中国科学院 顶部:带有捕获分子的光学传感器设计示意图
底部:示意图显示了在溶液中浓缩和捕获分子的过程
信用:苗祥龙，颜，，彼得·Q
刘（姓氏） 光学传感器可以通过测量和处理样品产生的光信号来定量分析化学和生物样品
基于红外吸收光谱的光学传感器能够实时实现高灵敏度和高选择性，因此在环境传感、医学诊断、工业过程控制和国土安全等多个应用领域发挥着至关重要的作用
在《光:科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由Dr
彼得·Q
美国纽约州立大学布法罗分校电气工程系的刘(音译)展示了一种新型的高性能光学传感器，这种传感器可以利用液体的表面张力将分析物分子集中并捕获在器件结构的最敏感位置，从而显著提高灵敏度
基于也具有纳米尺度沟槽的金属-绝缘体-金属夹层结构，当溶液在传感器表面逐渐蒸发时，传感器可以被动地将分析物溶液保留和浓缩在这些微小的沟槽中，并最终将沉淀的分析物分子捕获在这些沟槽中
由于通过设计在这些沟槽中光强度也得到高度增强，光和被捕获的分析物分子之间的相互作用大大增强，导致容易检测到的光信号(即
e
光吸收光谱的变化),甚至在分析物质量的微微克水平
通常，不同的分子种类吸收不同频率的红外光，因此可以通过分析光谱中观察到的吸收线来识别和量化检测到的分子
虽然这种分子吸收本质上是弱的，但是光学传感器可以通过在器件表面上使用合适的纳米结构来将光限制在非常小的体积(所谓的热点)中，从而显著增强分子吸收，这导致非常大的光强度
这样，在给定的时间间隔内，热点中的每个分子可以比热点外的分子吸收更多的光，如果足够多的分子位于热点中，这使得以高可靠性测量非常少量的化学或生物物质成为可能
这种通用方法也被称为表面增强红外吸收(SEIRA)
然而，对于大多数SEIRA光学传感器来说，一个关键问题是，热点仅占据整个器件表面积的很小一部分
另一方面，分析物分子通常随机分布在装置表面上，因此只有一小部分分析物分子位于热点并有助于增强光吸收
“如果大多数分析物分子能够被传送到光学传感器的热点，SEIRA信号将会大得多
这是我们光学传感器设计的主要动机
“博士
刘说
“有一些技术，如光镊和介电泳，可以操纵小粒子甚至分子，并将它们传送到热点等目标位置
然而，这些技术需要大量的能量输入，并且使用起来也很复杂
“博士
刘补充说:“我们着手探索的是一种装置结构，它能够以被动(无需能量输入)和有效的方式将从溶液中沉淀出来的分析物分子捕获到热点中，我们认识到我们可以利用液体的表面张力来实现这一目标
" 除了展示高灵敏度的生物分子传感，该团队还进行了另一组实验，实验表明，相同类型的装置结构也可以有效地将脂质体颗粒(约100纳米的特征尺寸)捕获在微小的沟槽中
这意味着这种光学传感器可以被优化用于检测和分析纳米物体，例如病毒或外来体，它们具有与实验中使用的脂质体相似的尺寸
科学家们相信，所展示的SEIRA光学传感器设计策略也可以应用于其他类型的光学传感器
除了传感应用之外，这种器件结构还可以用于操纵纳米级物体，包括外来体、病毒和量子点
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