清華校友研發(fā)室溫液態(tài)金屬納米光學分子傳感器，利用其“熱點”可實現(xiàn)對極少量目標分子的高靈敏檢測

“幾個月前，我的辦公桌上放了個小塑料瓶，里面有少量液態(tài)鎵。我時不時觀察一下，甚至搖一搖塑料瓶看是否會引起液態(tài)鎵的變化。過了這么久樣品仍處于液態(tài)，雖然其溫度應該早已在 23°C 的室溫附近。所以，基于液態(tài)鎵的器件并不需要維持在 30°C 以上，在室溫甚至更低溫度下完全可以工作。而我們的實驗均在普通室溫環(huán)境下進行?！?/span>

對于剛發(fā)表的新論文，紐約州立大學布法羅分校電氣工程系教授劉強提到了一件研究趣事。

同時他表示，自從用液態(tài)鎵制備器件以來，他才了解到液態(tài)鎵是一種很有趣的物質(zhì)。雖然鎵的熔點是 30°C，但是液態(tài)鎵就算溫度遠遠低于熔點，仍可保持液態(tài)（類似過冷水）。

利用液態(tài)鎵的多種良好物理特性，劉強和團隊開創(chuàng)了一種基于液態(tài)鎵的納米光學分子傳感器的新穎器件設計理念。

該器件結(jié)構(gòu)不僅能實現(xiàn)具有超強光場局限的納米腔（即所謂的“熱點”，hot spot），而且具備獨特且簡便的制備和實驗操作過程，這讓被檢測分子能較高效地進入熱點區(qū)域，因此實現(xiàn)了對極少量目標分子（如單分子層）的高靈敏度檢測。

1 月 6 日，相關論文以《基于液態(tài)金屬的納米光子學結(jié)構(gòu)用于高性能 SEIRA 傳感》（Liquid-Metal-Based Nanophotonic Structures for High-Performance SEIRA Sensing）為題，發(fā)表在 Advanced Materials 上，劉強擔任通訊作者。

他表示：“我們研究這類分子傳感器的主要目的是想推進生物分子的光學檢測技術和相關應用，比如醫(yī)療診斷、健康監(jiān)測等。”

據(jù)悉，光學分子傳感器不僅能實現(xiàn)高靈敏度和高特異性的分子檢測，與基于化學反應的方法等其它類生物分子檢測技術相比，具備速度更快的優(yōu)勢。

同時，該分子傳感器還有諸多其它潛在應用，比如檢測污染物、有毒有害物質(zhì)、或危險品。

劉強說道：“該工作展示了在納米光學分子傳感器領域，液態(tài)金屬或具備廣闊應用空間，因為利用液態(tài)金屬不僅可實現(xiàn)優(yōu)越的器件性能，而且能簡化器件制備和分子檢測操作流程，因此更加適用于實驗室之外的各種應用場景?！?/span>

“嘗試了一個現(xiàn)在看來比較天真的想法”

研究背景要從傳統(tǒng)納米光學傳感器說起。傳統(tǒng)納米光學傳感器大多基于由固態(tài)貴金屬（如金、銀）形成的納米結(jié)構(gòu)，來增強光和被檢測物質(zhì)之間的相互作用。

近些年，也有一些基于石墨烯等離子激元的器件結(jié)構(gòu)在中紅外波段顯示出優(yōu)越的性能?？傮w來講，在納米光學傳感器領域，多年來的研究重點主要在于設計、并制備具有更強光場局限能力的納米結(jié)構(gòu)，以便不斷增強光與物質(zhì)的相互作用。

在增強納米光子結(jié)構(gòu)對光場的局限能力上，常見策略是縮小熱點尺寸。此前，各類具有納米尺度、甚至亞納米尺度熱點的光子結(jié)構(gòu)已被成功展示。

如果一些分子進入熱點區(qū)域，就能和光場產(chǎn)生很強的相互作用，從而可通過測量光譜將其檢測到。但是，當光子結(jié)構(gòu)的熱點縮小到真正的納米尺度，尤其是和被檢測的目標分子的大小相當?shù)某潭龋繕朔肿颖愫茈y進入到熱點區(qū)域內(nèi)。

