表面等离子激元是一种表面波，其本质是金属与介质分界面上光与自由电子之间相互作用而引起的电磁振荡，具有短波长、近场增强、表面局域等特性。人们利用表面等离激元的局部增强电磁场对周围介质敏感的特性发展成为表面等离激元传感技术。目前基于该技术发展起来的光学检测技术在环境检测、健康监测、生化分析等领域具有广泛的应用前景。由于传统的棱镜耦合结构的表面等离子共振传感器体积庞大且价格昂贵，不易于远程操控。近些年，为了实现传感器的低成本、小型化和集成化，表面等离激元纳米结构传感器的设计和应用受到越来越多的关注。
我院徐挺课题组致力于新型金属纳米结构的设计及其在生物传感领域应用的研究。在前期工作中，该课题组通过将纳米盘和纳米孔结构在空间叠加构建出新型的金属纳米环结构。该结构存在的共振模式不仅满足窄带的特征而且具有高的峰值对比度，这解决了已有纳米结构传感器共振模式存在的宽带宽和低峰值对比度的问题，并系统研究了该共振模式的传感性能，实现了生物分子的低浓度特异性检测。由于该结构特殊的光路设计和光学性质对偏振不敏感特性，可以将其转移到光纤截面上，实现了该结构的小型化便携式集成（ACS Sensors, 2, 1796-1804, 2017）。基于这种复合结构，课题组还研究了金属膜衬底对纳米环阵列中的共振耦合模式的增强作用。由于纳米环底部金属膜衬底的存在，该结构存在两个共振模式，分别对应于局域等离子模式和传播等离子模式。研究发现传播等离子模式的体折射率灵敏度高于局域模式，然而局域模式的表面灵敏度要高于传播模式，因而可根据共振耦合模式的趋肤深度的长短找到最优的生物分子检测方法（Nanoscale, 10, 548-555, 2018，封面论文）。此外，课题组还与美国国家准技术研究院纳米中心合作，基于表面等离子激元面内干涉模型，利用非周期超表面结构对于空间光谱不同入射角度的响应，实现了具有极高空间角分辨率的折射率传感器件（Nature Communications, 8, 1347, 2017）。这些工作对于推进高性能表等离子激元生化传感器件的小型化和集成化发展起到了进一步的推动作用。
图1（左）光纤集成的高灵敏度生化传感器；（中）表面等离子体环形纳米结构应用于不同场景的生化传感；（右）基于非周期超表面结构的高分辨率光谱滤波及传感。
我们博士后梁瑜章为前两项工作的第一作者，徐挺教授为以上三项工作的通讯作者，相关研究受到了本院陆延青教授以及大连理工大学彭伟教授的指导与支持。该工作获得了科技部纳米专项，国家自然科学基金创新群体及面上项目，中组部 等项目的经费资助。
（徐挺 供稿）
