空间方位角调控等离激元模式杂化——提升前列腺肿瘤标志物传感性能

来源：两江科技评论

导读

近日，厦门大学杨志林团队与朱锦锋团队联合，首次利用二维周期孔穴阵列结构中的等离激元谐振模式杂化效应引起的共振线宽压缩，以提升生物分子PSA的传感性能。相关成果以“Plasmonic resonance-linewidth shrinkage to boost biosensing”为题发表在国际期刊Photonics Research上。

研究背景

生物安全正逐步上升为国家安全战略，与大众健康息息相关。人体血液中的肿瘤标志物分子的即时传感检测，对于癌症的早发现、早诊断、早干预具有重大现实意义。在纳米光学领域，等离激元效应对于环境介电参数变化具有极强的敏感性，对于肿瘤标志物等生物分子的免标记光学传感检测具有重要应用价值。近年来，基于金属纳米结构阵列的等离激元共振传感及应用研究得到日益广泛的关注。人们设计特定等离激元纳米结构阵列，结合入射光激发条件的改变（如激发波长和俯仰角等），获得较窄的等离激元共振线宽，进而将其用于提升传感性能。然而，到目前为止，通过操控空间入射光方位角提升生物分子传感灵敏性和特异性的研究却鲜有报道。本研究基于此，围绕前列腺癌的关键标志物——前列腺特异性抗原（PSA）展开研究。

创新研究

研究中发现，对于二维周期孔穴阵列结构，当激励光的方位角固定为0o时，等离激元模式共振波长随俯仰角的增大而红移，并且谐振线宽逐渐收缩，如图1所示。

论文中给出等离激元共振谱随俯仰角和方位角变化的情况（如图2a、2b所示），其结果表明当俯仰角从15o增大至75o，方位角的扫描结果同样支持图1c中的结论。值得注意的是，方位角为45o时，由于(-1, 0)和(0, -1) SPP模式杂化作用，形成所谓的等离激元带隙。通过共振线宽的分析表明，方位角45o时等离激元共振线宽会发生突变。

研究中，基于上述等离激元模式共振线宽随俯仰角增大而收缩的物理现象，开展前列腺特异性抗原-抗体结合的生物分子传感实验(图3a、3b)。对比分析正入射和斜入射的传感性能，发现斜入射光激励可以有效地提升分子的光传感性能(图3c、3d)。

研究还基于方位角为45o时等离激元谐振线宽的突变现象，对比分析斜入射在不同方位角条件下的传感性能，发现方位角调整为45o对前列腺特异性抗原分子的传感灵敏度具有一定的提升(图4)。该论文系统地分析不同光偏振和入射角度操控下的分子传感性能，研究中发现斜入射、偏振选择以及方位角45o等光激励条件的操控对传感灵敏度有持续性的改善作用。当考虑获取较高传感品质因数时，则可以选择方位角为0o的光激励条件；而考虑获取较高分子传感灵敏度时，则应选择方位角为45o的激励条件。这些系统的研究和探索为将来更好地检测肿瘤标志物等生物分子，以获取定制化的生物光传感提供了很好的理论和实验指导依据。

总 结

厦门大学高敏博士为该文第一作者，朱锦锋副教授和杨志林教授为论文通讯作者。此项工作得到国家自然科学基金面上项目(21673192)、国家自然科学基金重大研究计划(91850119)、国家自然科学基金联合基金项目(U1830116)、江西省自然科学基金重点项目(20192ACB20032)和厦门大学校长基金项目(20720190010)的研究经费支持。