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南京大学在便携等离激元生化传感器方向取得进

发布时间:2019-12-06 18:00编辑:环球彩票登录网址浏览(77)

    1704年牛顿发表了《Opticks》一书并利用牛顿环实验给出等厚干涉的定量规律,自此等厚干涉现象即被广泛应用于表面精密检测中。利用光学平板(Optical flat)与被测表面间形成的干涉条纹,工程师可用肉眼直接检测到小至十分之一波长的表面起伏。但由于光的波动性,该方法检测精度的进一步提高则依赖于昂贵与复杂的激光干涉测量设备。

    该工作得到了国家重点研发计划纳米科技重大专项、国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金,以及固体微结构物理国家重点实验室、2011人工微结构科学技术协同创新中心与江苏省优势学科等项目的支持。

    边捷博士为该文第一作者,张伟华教授和鲁振达教授为通讯作者。研究得到了科技部纳米专项、自然科学基金创新群体、自然科学基金面上项目等的资助。

    相关成果以《Revisiting Newtons rings with a plasmonic optical flat for high-accuracy surface inspection》为题发表于自然出版集团旗下杂志Light: Science & Applications上(doi:10.1038/lsa.2016.156)。南京大学博士研究生郑耘与助理研究员边捷博士为该文共同第一作者,张伟华教授为通讯作者。研究得到了国家重点基础研究计划、纳米科技重点专项、国家自然科学基金项目、中组部青年千人计划等基金、江苏省优势学科的资助。

    现代工程与应用科学学院张伟华教授与北京大学物理学院朱星教授、方哲宇研究员应邀联名在国际著名期刊Chemical Reviews发表综述文章Near-Field Raman Spectroscopy with Aperture Tips(DOI:10.1021/acs.chemrev.6b00337),对基于有孔探针的近场拉曼光谱分析技术的发展进行总结与展望。Chemical Reviews创刊于1924年,是美国化学会顶级同行评议综合性科学期刊。

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    利用近场等厚干涉原理,该工作进一步发展了等离激元光学平板(Plasmonic optical flat)技术。如图2所示,简单的将等离激元光学平板压在被测物表面,即可肉眼观测到纳米尺度的形貌起伏。该技术无需激光光源,白光下通过观察色彩变化即可分辨出样品表面在三维空间中的各种微小起伏,为高精度表面检测提供了一种快速低成本的手段。

    (现代工程与应用科学学院 科学技术处)

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    为打破上述限制,南京大学现代工程与应用科学学院张伟华课题组与瑞士洛桑联邦理工学院Martin教授合作,将等厚干涉的概念推广到近场区域,利用等离激元共振在近场区域内对距离的超灵敏性,极大提高了等厚干涉技术的灵敏度。并在实验中使用等离激元牛顿环演示了40倍的灵敏度提高与3皮米的探测极限。

    该文第一作者张伟华教授长期从事近场光学领域研究,在近场拉曼光谱检测、近场光镊、等离激元传感等领域做出了一系列国际上有影响力的工作。曾在国际上率先实现单分子针尖增强光谱实验、并首次演示了光学天线对纳米颗粒的光俘获。2013年加入南京大学后在光散射理论、近场精密测量等领域取得了一系列进展。此次与朱星教授、方哲宇研究员联名在Chemical Reviews发表综述文章,展示了我国近场光学领域在国际上的影响力。

    图2 渐变图案等离激元传感器的共振环大小与折射率的倒数成正比关系,痕量蛋白分子样品(20 μL, ~10 nM)的特异性吸附实验。

    图2基于等离激光学平板的快速高精度表面检测方法示意图。等离激元光学平板照片。15nm深NJU字样样品的原子力显微镜扫描图。等离激元光学平板与样品的等厚干涉图照片。

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    图1 。 渐变图案等离激元传感器的光学与电镜照片,以及手机读取装置的示意图。

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    如何突破光学衍射极限,在纳米尺度上实现复杂样品的光谱表征一直是科学界关注的热点。而近场光学技术利用纳米光学探针可实现样品表面亚波长尺度内拉曼信号的激发与收集,从而达到超高空间分辨的化学与物理性质分析的目的。该综述对基于有孔探针的扫描近场拉曼光谱/成像技术进行了回顾、总结与展望。从分辨本领、信号强度与信噪比等几个方面与传统微区拉曼光谱技术以及针尖增强拉曼技术进行了对比和分析;并结合纳米光学领域的最新进展,对基于有孔探针的近场拉曼分析技术的发展前景进行了展望。这对超分辨光谱分析领域的相关研究具有重要的参考价值。

    今天,智能手机迅猛发展普及,已成成为人们日常生活中不可或缺的一部分。同时,作为集通讯、计算、光学成像等功能为一体的便携工具,智能手机也为实现各类便携式的健康检测装置,为家庭或边远地区提供快速、便捷、高质量的健康服务提供了可能。为实现该目标,研究者提出了众多方案,尝试将基于光学的微纳生化传感器,特别是等离激元传感器与手机结合。然而,由于传统等离激元传感器的数据的高精度读取依赖于光谱或者角谱测量,需要较为复杂的读出装置,限制了最终设备的小型化。

    (现代工程与应用科学学院 科学技术处)

    为打破上述限制,南京大学现代工程与应用科学学院张伟华教授课题组和鲁振达教授课题组合作,发展了一种渐变图案等离激元传感器(Patterned Plasmonic Gradient, PPG)。该传感器可将局域折射率信息转换为二维图像信息,即共振环的尺寸,从而可直接使用智能手机的拍照功能读出数据。实验结果显示,PPG传感器的折射率测量精度优于< 0.001 RIU,可实时检测到痕量(20 μL, 南京大学在便携等离激元生化传感器方向取得进展。~10 nM)蛋白质的吸附过程(检测限在~1 nM)。相关成果以《Patterned plasmonic gradient for high-precision biosensing using smartphone reader》为题发表于杂志Nanoscale上(DOI: 10.1039/C9NR00455F)。同时,该PPG传感器的设计已获得发明专利授权(201710149279.3)。

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    南京大学在便携等离激元生化传感器方向取得进展。图1等离激元牛顿环实验示意图。等离激元牛顿环实验照片

    南京大学在便携等离激元生化传感器方向取得进展。此外,为实现精确距离标定,该工作发展了二维纳米结构间的高精度调控技术。利用石英晶振力学传感器,可以以亚纳米精度检测并动态调控宏观结构间的距离,并同时以皮牛精度测量结构间的力学作用。这为定量研究二维纳米结构间的近场耦合,增强与调控纳米尺度内光-物质相互作用,并进一步实现超灵敏传感技术提供了实验基础。

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