比如，想要檢測某種溶液中的濃度極低的目標分子，但是這些分子只能通過隨機擴散過程進入納米尺度的傳感器熱點區(qū)域，可想而知這一過程是非常低效的。

最終能到達熱點區(qū)域的目標分子數(shù)量可能非常有限，而絕大多數(shù)目標分子會留在熱點區(qū)域外，并對測量所得的光信號基本沒有貢獻。

因此，只注重縮小傳統(tǒng)納米光學傳感器的熱點尺寸、去提升光場局限度的策略，未必會提升器件的整體性能，反而可能會因為遇到分子輸運瓶頸而適得其反。

要想用更強的光場局域去增強光物相互作用，就得實現(xiàn)更小的熱點結(jié)構(gòu)。但是，更小的熱點結(jié)構(gòu)又會導致目標分子更難進入熱點，這似乎是一個魚與熊掌不可兼得的基本矛盾。

當采用傳統(tǒng)的先制備完整器件、再引入被檢測樣品的方法時，這一基本矛盾難以避免。

然而，如果把被檢測樣品先引入到僅“部分完工”的納米光學傳感器的適當位置，（“部分完工”是指納米尺度熱點還未形成），再對器件進行最后的“封頂”工作，以形成已囊括目標分子的納米尺度熱點，上述矛盾則可迎刃而解。

理論來講，該方法可用于各種納米光學傳感器上，但在實際操作上并不易實現(xiàn)，因為在傳統(tǒng)方法中，完全基于固體金屬納米結(jié)構(gòu)的器件制備過程既復雜、又苛刻。因此，先引入被檢測樣品、再完成器件結(jié)構(gòu)的流程，很可能與器件的納米制備過程無法兼容。

此次研究正是針對這一問題，展示了利用液態(tài)金屬比如液態(tài)鎵來形成納米光子結(jié)構(gòu)的一部分，從而達成先把被檢測樣品引到器件、再完成器件整體結(jié)構(gòu)的目標，進而實現(xiàn)了目標分子的高靈敏度檢測。

此外，這種納米光子結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法便宜且便捷，只需用液態(tài)金屬覆蓋已引入被檢測樣品的器件表面，非常適合在實驗室之外的環(huán)境中操作，因此有望帶來廣泛的應用前景。

幾年前，劉強團隊就致力于探索如何解決上述減小熱點尺度與將目標分子高效輸運至熱點之間的基本矛盾。

他們這項工作最初的想法仍然是使用傳統(tǒng)的完全基于固態(tài)金屬的器件結(jié)構(gòu)，不同的是采用了新型器件制備的路線。

“比如，我們先嘗試了一個現(xiàn)在看來比較天真的想法：將一個表面已吸附目標分子的金納米窄帶的樣品，與另一個表面是連續(xù)金薄膜的樣品直接壓一起，以嘗試形成納米尺度的中紅外諧振腔。并在實驗中用硅片作為襯底，以保證樣品的表面平整度。同時選擇 1-octadecanethiol（ODT）作為目標分子，因為 ODT 分子可以在金表面通過自主裝形成致密的單分子層，且是該領域內(nèi)用以表征納米光學傳感器性能的常用目標分子之一?！眲姳硎尽?/span>

但經(jīng)過幾次嘗試后，劉強和團隊發(fā)現(xiàn)這種將兩個宏觀尺度的剛性樣品、用適當?shù)牧χ苯訅涸谝黄鹨孕纬杉{米諧振腔的想法行不通，因為很難在足夠大的面積內(nèi)形成在微觀尺度上較為完美的表面接觸，要知道完美狀態(tài)下表面間隙不會超出幾納米。

當然，劉強和團隊僅用手工方式對器件施壓，壓力值并不高。劉強認為，如果采用機械裝置，施加數(shù)倍數(shù)量級以上的壓力，也許可以形成納米諧振腔。

但是，那并不是一種理想的器件制備方式，而且壓力過高也可能會導致各種問題，比如器件襯底碎裂，因此他們并未繼續(xù)探索這一方案。

接下來，他和團隊又嘗試使用電子束蒸發(fā)鍍膜的方法，直接把金薄膜淀積到已經(jīng)吸附單分子層的金納米窄帶上，從而形成具有納米尺度熱點的中紅外諧振腔。

“但出乎意料的是這個方法也沒有成功。嘗試幾次后，我們發(fā)現(xiàn)原因很可能是單分子層在電子束蒸發(fā)鍍膜的過程中遭到了破壞，因此并沒有形成預期的納米諧振腔結(jié)構(gòu)，要知道在樣品反射譜中，完全看不到預期的諧振腔特征峰。”劉強說道。

