图1 偏振调控的波长复用红外超表面实现蛋白质识别与检测
1. 导读
红外光谱中蕴含着丰富的生物分子构象和质量信息，在生物医学检测、疾病早期诊疗、高分辨生物成像等领域存在重要应用。近年来，凭借在波长、偏振、振幅、和相位等多个光子自由度方面的独特调控能力，红外超表面在提取和放大生化目标物多维度信息方面表现出了与众不同的能力。其中，中红外波长复用超表面能拓宽中红外传感波段，实现生化样品的含量和表面增强红外光谱的协同传感。然而，现有金属超表面中的高欧姆损耗，全介质超表面中的高阶模式串扰等因素皆限制了红外超表面生化传感能力的进一步提高。
针对这些问题，河南师范大学路海副教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种金属-介质-金属夹层的红外波长复用超表面蛋白质传感方案。红外超表面的纵向和横向结构分别对近红外二区光谱与中红外光谱进行调控，其中，纵向薄膜干涉在红外二区产生偏振不敏感谐振，可用于近红外折射率传感以表征表面蛋白沉积含量；金属-介质-金属杂化超表面在中红外产生偏振调控的高品质谐振，可用于表面增强红外光谱鉴定牛血清白蛋白的酰胺吸收峰；上述结构与偏振特征提升了超表面在不同波段谐振调控的鲁棒性。我们从理论和实验上均证明了波长重复合超表面作为一个多功能生化传感器的有效性，即使在微量蛋白质沉积的情况下，它也能以灵敏可靠的方式获取蛋白质的含量和构象信息(图1)。
该研究不仅为实现偏振调控的低串扰中红外生物传感器提供了清晰的理论和实验指导，并为后续超灵敏的分子痕量动态监测和大分子构象变化分析提供了新思路。
2. 研究背景
具有精心设计亚波长结构的光学超表面可以操纵丰富的光子自由度，包括波长、偏振、振幅、相位和时间，用于检测多维生物化学信息。波长复用的光学传感器能从可见光到太赫兹的宽带波长下提取多样化的生物信息。其中，第二近红外区(1000nm-1700nm)由于其高穿透深度、低吸收和散射，通过人体红外窗口能高时空分辨体内蛋白质或药物大分子的含量波动。此外，蛋白质识别和构象分析需要检测中红外振动指纹，指纹光谱反映蛋白质的二级结构与识别官能团。最近，基于光学超表面的表面增强红外吸收光谱由于其易调谐、增强因子高和易于大面积制备等优势引起了广泛的关注。因此，在宽带区域开发波长复用超表面将为研究和诊断提供蛋白质传感的交叉验证，从而实现各种蛋白质物种的小体积、实时、无标记分子识别。然而，由于材料欧姆损耗限制了高品质谐振的产生，以及不同结构谐振模式之间的串扰，在蛋白质分子上实现波长复用检测仍然具有挑战性。
为解决这些实际问题，科学家们引入三维超构材料的概念，即联合平面型天线阵列和纵向亚波长薄膜结构，按照特定排列方式构建而成的三维超构材料，具有体系超薄、损耗低等独特优势，为实现红外宽光谱的波长复用光学器件提供了可能性。为在红外波段实现波长复用的超表面，国内外科学家首先采用不同长径比的二维天线阵列进行了组合应用，对细胞膜上的脂质和蛋白质实现了表面增强红外吸收光谱的测量。近年三维超构材料将薄膜模式和水平结构的联合应用，在红外和微波波段也实现同步热辐射调控，却面临高阶模式串扰、偏振态单一的问题。如何在实现宽光谱谐振的同时，又能通过光子自由度屏蔽模式之间的串扰，是实现波长复用光学超表面传感器应用的瓶颈问题。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员提出了一种波长复用红外超表面实现蛋白质识别和痕量检测的新方法。基于复合超表面原理，将纵向银-硅-银夹层结构与横向亚波长结构集成在一起(见图1A)。在S偏振下，超表面光谱仅由硅膜和银膜产生的Fabry-Pérot模式。同时，P偏振下的光谱不仅激发Fabry-Pérot模式，还在中红外波段触发了超表面的衍射和泄漏等离子体激元模式。为了区分上述两种模式，我们研究了光谱对入射角的响应。随着入射角的增加，4.03μm处的扩散谐振分为两个谐振峰，而泄漏等离子体谐振对入射角的变化不敏感。泄漏等离子体的基模位于6.30µm。泄漏等离子体模式的Q因子计算为23.78。其余的谐振是泄漏等离子体激元模式的较高模式。这些结果表明结构光谱可以通过偏振态实现切换，从而高效屏蔽中红外模式对近红外模式的串扰。
