东南大学张璇如副研究员和崔铁军教授LPR：基于深亚波长人工表面等离激元的高灵敏度生化传感

创新点：东南大学毫米波国家重点实验室的张璇如副研究员和崔铁军教授报道了一种基于深亚波长人工局域表面等离激元（spoof localized surface plasmon, SLSP）的谐振式传感器。该SLSP谐振器将偶极子压缩至1/41波长，品质因子187；在0.63 m的工作波长下实现了对0.45 μmol葡萄糖的非接触式传感。

关键词：人工表面等离激元，深亚波长，谐振传感，生化传感

图1. 基于深亚波长人工局域表面等离激元（SLSP）的生化传感。左图为本文报道的SLSP谐振器示意图，右图为该SLSP谐振器应用于非接触式葡萄糖传感的测试曲线。

基于谐振峰频移的介电常数传感器在生化传感领域备受关注，例如光学表面等离激元、光学微腔等，可实现对生化量的实时、非标记传感。微波谐振式传感器可实现相同的传感功能，并且得益于微波平面电路的高集成度和高可靠性，有望实现物联传感系统的便携式和轻量化。然而，微波传感器的检测极限受制于波长，灵敏度有待提高；并且检测过程中需要消耗较大体积的待测溶液样本。这两点成为微波传感走向实用亟待解决的瓶颈问题。

近期，东南大学张璇如副研究员和崔铁军教授提出并实现了一种新型的人工局域表面等离激元（spoof localized surface plasmon, SLSP）谐振器（其结构如图1），该谐振器通过两条螺旋臂来调控电磁场，激励起电场、磁场和电流的涡旋分布（如图2），将磁偶极子模式束缚于直径1/41波长以内，实验测量品质因子187。基于该深亚波长SLSP谐振器，研究团队设计了一种微流腔进行葡萄糖溶液的传感测试，待测溶液体积仅为3.7×10^-8λ₀³（其中λ0为自由空间波长），注入溶液后SLSP谐振器的品质因子仍高达84。同时，微流腔的衬底隔离了SLSP谐振器和待测溶液，实现了非接触式传感，避免了对传感器表面的污染。该方案在0.63 m工作波长下，实现了对0.45 μmol葡萄糖的检测。

图2. 本文报道的SLSP谐振器的模式分析。(a) 电场、磁场和电流分布示意图；(b, c) 矢量电场、磁场和电流分布的仿真结果，c图中的红线为电流方向的示意；(d) 电场和磁场z分量的场分布图。

该工作通过深亚波长的场束缚特性和表面等离激元增强，在分米波段实现了亚微摩尔的葡萄糖传感。基于印刷电路板工艺的SLSP传感器价格经济，对各种环境具有普遍适应性，且易于和信号检测及无线通信电路集成，在便携式物联传感中具有巨大的发展潜力。利用SLSP模式实现的检测极限突破，为微波谐振传感在生化检测领域的应用打开了广阔的前景。

WILEY

论文信息：

Contactless Glucose Sensing at Sub-Micromole Level Using a Deep-Subwavelength Decimeter-Wave Plasmonic Resonator

Xuanru Zhang, Tie Jun Cui*

Laser & Photonics Reviews

DOI: 10.1002/lpor.202200221

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Laser & Photonics Reviews是一份双月刊同行评审科学期刊，涵盖光学科学各个方面的研究，由Wiley-VCH出版，包含综述、论文、快讯文章等内容，2021年影响因子13.138。

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