厦大朱锦锋：柔性等离激元超表面生物传感检测新进展- 大数跨境

两江科技评论

2019-12-07

导读：近日，厦门大学电子科学与技术学院（国家示范性微电子学院）电磁声学研究院副院长朱锦锋副教授课题组联合厦门大学附属第一医院在表面等离激元超表面生物医学传感检测领域取得重要研究进展。

导读

癌症一直是威胁人类健康的重要杀手，每年夺去数百万宝贵的生命，然而，许多癌症尚缺乏有效的治疗手段。早发现、早诊断、早干预对于癌症筛查和提高患者的存活率有着十分关键的作用。在癌症的早期，患者的血液中通常会伴有一些蛋白的异常变化。这些蛋白被认为是肿瘤的标志物，它们在血液中的浓度信息对于癌症具有很好的病症预测和治疗观察作用。因此，对于人体血液中肿瘤标志物的及时传感检测具有极其重要的意义。当前，这个检测步骤主要依赖于大医院里昂贵大型仪器的样本标记分析，如化学发光免疫分析法、酶联免疫分析法等。这种情况给当前生活在信息时代的人们带来诸多不便，尤其是对于繁忙的上班族和远离大医院的人群而言。随着生活水平的日益提高和互联网医疗理念的日益普及，人们对于低成本、便携化快速诊断检测技术的需求也将越来越旺盛。图案化金属纳米结构等离激元超表面生物传感方案是解决这一需求的有力手段。

近日，厦门大学电子科学与技术学院（国家示范性微电子学院）电磁声学研究院副院长朱锦锋副教授课题组联合厦门大学附属第一医院在表面等离激元超表面生物医学传感检测领域取得重要研究进展，提出一种用于制备大面积、低成本、高性能柔性等离激元超表面生物分子传感器的方法，以实现对人体血清中肿瘤标志物的便携检测。相关成果以“Low-cost Flexible Plasmonic Nanobump Metasurfaces for Label-free Sensing of Serum Tumor Marker”为题发表在国际期刊Biosensors and Bioelectronics上。

创新研究

等离激元超表面是一种二维版本的超材料，它通常由一系列具有特殊几何、尺寸和取向设计的金属纳米结构表面单元组成，对于光学透镜、传感、光捕获、光集成、高分辨成像、化学分析和光热操纵等领域具有重要意义。需要强调的是，等离激元超表面对于纳米尺度局域光场的增强效应在高灵敏免标记生物分子传感检测上具有重要应用价值。长期以来，大量科研人员致力于调控超表面的纳米结构，以提高等离激元传感器性能，在高灵敏度即时检测和便携式生物医学传感领域进行持续探索。

等离激元超表面生物分子传感器的应用通常要求均匀的周期纳米结构，且需要运用量产化的工艺实现大面积和低缺陷率的精细化纳米图案制备。然而，为了确保稳定可靠的高传感性能，大多数传感器的制备需要在诸如硅、玻璃或石英等硬质衬底上进行耗时而昂贵的纳米图案化工艺处理，这极大限制了其在轻型、可穿戴、抛弃式生物传感器方面的应用。除此之外，等离激元超表面的生物功能化和生物兼容性对于生物分子传感也起到非常关键的作用。目前，低成本、高性能的柔性生物功能化等离激元超表面传感器仍有待进一步的开发和实用化。

创新研究

此项工作研制了一种低成本的轻薄柔性生物功能化等离激元超表面，用于检测人体血清中的肿瘤标志物。该研究在柔性轻质聚合物衬底上，采用纳米压印、等离子体刻蚀和金属薄膜沉积等简易加工工序，通过工艺技术和电磁模拟优化制备周期性金纳米凸起结构阵列的等离激元超表面，利用抗原与抗体的特异性结合，实现在可见光波段的高灵敏癌胚抗原（CEA）检测（如图1所示）。这里检测的癌胚抗原是一种广谱肿瘤标志物，在恶性肿瘤的鉴别诊断、病情监测、疗效评价等方面具有一定的临床价值，因此在人体血液检查方面有着重要参考价值。与传统技术相比，该方案在衬底成本、重量、工艺步骤及加工时间等方面优势明显，且具有易弯折和不易破碎等优点（如表1所示）；所制备的周期性金纳米凸起阵列排列整齐均匀，传感性能良好。该技术方案不仅传感器件制造简易廉价，而且检测系统紧凑灵活，将很好地服务于未来柔性可穿戴便携式生物传感器件和系统的开发。

