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、無標記、可實現遠端檢測等優勢，在生化傳感、即時現場檢測（POCT）、環境監測等領域有著廣泛的應用潛力。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展。 

　　課題組基于等離子體—光子腔復合結構，實現了一種具有高靈敏度和穩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）間的耦合共振構建了特征峰。研究結果表明，該傳感器靈敏度達到530 nm/RIU，且對納米顆粒間距波動不敏感，具有優秀的穩定性與重復性（DOI: 10.1016/j.snb.2022.132059）。基于該原理的光纖傳感器，成功實現了對納摩爾濃度的免疫球蛋白G（IgG）以及腫瘤標志物PD-L1的特異性實時檢測（IEEE Transducers 2023）。 

　　課題組開發出一種三維光纖微結構傳感方案，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波導，通過橫向波導限制及縱向圓臺斜角共同調控入射波矢，高效激發傳輸SPR，實現了1439 nm/RIU的檢測靈敏度。得益于光纖頭上微米尺寸傳感結構和蘸入—讀取檢出方式，該傳感器可用于極小體積樣品（如5 μL）的即時檢測。實驗表明，其對IgG檢測極限為1.11 nM，為高時空分辨率的生化檢測提供了一種新思路（DOI: 10.1016/j.snb.2023.133647）。 

　　課題組研發出一種基于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和側壁吸附的金納米顆粒陣列構成，通過金顆粒陣列極化耦合及圓柱波導光傳輸相差所致場遲滯效應，激發金顆粒陣列的暗模式。得益于暗模式的長等離激元壽命及極強局域場增強，實驗獲得了2019 nm/RIU的高靈敏度，比傳統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，課題組針對傳統SPR光纖傳感器實際應用中依賴大尺寸光源及光譜儀的問題，進一步研制出一套以RGB LED為光源、光電二極管為探測器的小型化、便攜式光纖傳感系統。如圖2所示，該系統尺寸為12 cm × 10 cm × 8 cm，重量僅為263 g，對IgG檢測極限為9.1 nM，性能優于同類商業化小型SPR設備的檢測結果（15.7 nM），成本降低了一個數量級以上。該工作為進一步促進SPR光纖生化傳感技術的應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、國家自然科學基金委的項目支持。相關成果近期分別發表在傳感器領域知名的國際期刊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域知名的國際會議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-光子腔復合結構，（b）微型三維圓臺結構，（c）圓柱波導激發暗模式結構 

圖 2  小型化、便攜式光纖傳感系統及其生化檢測性能（a）系統照片，（b）IgG檢測的響應曲線 

圖 3 入選Analyst期刊2023年第8期封面 

參考文獻： 

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).