北京大学：密集波导传感器快速检测纳米粒子

该文章发表在在2018年第25期的《先进材料》（Advanced Materials）中，该期杂志以本文插画为封面。（图为一种用于检测单个未标记纳米粒子的新型高密度波导传感器。）

超灵敏和快速检测纳米级目标在国土安全、环境监测和早期诊断等各个领域至关重要。在现有的各种传感器中，光学倏逝场传感器以其高灵敏度、无标签特性和无创检测等突出的优点引起了人们的广泛关注。

北京大学物理学院肖云峰教授与哈尔滨工业大学研究人员合作，开发并证明了新型芯片上的密集波导传感器，可以检测单个未标记的纳米粒子。

现有的光学传感器虽然可以对单个分子甚至单个原子、离子进行无标签检测，并且其灵敏度大多已经超过了实际应用的要求。然而，它们的广泛应用仍面临许多重大挑战，例如响应时间长、设备的重现性以及可能对生物物种造成的光损伤。

a) SOI基材上密集波导传感器示意图（粒子的沉积由内径35µm的喷嘴完成）；b)螺旋波导和具体区段的SEM图像。（图片来源：北京大学）

肖云峰教授的团队制作了一个单片螺旋波导管，并用注射泵将气溶胶纳米颗粒沉积在密集的波导上。“由于纳米波导的消逝场很大，当纳米粒子附着在波导表面时，传输功率就会降低，因为纳米粒子散射并吸收了一部分探测光。传输功率中的这一步骤可以用来提取检测到的每一个纳米颗粒的信息，”北京大学博士生汤水静(音译)说。

首先，设计波导模式的场分布以增强纳米粒子诱导的散射信号，通过监测传输中的阶跃变化，成功地利用硅波导传感器检测到100 nm以下的单个粒子，信噪比在5分贝以上。

肖教授补充说：“更重要的是，密集的纳米导轨设计提供了更大的感应区域，因此可以显著提高纳米颗粒的捕获效率，这更有利于在短时间内实现超灵敏检测。”

这种硅基波导传感器可以通过传统的半导体加工技术重复制造，并且与表面功能化学和微流体兼容，其可以广泛用于各种领域的传感，例如早期诊断、环境监测和高产量药物开发。