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

“幾個(gè)月前，我的辦公桌上放了個(gè)小塑料瓶，里面有少量液態(tài)鎵。我時(shí)不時(shí)觀(guān)察一下，甚至搖一搖塑料瓶看是否會(huì )引起液態(tài)鎵的變化。過(guò)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(shí)驗均在普通室溫環(huán)境下進(jìn)行?！?/span>

對于剛發(fā)表的新論文，紐約州立大學(xué)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(shí)他表示，自從用液態(tài)鎵制備器件以來(lái)，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(diǎn)是 30°C，但是液態(tài)鎵就算溫度遠遠低于熔點(diǎn)，仍可保持液態(tài)（類(lèi)似過(guò)冷水）。

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

該器件結構不僅能實(shí)現具有超強光場(chǎng)局限的納米腔（即所謂的“熱點(diǎn)”，hot spot），而且具備獨特且簡(jiǎn)便的制備和實(shí)驗操作過(guò)程，這讓被檢測分子能較高效地進(jìn)入熱點(diǎn)區域，因此實(shí)現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(guān)論文以《基于液態(tài)金屬的納米光子學(xué)結構用于高性能 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(lèi)分子傳感器的主要目的是想推進(jìn)生物分子的光學(xué)檢測技術(shù)和相關(guān)應用，比如醫療診斷、健康監測等?！?/span>

據悉，光學(xué)分子傳感器不僅能實(shí)現高靈敏度和高特異性的分子檢測，與基于化學(xué)反應的方法等其它類(lèi)生物分子檢測技術(shù)相比，具備速度更快的優(yōu)勢。

同時(shí)，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(shuō)道：“該工作展示了在納米光學(xué)分子傳感器領(lǐng)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(shí)現優(yōu)越的器件性能，而且能簡(jiǎn)化器件制備和分子檢測操作流程，因此更加適用于實(shí)驗室之外的各種應用場(chǎng)景?！?/span>

“嘗試了一個(gè)現在看來(lái)比較天真的想法”

研究背景要從傳統納米光學(xué)傳感器說(shuō)起。傳統納米光學(xué)傳感器大多基于由固態(tài)貴金屬（如金、銀）形成的納米結構，來(lái)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構在中紅外波段顯示出優(yōu)越的性能?？傮w來(lái)講，在納米光學(xué)傳感器領(lǐng)域，多年來(lái)的研究重點(diǎn)主要在于設計、并制備具有更強光場(chǎng)局限能力的納米結構，以便不斷增強光與物質(zhì)的相互作用。

在增強納米光子結構對光場(chǎng)的局限能力上，常見(jiàn)策略是縮小熱點(diǎn)尺寸。此前，各類(lèi)具有納米尺度、甚至亞納米尺度熱點(diǎn)的光子結構已被成功展示。

如果一些分子進(jìn)入熱點(diǎn)區域，就能和光場(chǎng)產(chǎn)生很強的相互作用，從而可通過(guò)測量光譜將其檢測到。但是，當光子結構的熱點(diǎn)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的程度，目標分子便很難進(jìn)入到熱點(diǎn)區域內。

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(guò)隨機擴散過(guò)程進(jìn)入納米尺度的傳感器熱點(diǎn)區域，可想而知這一過(guò)程是非常低效的。

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

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

要想用更強的光場(chǎng)局域去增強光物相互作用，就得實(shí)現更小的熱點(diǎn)結構。但是，更小的熱點(diǎn)結構又會(huì )導致目標分子更難進(jìn)入熱點(diǎn)，這似乎是一個(gè)魚(yú)與熊掌不可兼得的基本矛盾。

當采用傳統的先制備完整器件、再引入被檢測樣品的方法時(shí)，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(xué)傳感器的適當位置，（“部分完工”是指納米尺度熱點(diǎn)還未形成），再對器件進(jìn)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(diǎn)，上述矛盾則可迎刃而解。

理論來(lái)講，該方法可用于各種納米光學(xué)傳感器上，但在實(shí)際操作上并不易實(shí)現，因為在傳統方法中，完全基于固體金屬納米結構的器件制備過(guò)程既復雜、又苛刻。因此，先引入被檢測樣品、再完成器件結構的流程，很可能與器件的納米制備過(guò)程無(wú)法兼容。

