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(xiàn)對極少量目標(biāo)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(yīng)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(yàn)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(qiáng)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(diǎn)是 30°C，但是液態(tài)鎵就算溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)，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(qiáng)和團(tuán)隊(duì)開創(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(shè)計(jì)理念。

該器件結(jié)構(gòu)不僅能實(shí)現(xiàn)具有超強(qiáng)光場局限的納米腔（即所謂的“熱點(diǎn)”，hot spot），而且具備獨(dú)特且簡便的制備和實(shí)驗(yàn)操作過程，這讓被檢測分子能較高效地進(jìn)入熱點(diǎn)區(qū)域，因此實(shí)現(xiàn)了對極少量目標(biāo)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(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(qiáng)擔(dān)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(jìn)生物分子的光學(xué)檢測技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用，比如醫(yī)療診斷、健康監(jiān)測等?！?/span>

據(jù)悉，光學(xué)分子傳感器不僅能實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高特異性的分子檢測，與基于化學(xué)反應(yīng)的方法等其它類生物分子檢測技術(shù)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(yīng)用，比如檢測污染物、有毒有害物質(zhì)、或危險(xiǎn)品。

劉強(qiáng)說道：“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(yīng)用空間，因?yàn)槔靡簯B(tài)金屬不僅可實(shí)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(shí)驗(yàn)室之外的各種應(yīng)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(xué)傳感器說起。傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)，來增強(qiáng)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。總體來講，在納米光學(xué)傳感器領(lǐng)域，多年來的研究重點(diǎn)主要在于設(shè)計(jì)、并制備具有更強(qiáng)光場局限能力的納米結(jié)構(gòu)，以便不斷增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。

在增強(qiáng)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(diǎn)尺寸。此前，各類具有納米尺度、甚至亞納米尺度熱點(diǎn)的光子結(jié)構(gòu)已被成功展示。

如果一些分子進(jìn)入熱點(diǎn)區(qū)域，就能和光場產(chǎn)生很強(qiáng)的相互作用，從而可通過測量光譜將其檢測到。但是，當(dāng)光子結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)縮小到真正的納米尺度，尤其是和被檢測的目標(biāo)分子的大小相當(dāng)?shù)某潭?，目?biāo)分子便很難進(jìn)入到熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)。

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

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

因此，只注重縮小傳統(tǒng)納米光學(xué)傳感器的熱點(diǎn)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?yàn)橛龅椒肿虞斶\(yùn)瓶頸而適得其反。

要想用更強(qiáng)的光場局域去增強(qiáng)光物相互作用，就得實(shí)現(xiàn)更小的熱點(diǎn)結(jié)構(gòu)。但是，更小的熱點(diǎn)結(jié)構(gòu)又會導(dǎo)致目標(biāo)分子更難進(jìn)入熱點(diǎn)，這似乎是一個魚與熊掌不可兼得的基本矛盾。

當(dāng)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(xué)傳感器的適當(dāng)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(biāo)分子的納米尺度熱點(diǎn)，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(xué)傳感器上，但在實(shí)際操作上并不易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趥鹘y(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(fù)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(dá)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(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)分子的高靈敏度檢測。

此外，這種納米光子結(jié)構(gòu)的實(shí)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(shí)驗(yàn)室之外的環(huán)境中操作，因此有望帶來廣泛的應(yīng)用前景。

幾年前，劉強(qiáng)團(tuán)隊(duì)就致力于探索如何解決上述減小熱點(diǎn)尺度與將目標(biāo)分子高效輸運(yùn)至熱點(diǎn)之間的基本矛盾。

他們這項(xiàng)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(biāo)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(shí)驗(yàn)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(biāo)分子，因?yàn)?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(lǐng)域內(nèi)用以表征納米光學(xué)傳感器性能的常用目標(biāo)分子之一?！眲?qiáng)表示。

但經(jīng)過幾次嘗試后，劉強(qiáng)和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種將兩個宏觀尺度的剛性樣品、用適當(dāng)?shù)牧χ苯訅涸谝黄鹨孕纬杉{米諧振腔的想法行不通，因?yàn)楹茈y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(dāng)然，劉強(qiáng)和團(tuán)隊(duì)僅用手工方式對器件施壓，壓力值并不高。劉強(qiáng)認(rèn)為，如果采用機(jī)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(dǎo)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(tuán)隊(duì)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(yù)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(yù)期的諧振腔特征峰?！眲?qiáng)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(hù)層，再進(jìn)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(hù)了單分子層，借此也測量到預(yù)期的分子紅外振動模式所對應(yīng)的吸收譜。

“當(dāng)然，我們知道這樣的器件制備過程——即引入被測樣品后再進(jìn)行兩步鍍膜，在實(shí)際應(yīng)用中并不現(xiàn)實(shí)。做這一步實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)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(qiáng)度?！眲?qiáng)補(bǔ)充稱。

得到初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，劉強(qiáng)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(shí)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(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(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(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(jī)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(biāo)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(qiáng)表示：“做實(shí)驗(yàn)之前我們并不知道該想法是否可行。幸運(yùn)的是，我的學(xué)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(shí)行得通。”

于是，苗祥龍又展開多次實(shí)驗(yàn)，不斷優(yōu)化器件制備和引入液態(tài)鎵的操作過程，最終實(shí)驗(yàn)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(bào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果整體還不錯，但該團(tuán)隊(duì)依然未能弄清楚幾個細(xì)節(jié)，比如一個有趣現(xiàn)象是實(shí)驗(yàn)中觀測到的納米諧振腔的諧振頻率明顯高于仿真預(yù)測值。

盡管實(shí)驗(yàn)與仿真不能完全吻合也算正常情況，但是劉強(qiáng)和團(tuán)隊(duì)認(rèn)為當(dāng)時看到的兩者差別超出了正常范圍，因此應(yīng)該不只是普通的實(shí)驗(yàn)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(xì)的數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和建模仿真，該團(tuán)隊(duì)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(yù)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(yàn)結(jié)果就吻合得很好。這一發(fā)現(xiàn)也對劉強(qiáng)的下一步工作提供了很好的指導(dǎo)：即通過降低金納米窄帶的表面粗糙度，或可進(jìn)一步增強(qiáng)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(yù)獲得清華電子工程學(xué)士學(xué)位

劉強(qiáng)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(yàn)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(dān)任教授至今。

未來，他打算計(jì)劃繼續(xù)設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)，譬如人體內(nèi)與某些疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)或 DNR/RNA 片段。

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