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上海交大杨天团队：开发新型光纤端面传感器，兼具高灵敏与高稳定性

2025-07-08 12:58

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

6月30日，上海交通大学杨天教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Biomaterials上发表题为“SPP-MIM Hybridization Meta-Films for High-Sensitivity and High-Stability Biosensing at Optical Fiber End-Facets”的研究论文。该研究提出一种表面等离极化激元（SPP）与金属-绝缘体-金属波导（MIM）产生杂化效应的超构薄膜，从而将稳定可控的生物分子相互作用平面界面与等离激元纳米光学结构相结合。基于该超构薄膜及光子晶体微腔的光纤端面传感器不仅展现出高表面灵敏度，更突破了纳米光学生物传感器普遍存在的稳定性瓶颈，在分子互作分析和药物筛选等领域具有的广泛应用前景。

文章亮点

1. 纳米生物传感器稳定性差的共性机制：高灵敏纳米光学生物传感器普遍存在稳定性、重复性差的问题，文章指出这与纳米结构的复杂界面过程直接相关，例如表面纳米气泡的存在。

图1 纳米结构的复杂界面过程。（A）纳米颗粒与（B）纳米结构表面的纳米气泡及受其影响的生物分子吸附过程。（C）平滑物理表面上的简单、可预测的生物分子吸附过程。

2. 基于SPP-MIM杂化效应的超构薄膜：提出基于SPP-MIM杂化效应的超构薄膜，其既具有传统SPR传感器的平滑、稳定的物理界面，同时又具有LSPR纳米传感器的高表面灵敏度。

图2 传感器设计。(A) 光纤端面的SPP-MIM杂化超构薄膜和光子晶体微腔示意图。（B）SPP表面波和MIM波导的杂化，颜色表示杂化光学模式的电场实部。（C）SPP-MIM超构薄膜光子晶体微腔（MIM cavity）的谐振波长随表面折射率的变化，以及与传统的光栅耦合SPR的比较。

3. 光纤端等离激元传感器：把SPP-MIM超构薄膜光子晶体微腔集成在单模光纤端面，实现了高灵敏和高稳定的生物分子相互作用检测，为光纤端等离激元生物传感技术走向实用奠定了基础，为高通量药物筛选等需求提供了方案。

图3 分子互作传感设备与实验结果。（A）设备照片。（B）三个传感器，每个重复三次实验，体现了高稳定性和可重复性。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文作者杨天教授进行了专访，就文章相关内容进行阐述。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

杨天教授：

难以实现稳定性和可重复性一直是纳米光学生物传感器的痛点，我们发现这来源于纳米结构的复杂界面过程。通过设计SPP-MIM超构薄膜，使得纳米结构的光场通过杂化效应耦合到平面表面的SPP倏逝波，我们实现了把纳米结构的光学和平滑物理界面上的分子互作统一在一个器件里。有意思的是，这种超构薄膜还具有接近LSPR的特征，即浅的倏逝波深度、高的表面灵敏度和非线性的表面灵敏度。通过超构材料实现SPR和LSPR的“强强联合”，从而获得既灵敏又稳定的生物分子传感能力，是纳米等离激元研究领域的一条新思路。

作为SPP-MIM超构薄膜的第一个应用实例，我们通过嵌入光子晶体微腔的方式将其集成在单模光纤的端面，从而赋予光纤端面SPR传感器高灵敏、高稳定的分子互作传感能力。我们认为这是一项里程碑式的技术进步，标志着光纤端SPR传感这项一直被寄予厚望、但以前表现很差的技术终于突破到可以进入实用的阶段。这项技术在低成本、便捷性和高通量等方面的潜力，能够使分子互作分析走出中心实验室，实现更广泛和更大规模的应用。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

杨天教授：

纳米光学非标记传感领域多年来弥漫着盲目追求超低浓度分子检测的氛围。我们看到的很多这类报道都明显违反分子互作的基本定律，但是没有人知道为什么，对稳定性问题大多数时候也避而不谈。这让我们一直很苦恼，在包括文章发表等方面受到很大阻力，最近两三年还有光学领域的顶刊审稿人反对我们质疑前人的生物实验结果。其实有相当一部分学者和我们意识到了同样的问题，要特别感谢Elsevier编辑部2020年邀请我们在Sens. Actuat. B上发表perspective article讨论这件事；后来又有其他学者专门发表文章质疑此领域的文献，但是，仍然没有人知道导致这些奇怪实验结果的背后原因。所以我们这项工作遇到的最大困难，可能也是最大的价值，就是指出了纳米结构表面对分子互作过程的干扰，并通过新的器件解决了这个问题。能有这个发现要特别感谢课题组同学们勤恳和仔细的实验研究，以及严谨分析数据、不放过蛛丝马迹的科学精神。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

杨天教授：

首先是完善并提升传感器与设备的性能，进行更多的生物实验和完成技术转化，尽快让光纤端SPR技术为生命科学、药物研发、诊断、疫苗、食品、监护等行业带来企盼已久的能力。其次是基于光纤通信系统提升传感通量，为大规模药物筛选提供新方法，支撑人工智能时代的药物研发。同时，与数字化、荧光等方法结合有可能创造出新的光纤末端传感技术。最后，表面纳米气泡在分子互作中到底起到了什么作用是一个很有意思的问题，是否有可能控制和利用这种效应形成新的传感原理？

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Cell Biomaterials来发表这个工作的原因？

杨天教授：

Cell Biomaterials是Cell Press细胞出版社旗下专注physical sciences & engineering方向的期刊，编辑团队非常专业和友好，与我们进行了大量前期的沟通，甚至帮我们构思写作方法。这项工作涉及纳米光学、分子生物学、表面物理、表面化学、流体力学等多个交叉学科，契合期刊的定位。希望通过这本期刊，把我们的工作快速分享给广泛的读者。