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

此外，這種納米光子結構的實(shí)現方法便宜且便捷，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(shí)驗室之外的環(huán)境中操作，因此有望帶來(lái)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(diǎn)尺度與將目標分子高效輸運至熱點(diǎn)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的完全基于固態(tài)金屬的器件結構，不同的是采用了新型器件制備的路線(xiàn)。

“比如，我們先嘗試了一個(gè)現在看來(lái)比較天真的想法：將一個(gè)表面已吸附目標分子的金納米窄帶的樣品，與另一個(gè)表面是連續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(shí)驗中用硅片作為襯底，以保證樣品的表面平整度。同時(shí)選擇 1-octadecanethiol（ODT）作為目標分子，因為 ODT 分子可以在金表面通過(guò)自主裝形成致密的單分子層，且是該領(lǐng)域內用以表征納米光學(xué)傳感器性能的常用目標分子之一?！眲姳硎?。

但經(jīng)過(guò)幾次嘗試后，劉強和團隊發(fā)現這種將兩個(gè)宏觀(guān)尺度的剛性樣品、用適當的力直接壓在一起以形成納米諧振腔的想法行不通，因為很難在足夠大的面積內形成在微觀(guān)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(huì )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，施加數倍數量級以上的壓力，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(guò)高也可能會(huì )導致各種問(wèn)題，比如器件襯底碎裂，因此他們并未繼續探索這一方案。

接下來(lái)，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(diǎn)的中紅外諧振腔。

“但出乎意料的是這個(gè)方法也沒(méi)有成功。嘗試幾次后，我們發(fā)現原因很可能是單分子層在電子束蒸發(fā)鍍膜的過(guò)程中遭到了破壞，因此并沒(méi)有形成預期的納米諧振腔結構，要知道在樣品反射譜中，完全看不到預期的諧振腔特征峰?！眲娬f(shuō)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(gè)納米的絕緣體保護層，再進(jìn)而用電子束蒸發(fā)鍍膜來(lái)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(dòng)模式所對應的吸收譜。

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

得到初步實(shí)驗結果后，劉強又開(kāi)始思考是否有非傳統的器件制備方法，可在引入被檢測樣品后無(wú)需鍍膜工藝就能實(shí)現此類(lèi)納米器件結構。

在此期間，他從柔性電子器件領(lǐng)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構中的連續金薄膜。

對可選液態(tài)金屬做完調研后，他決定先嘗試液態(tài)鎵。鎵是一種無(wú)毒性、熔點(diǎn)低（30°C）、金屬性較好、且相對廉價(jià)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(méi)有本質(zhì)變化，但這一材料的替換大大簡(jiǎn)化了器件制備過(guò)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(shí)驗之前我們并不知道該想法是否可行。幸運的是，我的學(xué)生苗祥龍嘗試了幾次，就取得了不錯的結果。雖然前幾批器件并不完美，但讓我們看到這條路確實(shí)行得通?！?/span>

于是，苗祥龍又展開(kāi)多次實(shí)驗，不斷優(yōu)化器件制備和引入液態(tài)鎵的操作過(guò)程，最終實(shí)驗結果十分令人滿(mǎn)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(jiǎn)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)金屬納米結構的器件。

雖然實(shí)驗結果整體還不錯，但該團隊依然未能弄清楚幾個(gè)細節，比如一個(gè)有趣現象是實(shí)驗中觀(guān)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(shí)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(shí)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(shí)驗與仿真不完全吻合，而是有一些尚未發(fā)現的原因。

經(jīng)過(guò)一番更為仔細的數據分析、實(shí)驗驗證和建模仿真，該團隊最終發(fā)現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(shí)驗結果就吻合得很好。這一發(fā)現也對劉強的下一步工作提供了很好的指導：即通過(guò)降低金納米窄帶的表面粗糙度，或可進(jìn)一步增強該器件結構的光場(chǎng)局限能力，從而提高器件的分子檢測靈敏度。

曾以?xún)?yōu)秀畢業(yè)生榮譽(yù)獲得清華電子工程學(xué)士學(xué)位

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

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

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

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

其表示：“做這類(lèi)生物分子檢測的實(shí)驗流程，肯定比之前檢測單層 ODT 分子復雜，所以需要一段時(shí)間進(jìn)行嘗試和摸索，以確定一套可靠有效的操作流程。同時(shí)，對于器件的結構設計，我們也會(huì )針對不同波長(cháng)范圍和分子大小做出調整?！?/span>

-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.