上海交通大学:研究可调多孔金覆盖纳米光学天线生物传感芯片

一、研究背景： 高灵敏度生物分子检测技术不但在应对突发公共卫生事件中凸显其重要性，近年来在监控影响经济作物产量的植物病毒感染中，也正在发挥重要的作用。为了进一步提高生物分子检测的灵敏度，如何最大化利用纳米光学结构的等离子共振效应，使得低浓度、低样本量目标分子在生物免疫实验中达到更高的检测信号强度是技术创新的关键。本项研究通过三维纳米级制造方法，批量化制造具有宏观阵列结构与纳米级金属孔径的纳米多孔金柱光学天线结构，突破了传统纳米孔尺寸与共振波长独立调节难题。该技术成功地应用于生物抗体与大豆症青病毒SoSGV两种不同目标分子的高灵敏度生物检测，并将片上荧光信号相比普通金衬底实验提升超过500倍，验证了其成为新一代低成本高灵敏度生物检测芯片平台性技术的可行性。

二、文章简介：

针对上述问题，近日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）臧法珩团队联合南京农业大学植物保护学院徐毅团队针对大豆症青病毒（SoSGV）检测开发了高灵敏度多孔纳米光学天线阵列生物传感芯片，相关成果发表在Advanced Optical Materials上。上海交通大学集成电路学院博士生王梦诚为论文第一作者，集成电路学院臧法珩副教授为论文通讯作者，南京农业大学植物保护学院徐毅教授为论文的合作作者，南京农业大学植物保护学院梅若鑫（在读博士）等参与了该项工作。

三、研究内容： 该研究提出了一种基于纳米多孔金柱（NPGP）的生物传感平台，其实现得益于一种“阵列上造孔隙”的混合纳米制备工艺。NPGP通过调控纳米柱支撑的金过渡内核形态来设定主共振峰以实现光谱可调谐功能，同时利用纳米多孔金外壳拓宽共振光谱的覆盖范围。作为芯片级荧光传感平台的优异性能已在检测大豆中SoSGV病毒得到验证。

图1. NPGP的脱合金工艺流程、光学仿真及光谱测试。 NPGP阵列具有两种光学共振模式，即电四极子模式（EQ）和电偶极子（ED）模式。通过调节其内部金过渡层的厚度，能够使电四极子对应的共振峰在750nm至850nm区间内灵活移动。此外，外部多孔功能层因富含密集分布的纳米孔结构，不仅显著提升了整体的光吸收效率，还呈现出宽谱带吸收特性。基于这些光学特性规律，我们可通过精准调控内部金层的厚度来适配生物分子荧光检测所需的工作波长；同时优化合金层的厚度参数，从而实现高达95%以上的消光率表现。

图2. NPGP的脱合金工艺流程、光学仿真及光谱测试。 大豆症青病毒SoSGV的检测采用基于荧光的免疫分析法，其中NPGP阵列作为荧光增强平台。病毒样本通过对感染SoSGV的大豆叶片进行匀浆和离心处理后，取其上清液制备而成。相较于传统平面金基底材料，NPGP阵列在大豆SoSGV病毒荧光免疫检测中表现出色，可将荧光信号强度提升逾500倍。即使在低浓度下，超高表面积也有助于捕获目标生物分子。由分布式纳米孔洞与有序纳米阵列共同引发的等离子体共振协同效应，进一步优化了整体荧光响应特性。得益于制备工艺的经济性和宽频带光学共振优势，NPGP展现出作为高性能通用平台的潜力，适用于各类荧光化学及生物分子检测场景。

来源：上海交通大学新闻网