長(zhǎng)期以來(lái)，光學(xué)傳感技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用中面臨著靈敏度不足的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的包括等離激元共振（SPR）在內(nèi)的多種技術(shù)在提升傳感性能方面取得了一定進(jìn)展，但仍存在諸多限制，如容易產(chǎn)生熱、靈敏度不夠高等問(wèn)題。
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院李光元和劉運(yùn)輝研究團(tuán)隊(duì)在全介電超表面的研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)的研究成果以“Homogeneous and Significant Near-Field Enhancement in All-Dielectric Metasurfaces”為題發(fā)表在光學(xué)材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《先進(jìn)光學(xué)材料》（Advanced Optical Materials）上，并入選了雜志當(dāng)期內(nèi)封面論文（Inside Front Cover）。這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)全介電超表面實(shí)現(xiàn)均勻且顯著的近場(chǎng)增強(qiáng)新方法，為高靈敏度的光學(xué)生物傳感應(yīng)用提供新的解決方案。
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全介電超表面憑借其高品質(zhì)因數(shù)（Q因數(shù)）、大近場(chǎng)增強(qiáng)能力和不易產(chǎn)生熱，成為了光學(xué)傳感應(yīng)用中的一個(gè)新平臺(tái)。然而，傳統(tǒng)的全介電超表面在增強(qiáng)近場(chǎng)時(shí)，往往將光場(chǎng)束縛于介電納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而非外部的待傳感區(qū)域，從而嚴(yán)重限制了體折射率靈敏度和生物傳感性能。
本研究通過(guò)設(shè)計(jì)一種由兩個(gè)相對(duì)位移的晶格復(fù)用形成的硅基超表面，利用兩個(gè)表面晶格共振模式之間的干涉相消實(shí)現(xiàn)了非局域準(zhǔn)束縛態(tài)（nonlocal q-BICs），在硅納米柱外的大體積區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了均勻且顯著的近場(chǎng)增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在折射率傳感應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)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(duì)蛋白質(zhì)生物標(biāo)志物的檢出限達(dá)到了20 pg/mL，比目前的技術(shù)水平提高了35倍。
新方法在ERBB2的檢測(cè)限度達(dá)到了20 pg/mL，比現(xiàn)有技術(shù)提高了35倍
通過(guò)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(xiàng)研究成功地克服了傳統(tǒng)的高Q值表面晶格共振對(duì)均勻介電環(huán)境的苛刻要求，從而大幅提升了在非均勻介電環(huán)境下超表面的Q因數(shù)和近場(chǎng)增強(qiáng)能力。這種設(shè)計(jì)不僅在理論上達(dá)到了478 nm/RIU的折射率靈敏度，在實(shí)驗(yàn)中也實(shí)現(xiàn)了407 nm/RIU的高靈敏度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了絕大多數(shù)全介電超表面的q-BICs。
兩個(gè)相對(duì)位移的晶格雜化形成的硅基超表面，實(shí)現(xiàn)非局域準(zhǔn)束縛態(tài)（q-BICs），在硅納米柱外部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻且顯著的近場(chǎng)增強(qiáng)
該研究的成功為大體積區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)顯著的光-物質(zhì)相互作用提供了新機(jī)遇，具有廣泛的應(yīng)用潛力，不僅局限于生化傳感，還可能擴(kuò)展到包括熒光增強(qiáng)在內(nèi)的其他領(lǐng)域。非局域q-BICs的這一突破性進(jìn)展將推動(dòng)高性能光學(xué)芯片傳感技術(shù)的發(fā)展，并為下一代光傳感芯片的設(shè)計(jì)提供重要參考。
李光元副研究員和劉運(yùn)輝副研究員為本文的共同通訊作者。這項(xiàng)研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市醫(yī)學(xué)研究專(zhuān)項(xiàng)資金、深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202400425
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