于是，他又嘗試先在單分子層上，用低溫原子層沉積的方法淀積一層幾個納米的絕緣體保護層，再進而用電子束蒸發(fā)鍍膜來淀積金薄膜。

這一器件制備流程較為成功地保護了單分子層，借此也測量到預期的分子紅外振動模式所對應的吸收譜。

“當然，我們知道這樣的器件制備過程——即引入被測樣品后再進行兩步鍍膜，在實際應用中并不現(xiàn)實。做這一步實驗的主要目的是驗證該器件結(jié)構(gòu)是否可以工作，并了解其產(chǎn)生的分子檢測信號的大致強度?！眲娧a充稱。

得到初步實驗結(jié)果后，劉強又開始思考是否有非傳統(tǒng)的器件制備方法，可在引入被檢測樣品后無需鍍膜工藝就能實現(xiàn)此類納米器件結(jié)構(gòu)。

在此期間，他從柔性電子器件領域的同行近期成果中得到啟發(fā)，遂打算使用液態(tài)金屬取代上述納米光子結(jié)構(gòu)中的連續(xù)金薄膜。

對可選液態(tài)金屬做完調(diào)研后，他決定先嘗試液態(tài)鎵。鎵是一種無毒性、熔點低（30°C）、金屬性較好、且相對廉價的金屬。

雖然將固態(tài)金薄膜換成液態(tài)鎵，器件的工作機制沒有本質(zhì)變化，但這一材料的替換大大簡化了器件制備過程：只需將吸附了目標分子的金納米窄帶樣品，直接放置在液態(tài)鎵的表面，便可能形成納米諧振腔。

劉強表示：“做實驗之前我們并不知道該想法是否可行。幸運的是，我的學生苗祥龍嘗試了幾次，就取得了不錯的結(jié)果。雖然前幾批器件并不完美，但讓我們看到這條路確實行得通。”

于是，苗祥龍又展開多次實驗，不斷優(yōu)化器件制備和引入液態(tài)鎵的操作過程，最終實驗結(jié)果十分令人滿意：這些基于液態(tài)金屬的分子傳感器，不僅制備流程相對簡單，對 ODT 單分子層的檢測靈敏度，也高于此前報道的各種完全基于固態(tài)金屬納米結(jié)構(gòu)的器件。

雖然實驗結(jié)果整體還不錯，但該團隊依然未能弄清楚幾個細節(jié)，比如一個有趣現(xiàn)象是實驗中觀測到的納米諧振腔的諧振頻率明顯高于仿真預測值。

盡管實驗與仿真不能完全吻合也算正常情況，但是劉強和團隊認為當時看到的兩者差別超出了正常范圍，因此應該不只是普通的實驗與仿真不完全吻合，而是有一些尚未發(fā)現(xiàn)的原因。

經(jīng)過一番更為仔細的數(shù)據(jù)分析、實驗驗證和建模仿真，該團隊最終發(fā)現(xiàn)主要原因是金納米窄帶的表面粗糙度，致使納米諧振腔的有效厚度大于此前預期值。

如果將這一表面粗糙度引入器件仿真模型中，仿真與實驗結(jié)果就吻合得很好。這一發(fā)現(xiàn)也對劉強的下一步工作提供了很好的指導：即通過降低金納米窄帶的表面粗糙度，或可進一步增強該器件結(jié)構(gòu)的光場局限能力，從而提高器件的分子檢測靈敏度。

曾以優(yōu)秀畢業(yè)生榮譽獲得清華電子工程學士學位

劉強是一名清華校友，2007 年獲得清華大學電子工程學士學位及清華大學優(yōu)秀畢業(yè)生榮譽，后于 2012 年在美國普林斯頓大學獲得電氣工程博士學位。

博士畢業(yè)后，先后來到瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院量子電子研究所和物理系、以及美國桑迪亞國家實驗室，做了兩站博士后。2017 年加入美國紐約布法羅大學電氣工程系擔任教授至今。

未來，他打算計劃繼續(xù)設計新的器件結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化器件制備流程，比如之前提到的降低金結(jié)構(gòu)的表面粗糙度，以便進一步提高器件性能。

另一方面，他也將使用這類器件做檢測真正生物分子的實驗，譬如人體內(nèi)與某些疾病相關的蛋白質(zhì)或 DNR/RNA 片段。

其表示：“做這類生物分子檢測的實驗流程，肯定比之前檢測單層 ODT 分子復雜，所以需要一段時間進行嘗試和摸索，以確定一套可靠有效的操作流程。同時，對于器件的結(jié)構(gòu)設計，我們也會針對不同波長范圍和分子大小做出調(diào)整。”

-End-

參考：

1、Miao, X., Luk, T. S., & Liu, P. Q. (2022). Liquid‐Metal‐Based Nanophotonic Structures for High‐Performance SEIRA Sensing. Advanced Materials, 2107950.