近日，我院朱锦锋教授团队针对纳米光学生物芯片的超表面传感关键技术展开重要研究。团队对等离激元纳米柱(PNP)和等离激元纳米孔(PNH)超表面进行系统探索和分析，比较了它们的生物抗原分子检测性能，阐明了互补超表面独特的光学传感特性和表面近场生物分子定制化匹配机制。该研究通过探索微纳制造工艺研制一对互补超表面，比较它们的体灵敏度和表面灵敏度，发现了抗体/抗原大小合适的AFP在肿瘤标志物的免疫检测中保持着最高的表面近场利用效率。朱教授团队验证了超表面对人血清样本的传感灵敏度和检测特异性，为生物医学应用中各种生物标志物的筛查技术提供了可靠的理论和实验研究依据。相关成果以“Exploring near-field sensing efficiency of complementary plasmonic metasurfaces for immunodetection of tumor markers”为题发表在国际期刊Biosensors and Bioelectronics（IF：10.618）上。

PNP和PNH超表面在几何上具有互补特性，往往被假定为同一类型的二维等离激元纳米光栅。本工作利用全波电磁模拟研究了正入射下等离激元超表面的光学反射响应，并系统分析了电场分布和相应的等离激元效应。同时通过等离子体刻蚀、电子束蒸发、纳米压印等微纳米工艺制备两种互补的PNP和PNH超表面。PNH超表面的(1,0)阶模式比其他模式有更大的场增强区域，表明其在生物分子传感方面有更大潜力。该研究利用PNH超表面测量了捕获三种目标抗原CA 19-9、CA 50和AFP后的光谱，确立了共振红移与抗原浓度的函数关系。三种抗原传感曲线的相关系数均在0.99以上，表明在一定的抗原浓度与共振波长之间具有很好的线性关系。与CA 19-9和CA 50抗体-抗原免疫检测体系相比，AFP抗体可更高效地利用光场增强区域，以获取更好的分子传感检测性能。该研究工作最后检测了来自厦门大学第一附属医院具有不同CA 19-9、CA 50和AFP抗原浓度的血清样本，与商用化学发光免疫分析法（CLIA）的结果相比，展现了优越的检测精度和灵敏度，其检测能力满足临床医学检测需求，具有良好的应用前景。

图1 纳米超表面全波电磁模拟

图2 采用集成工艺制备的纳米超表面扫描电镜图

图3 器件的抗原传感曲线与医院临床样本检测

该论文的第一完成单位是厦门大学，朱锦锋教授是通讯作者，课题组博士生李法君和申家情是共同第一作者。这项工作得到国家自然科学基金面上项目(62175205)、国家自然科学基金联合基金项目（U2130112、U1830116）、福建省杰出青年科学基金(2020J06009)、应用光学国家重点实验室开放基金(SKLAO2020001A15)等研究经费的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.114038

（图文：朱锦锋课题组）