论文标题：Plasmonics for Biosensing

期刊：Materials

作者：Xue Han,Kun Liu and Changsen Sun

发表时间：30 April 2019

DOI：10.3390/ma12091411

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期刊链接：https://www.mdpi.com/journal/materials

通讯作者介绍

韩雪 副教授

大连理工大学

韩雪副教授一直从事纳米光学生物传感技术及应用的研究，在表面等离激元传感与纳米光镊的基础研究及应用方面具有充实的科研经历和研究基础。目前致力于通过纳米光学技术与电化学、纳米制造、生物分子传感等领域相融合，进行多功能、综合性的纳米光学生物传感器的研制。

研究背景

随着纳米制造技术的发展和材料科学的进步，目前表面等离子体共振传感技术已经达到分子水平。该综述介绍了表面等离子体传感器的背景、理论基础、调制方式、微腔表面等离子体的共振模式、器件的材料、以及与电学驱动和电学检测的结合。这里主要介绍多功能纳米孔洞结构的表面等离子体微腔生物传感器。这类传感器保持了表面等离子体薄膜材料的整体性，该特点使其较容易与其他传感器技术相结合，使其具备传统表面等离子体传感器的高灵敏度和动态监测特性外，同时具备选择性和多功能等优点，在集成芯片实验室方面有着突出的潜力，亦可用于下一代即时护理设备 (point of care, POC)。

研究内容

有源表面等离子体技术

电调谐是有源表面等离子体传感器的主要驱动方法之一，通过施加外部电场来控制传感器的谐振。图1中，在表面等离子体纳米孔阵列的表面添加一层液晶 (liquid crystal, LC)，通过对液晶层施加电场来改变表面等离子体的共振条件，可对反射光的相位与振幅进行调制。

图1. (a) 无外加电压和有外加电压的LC等离子体器件原理图；(b) 两种正交共振模式的时域有限差分仿真结果；(c) Al薄膜制备的纳米孔阵列的SEM图像；(d) 不同电压下纳米孔阵列呈现的颜色。引用自[1]

表面等离子运输

微腔表面等离子体生物传感器具有很高的灵敏度，但由于生物粒子浓度较低，需要较长时间扩散到纳米级传感区域，使其应用受到了一定的限制。为解决这一问题，介质电泳 (DEP) 技术被提出与表面等离子体器件相结合，通过DEP传输生物分子，缩短检测时长。

多功能传感技术

表面等离子体传感器通过光信号对生物分子进行检测，纳米孔洞式结构可结合电响应实现多通道传感。图2中，当粒子通过纳米孔洞时，纳米孔洞处的局域介电常数被生物粒子改变，导致传感器的光学和电响应发生变化。结合光检测和电检测的技术已用于检测DNA分子。当DNA分子通过领结孔径时，光传输信号和电流信号均发生下降。生物粒子的通过使得局域折射率发生改变，导致共振频率下降，改变光信号，并阻断了离子电流，导致了电流信号的下降。

图2. (a) 表面等离子体和电传感机制的示意图；(b) 领结孔径的TEM图像；(c) 电场增强仿真结果。引用自[2]

光谱电化学

光谱电化学技术通过施加驱动电压促使生物分子发生电化学反应，利用表面等离子体传感技术进行检测，已应用于基于利用纳米孔阵的LSPR来检测神经递质与DNA在电化学反应中的结构转换。图3A中蓝色的氧化还原标记可吸附在传感器表面，发生电化学反应，由于其还原态与氧化态具有不同的折射率，在氧化还原反应过程中，表面等离子体的共振频率来回摆动，因此可用于监测该标记的状态。若该标记附着在DNA分子(图3, B)上，与传感器表面的距离增大，从而其电化学反应被阻碍。

图3. (A) 直接附着在传感器表面的氧化还原标记；(B) 附着在DNA上的氧化还原标记；(C) A情况下，标记在氧化还原反应下对应A的透射强度。引用自[3]

结论

纳米技术与材料科学的发展为研究人员提供了可以灵活调控表面等离子体共振频率和模式的可能。微腔表面等离子体传感器利用器件材料固有的电学特征，可结合外部电场，已应用于有源表面等离子体、多功能传感、粒子传输和改善电化学技术。通过多种功能的结合，微腔表面等离子体生物传感器有望实现集成实验室，同时具有高灵敏度、可选择性、同步性、多样性以及实时监控等，这类芯片在健康监控仪器领域有着巨大的潜力。

参考文献

1. Bartholomew, R.; Williams, C.; Khan, A.; Bowman, R.; Wilkinson, T. Plasmonic nanohole electrodes for active color tunable liquid crystal transmissive pixels. Opt. Lett. 2017,42, 2810–2813

2. Verschueren, D.V .; Pud, S.; Shi, X.; De Angelis, L.; Kuipers, L.; Dekker, C. Label-Free Optical Detection of DNA Translocations Through Plasmonic Nanopores. ACS Nano 2018, 3, 61–70.

3. Patskovsky , S.; Dallaire, A.-M.; Blanchard-Dionne, A.-P .; Vallée-Bélisle, A.; Meunier, M. Electrochemical structure-switching sensing using nanoplasmonic devices. Ann. Phys. 2015, 527, 806–813.

原文出自Materials期刊

Han, X.; Liu, K.; Sun, C. Plasmonics for Biosensing. Materials 2019, 12, 1411.

Materials期刊介绍

主编：Prof. Dr. Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2020 Impact Factor：3.623 (Q1)*

2020 CiteScore：4.2

Time to First Decision：13.06 Days

Time to Publication：36 Days

*Q1 (17/80) at category "Metallurgy and Metallurgical Engineering"