Advanced materials
可实现高灵敏度生物流体检测的梯度等离激元超构表面

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该研究开发了一种可批量制造的梯度等离激元微孔超构表面，显著提升复杂生物样本的红外光谱检测灵敏度与分辨率，为生物医学诊断提供新工具。

 

文献概述
本文《Mass-manufactured Gradient Plasmonic Metasurfaces for Enhanced Mid-IR Spectrochemical Analysis of Complex Biofluids》，发表于《Advanced Materials》杂志，回顾并总结了梯度等离激元微孔阵列（MHA）超构表面在中红外光谱分析中的应用。该平台通过晶圆级高通量制造，可在透射模式下实现宽谱段内多个共振吸收峰的精准对齐，从而提升生物样本分子指纹识别的准确性。

背景知识
中红外光谱分析是一种无需标记的分子检测技术，广泛应用于生物医学诊断、疾病监测和生物标志物发现。然而，传统中红外吸收光谱（MIRAS）在分析复杂生物样本时存在信号干扰问题，如样品厚度和组成不均、光散射等，导致光谱数据失真，阻碍可靠的化学计量分析。为提升检测灵敏度，表面增强红外吸收光谱（SEIRAS）技术被开发，其通过等离激元纳米结构增强光与物质相互作用，提高分子检测灵敏度。但目前的SEIRAS平台仍受限于制造成本高、读取设备复杂以及共振峰难以精准匹配生物分子振动带等问题。本研究通过梯度MHA设计，结合自由-standing氮化硅薄膜制造，提供了一种可量产、透射模式操作、并能覆盖宽分子指纹区域的解决方案，为生物医学检测提供更高效、便携的平台。

 

提供多种靶点人源化小鼠模型，支持代谢性疾病、肿瘤免疫、神经系统疾病等研究，适用于药物开发和药效评估。

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研究方法与实验
研究人员通过晶圆级高通量制造工艺，在6英寸硅晶圆上沉积约400 nm氮化硅薄膜，并利用标准光刻与反应离子刻蚀技术制造梯度微孔阵列（MHA）结构。随后，样品表面镀上约100 nm金（Au）层，以支持等离激元共振。制造的MHA芯片具有三个自由支撑氮化硅窗口，每个窗口尺寸为3.0 mm × 0.7 mm，共获得约400个传感器芯片。在实验中，平台通过透射光谱测量与量子级联激光器（QCL）结合的红外高光谱成像显微镜，分析不同共振峰对PMMA模型聚合物及人源性腹水样本的吸收信号变化。

关键结论与观点

• 梯度MHA结构可在中红外指纹区域（1200–2000 cm⁻¹）生成超过400个共振吸收峰，极大提升光谱覆盖密度。
• 通过共振峰与分子振动带的精准对齐，可实现对称性增强吸收带，避免传统Fano线型不对称失真问题。
• 在透射模式下，平台实现超过20倍的吸收增强，显著优于传统CaF₂基底，提升信噪比并解析弱吸收带。
• 梯度MHA设计可适用于真实生物样本分析，如腹水流体，实现高分辨率分子指纹识别。

研究意义与展望
该平台结合高通量制造与简化光学读取系统，为SEIRAS技术在临床诊断与生物标志物筛查中的应用奠定基础。未来可进一步优化芯片设计，实现更宽谱段覆盖，并探索其在体液生物标志物检测、癌症早筛等方向的应用潜力。

 

提供标准化动物健康管理体系，包括健康检测、遗传控制、人员培训，确保动物质量与实验一致性。

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结语
该研究展示了一种创新的SEIRAS平台，通过晶圆级制造的梯度等离激元微孔阵列，实现复杂生物流体的高灵敏度分子指纹检测。该平台在透射模式下提供优异的光谱增强能力，解决了传统红外光谱在复杂样本中信号失真与弱带难以分辨的问题。其高通量制造能力与简化检测流程为SEIRAS技术的临床转化与大规模应用提供了可能，未来有望用于疾病标志物检测、个性化医疗及现场快速诊断。

 

Samir Rosas, Shovasis Kumar Biswas, Wihan Adi, Manish S Patankar, and Filiz Yesilkoy. Mass-manufactured Gradient Plasmonic Metasurfaces for Enhanced Mid-IR Spectrochemical Analysis of Complex Biofluids. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.).