图2 (A)金属(Ag) - 电介质(Si)-金属(Ag) 三明治超表面的示意图; (B) S和P偏振光6度入射的反射光谱。
我们通过数值实验初步验证了波长复用超表面的蛋白质传感能力。蛋白质沉积痕量与蛋白质的折射率密切相关，可通过超表面在近红外二区的偏振不敏感谐振来监测。S和P偏振下的反射光谱均随蛋白质的折射率发生红移(图3A，C)。然而，近红外中的P偏振光谱受到泄漏等离子体谐振的高阶模式的干扰。因此，我们使用S偏振光谱来实现蛋白质浓度传感，折射率灵敏度为500nm/RIU。
S偏振中红外光谱与酰胺吸收峰相似，且反射率随酰胺消光系数等比例降低。然而，P偏振光谱的泄漏等离子体谐振(6.30μm)以两种方式改变了反射光谱的线形(图3D)：(i)泄漏等离子体谐振随着蛋白质沉积发生红移。(ii)当超表面谐振与酰胺I的吸收重叠时，酰胺ii的吸收增强。反射光谱的二阶导数进一步表明了这些特征，即酰胺II的吸收与蛋白质浓度不成正比。总之，这些数值模拟表明，通过切换偏振，超表面有可能在宽带红外范围内实现蛋白质识别和痕量检测。
图3 波长复用红外超表面用于蛋白质识别和痕量检测的数值仿真结果。
牛血清蛋白(BSA)沉积在红外超表面实验验证超表面的传感能力。S偏振的近红外二区光谱表明蛋白质在超表面上的沉积能引起谐振红移(图4A)，灵敏度为12.96 nm/µg (图4B)。P偏振的中红外光谱包括酰胺在6.054μm和6.495μm处的吸收，以及超表面的泄露等离子激元谐振 (图4C)。为了量化光谱成分，我们利用光谱的二阶导数来确定三个吸收峰的中心值(图4D)，并通过定值洛伦兹模型对峰形大小进行拟合计算。结果表明超表面谐振从6.789μm红移到7.147μm，折射率灵敏度为22 nm/μg。值得注意的是，具有高Q因子的超表面谐振在酰胺I和酰胺II的吸收中表现出不同程度的增强。
通过对比S偏振和P偏振下酰胺II的吸收与酰胺I的吸收之比，P偏振光谱中的酰胺II吸收峰始终大于酰胺I的吸收峰，表明酰胺II的中红外吸收通过高Q谐振得到了特定的增强(图4E)。由于酰胺I的吸收峰与超表面谐振之间的重叠程度不如酰胺II的吸收峰与超表面谐振之间的重叠程度，因此在P偏振下2 μg BSA的酰胺I吸收峰面积仅增加241.05%，而酰胺II吸收峰面积增加363.69%。由于超表面谐振的红移随着BSA沉积的增加，超表面谐振和吸收酰胺之间的重叠被重新减少，导致增强程度随着质量的增加而逐渐降低至150% (图4F)。结果表明，当超表面的谐振波长与酰胺吸收波长一致时，吸收增强达到最大值。这些发现为超表面谐振和不同酰胺的吸收特性之间的复杂相互作用提供了有价值的见解，从而揭示了这种超表面在各种传感和分析技术中的潜在应用。
图4 波长复用红外超表面用于蛋白质识别和痕量检测的实验结果。
4. 应用与展望
研究团队提出了波长复用的红外超表面实现蛋白质鉴定和痕量检测的新方法，是一种普适、高效、功能广泛的方法。通过充分利用横向和纵向两种结构的联合波长调控机制，可以在两种偏振光入射下，分别实现不同的波长和检测模式的切换，从而降低与屏蔽不同谐振模式之间的串扰。在后续研究中，根据生化检测目标物的红外特征设计三维超表面结构，拓展目标检测物的种类。结构设计策略有望进一步与微流控结合，在液体环境和体液环境中实现蛋白质等生物大分子的识别与痕量检测，拓宽红外超表面在多通道传感，近场传感，近红外高分辨率成像等领域的应用前景。
该研究成果以“Wavelength multiplexing infrared metasurfaces for protein recognition and trace detection”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Shiqing Dong, Chao Dong, Kesheng Shen, Yun Zheng, Jie Sun, Cheng Zhen, Haiyang Hu, Feng Zhang, Zhe Zhang, Hongchao Liu, Hai Lu，Hongchao Liu和Hai Lu为共同通讯作者。路海副教授团队隶属于河南师范大学物理学院及光电子技术及先进制造河南省工程实验室。
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