內實現顯著的光-物質相互作用提供了新機遇，具有廣泛的應用潛力，不僅局限于生化傳感，還可能擴展到包括熒光增強在內的其他領域。非局域q-BICs的這一突破性進展將推動高性能光學芯片傳感技術的發展，并為下一代光傳感芯片的設計提供重要參考。
 

　　李光元副研究員和劉運輝副研究員為本文的共同通訊作者。這項研究獲得了國家自然科學基金、深圳市醫學研究專項資金、深圳市基礎研究重點項目等項目的支持。