表面等離激元共振（SPR）光纖生化傳感器因其體積小、抗干擾、高靈敏度、無標(biāo)記、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，在生化傳感、即時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)（POCT）、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力。近日，微電子所健康電子中心路鑫超、黃成軍課題組在SPR光纖傳感器方面取得一系列重要進(jìn)展。 

　　課題組基于等離子體—光子腔復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種具有高靈敏度和穩(wěn)定性的光纖生化傳感器，如圖1a所示，該光纖傳感器主要由CVD制備的光子腔和自組裝制備的等離子體金納米顆粒構(gòu)成，通過法布里—珀羅諧振腔干涉與局域SPR（LSPR）間的耦合共振構(gòu)建了特征峰。研究結(jié)果表明，該傳感器靈敏度達(dá)到530 nm/RIU，且對(duì)納米顆粒間距波動(dòng)不敏感，具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性與重復(fù)性（DOI: 10.1016/j.snb.2022.132059）。基于該原理的光纖傳感器，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)納摩爾濃度的免疫球蛋白G（IgG）以及腫瘤標(biāo)志物PD-L1的特異性實(shí)時(shí)檢測(cè)（IEEE Transducers 2023）。 

　　課題組開發(fā)出一種三維光纖微結(jié)構(gòu)傳感方案，解決了傳輸SPR波矢匹配的難題。如圖1b所示，在光纖端面集成微米尺寸圓臺(tái)波導(dǎo)，通過橫向波導(dǎo)限制及縱向圓臺(tái)斜角共同調(diào)控入射波矢，高效激發(fā)傳輸SPR，實(shí)現(xiàn)了1439 nm/RIU的檢測(cè)靈敏度。得益于光纖頭上微米尺寸傳感結(jié)構(gòu)和蘸入—讀取檢出方式，該傳感器可用于極小體積樣品（如5 μL）的即時(shí)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，其對(duì)IgG檢測(cè)極限為1.11 nM，為高時(shí)空分辨率的生化檢測(cè)提供了一種新思路（DOI: 10.1016/j.snb.2023.133647）。 

　　課題組研發(fā)出一種基于LSPR暗模式光纖傳感器，如圖1c所示。該傳感器由腐蝕得到的圓柱波導(dǎo)和側(cè)壁吸附的金納米顆粒陣列構(gòu)成，通過金顆粒陣列極化耦合及圓柱波導(dǎo)光傳輸相差所致場(chǎng)遲滯效應(yīng)，激發(fā)金顆粒陣列的暗模式。得益于暗模式的長(zhǎng)等離激元壽命及極強(qiáng)局域場(chǎng)增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)獲得了2019 nm/RIU的高靈敏度，比傳統(tǒng)LSPR亮模式光纖傳感器靈敏度提高了3至10倍（IEEE Transducers 2023）。 

　　基于上述光纖傳感器，課題組針對(duì)傳統(tǒng)SPR光纖傳感器實(shí)際應(yīng)用中依賴大尺寸光源及光譜儀的問題，進(jìn)一步研制出一套以RGB LED為光源、光電二極管為探測(cè)器的小型化、便攜式光纖傳感系統(tǒng)。如圖2所示，該系統(tǒng)尺寸為12 cm × 10 cm × 8 cm，重量?jī)H為263 g，對(duì)IgG檢測(cè)極限為9.1 nM，性能優(yōu)于同類商業(yè)化小型SPR設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果（15.7 nM），成本降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。該工作為進(jìn)一步促進(jìn)SPR光纖生化傳感技術(shù)的應(yīng)用提供了一種可能的低成本途徑（DOI: 10.1039/D3AN00028A）。 

　　上述研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委的項(xiàng)目支持。相關(guān)成果近期分別發(fā)表在傳感器領(lǐng)域知名的國(guó)際期刊Sensors and Actuators B: Chemical和Analyst期刊上，并入選Analyst封面文章（圖3），部分最新研究成果被傳感器領(lǐng)域知名的國(guó)際會(huì)議Transducers 2023錄用。微電子所博士研究生李鑫和王飛分別為文章的第一作者，微電子所黃成軍研究員、路鑫超研究員、張靈倩副研究員、和劉虹遙副研究員分別為上述文章的通訊作者。 

圖 1  三種表面等離激元光纖傳感器 （a）等離子體-光子腔復(fù)合結(jié)構(gòu)，（b）微型三維圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，（c）圓柱波導(dǎo)激發(fā)暗模式結(jié)構(gòu) 

圖 2  小型化、便攜式光纖傳感系統(tǒng)及其生化檢測(cè)性能（a）系統(tǒng)照片，（b）IgG檢測(cè)的響應(yīng)曲線 

圖 3 入選Analyst期刊2023年第8期封面 

參考文獻(xiàn)： 

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).