图文速览

图1：柔性等离激元超表面的工艺制备、生物功能化以及肿瘤标志物检测示意图

表1：本方案与其他工艺方案对比（以2英寸衬底为例）

图2：柔性等离激元超表面实物照片与对应电镜图以及不同氧等离子体处理条件的影响。

研究发现，通过调控对聚合物微结构的氧等离子体刻蚀条件，可获取单元结构形貌各异的超表面（见图2）。采用不同刻蚀工艺的超表面在空气和水中表现出迥异的反射光谱特性。例如，采用过度氧等离子体刻蚀处理（575 s）的超表面在空气中无明显的等离激元谐振谱特征，而当其被置于水中时则可观察到两个相对明显的等离激元共振响应（见图3）。对于采用425 s刻蚀时间的超表面，在空气中由于金在550 nm以下固有的光损耗，低阶等离激元共振被抑制且与高阶等离激元共振相融合，这不利于传感应用；而水中的低阶等离激元共振由于超表面形态和尺寸的优化而呈现出较高的品质因数。这些结果表明，通过刻蚀工艺参数的调控可以进一步优化出具有高品质因数等离激元谐振的超表面，以适用于进一步的生物分子传感应用。

图3：在无等离子体刻蚀、优化刻蚀(425 s)和过度刻蚀(575 s)三种情况下，空气和水中等离激元超表面的反射光谱

借助工艺调控的生物功能化等离激元超表面，研究者实现对肿瘤标志物的光传感且进一步实现人体血清中癌胚抗原的检测（见图4）。该技术采用集成化反射式光纤探头对一定浓度梯度的癌胚抗原溶液进行光学测量，通过等离激元谐振谷偏移获取超表面传感曲线，并应用于未知浓度癌胚抗原的测定。研究者采用优化后的超表面实现人体血清样本中癌胚抗原浓度从小于10 ng/ml到大于87 ng/ml的测定，检测结果与医院商用化西门子化学发光免疫分析系统的测定结果吻合度极高，最大数据偏差小于4.8%。因为癌胚抗原浓度20 ng/ml通常被认为是癌症诊断和预后的关键阈值，所以该工作所制备的超表面传感器有望应用于癌胚抗原相关的癌症早期筛查。综上所述，该研究使得大面积、低成本表面等离激元超表面量产化制造成为可能，在医学体外检测领域具有广阔应用前景，将有力地推动高性能便携式生物医学传感技术的发展。

图4：等离激元共振波长随CEA浓度的变化以及血清样本CEA检测与西门子商用系统比较。

总结

以上研究成果将柔性等离激元超表面应用到肿瘤标志物传感上，赋予免标记肿瘤标志物检测更大的发展潜力，具有重要的革新作用。研究中提出的低成本柔性等离激元超表面肿瘤标志物传感检测技术，对于便携式的肿瘤标志物检测芯片及小型仪器系统的研发也具有重要启示意义。

朱锦锋课题组致力于纳米光学传感与检测技术，所指导的相关研究工作“基于微纳生物芯片的智能化即时健康检测系统” 获得2019年第十四届中国研究生电子设计竞赛技术类最高奖“研电之星”奖杯。此项研究工作得到国家自然科学基金联合基金项目（U1830116）、福建省自然基金面上项目(2017J01123)、广东省自然科学基金面上项目（2018A030313299）以及厦门大学中央高校基本科研业务费(20720190010)的支持。