近日，复旦大学、香港理工大学和同济大学合作研究团队提出了一种由BIC效应驱动的混合型超表面传感器。该项研究成果作为封面文章，以“High-Sensitivity Optical Sensors Empowered by Quasi-Bound States in the Continuum in a Hybrid Metal–Dielectric Metasurface”为题，在线发表于国际权威期刊ACS Nano上。
无标记型光学生物传感器因其无污染检测和分析环境微小变化的能力而受到广泛关注。在不同的无标记型光学生物传感器中，共振型周期纳米结构（如超表面）是主要的选择之一。这种具有薄片形状的纳米结构能激发高度受限的光场和增强光与物质的相互作用，并推进超紧凑光学传感设备的发展，在促进高灵敏和高精度的生物传感应用方面具有很大的前景。由不同材料组成的超表面在光学和传感性能方面具有不同的特性。具体来说，由金属材料构成的超表面能够激发表面等离激元共振并实现超高灵敏度，然而品质因子（Q因子）会受到金属吸收的限制；相反，由低损耗电介质材料构成的从超表面可以实现极其尖锐的导模共振，但这种共振的大部分电磁能量会被束缚在结构内部，限制了灵敏度。为了克服这些限制，研究者们已经提出了结合金属和电介质材料的混合型结构，这种结构有望将金属的高灵敏度和电介质的高Q特性集成在一起，从而赋予生物传感器更高的品质因数(figure of merit, FOM)。近年来，一种位于连续辐射谱区域内的非辐射暗态——连续域束缚态（bound states in the continuum, BICs）为高Q传感器的设计提供了新的机会。在无边界、无损耗、无缺陷的理想条件下，BIC具有无穷大的Q因子（quality factor）；在实际应用中，BIC通常会转化为尖锐的准BIC（quasi-BIC）共振。准BIC的Q因子与结构参数息息相关，例如在破坏面内反转对称性的电介质超表面中，准BIC模式的Q因子遵循平方反比定律。因此，BIC效应的高Q和可调协Q的特点为无标记型光学生物传感器提供了一种新的平台。然而，以往BIC的相关研究大部分是在纯电介质材料体系中进行，关于金属/混合型材料体系的研究基本停留在仿真阶段，相关的实验研究寥寥无几。针对上述问题，研究团队从理论上和实验上提出了一种由BIC效应驱动的混合型超表面。在正入射条件下，混合型超表面在近红外波段激发有两个对称保护型准BIC模式，这两个准BIC模式由电介质或金属材料主导激发，在传感应用中展现出不同的优势。由电介质主导的准BIC表现出窄共振、高信噪比和优异的体传感性能，由金属主导的准BIC模式对表面结合有强响应，体现出更高的表面亲和力。研究工作表明了在利用准BIC效应增强无标记型传感性能方面取得的实质性进展。混合型超表面由Si3N4圆柱形四聚体阵列-金膜-SiO2衬底的三层结构组成，其结构单元如图1a所示。在入射光作用下，混合材料之间的相互作用导致等离激元特征与光子特征发生耦合，从而激发更复杂的光学响应。图1b展示了混合型超表面中的光谱调制，其中ff2为控制四聚体对角圆柱尺寸的参数，定义为ff2 = d2/P。在ff2的调协区间内，该超表面激发有三个光学共振。其中，在900 nm 和750 nm附近、具有线宽消失特征的两个模式为BICs，而在700 nm附近的宽谱亮态为一般的表面等离激元共振。
图1 混合型超表面结构与仿真光谱。(a)超表面周期单元，圆柱尺寸d1 = d4 = 280 nm，d2 = d3 =200 nm，周期大小P = Px = Py =800 nm；(b)混合型超表面的BIC性质光谱调制
为了深入分析混合型超表面的光学性质，我们计算了本征模场和电场模响应。图2a和b为BICs模式本征模场的面内分量，这些呈反对称分布的面内分量与辐射分量的对称性失配，说明BICs模式属于对称保护型（symmetry-protected）。图2c-d展示了各模式的电场模响应，d-qBIC模式的电场集中分布在Si3N4圆柱顶端和内部，具有导模共振特点；而m-qBIC的电场集中分布在金膜与Si3N4层交界处，与图2e所示的表面等离激元共振类似。这种差异说明了d-qBIC与m-qBIC模式是分别由光子特征与等离激元特征所主导激发的。
图2 混合型超表面的仿真光学响应。(a)d-qBIC和(b)m-qBIC的本征模场面内分量；(c-e)各光学模式的电场模响应
图3a展示了集成混合型超表面的PDMS微流控芯片，图3b-d展示了对混合型超表面的光谱测试、体折射率灵敏度测试和生物素-链霉亲和素特异性传感实验。实验结果显示，在正入射和液体环境下，由光子特征主导的d-qBIC模式实现了412的高Q因子和优越的传感性能，其中体折射率灵敏度为492.7 nm/RIU，FOM为266.3 RIU–1；由等离激元特征主导的m-qBIC模式在检测链霉亲和素时实现了1.8 nm的共振偏移量，展现出更强的表面亲和力。
图3 混合型超表面的表征测试与传感实验。(a)微流控芯片与混合型超表面的扫描电镜图；(b)测量光谱与仿真光谱对比；(c)各光学模式的体折射率灵敏度；(d)各光学模式用于检测链霉亲和素的最大共振位移量和检测极限
复旦大学信息科学与工程学院光科学与工程系的硕士研究生罗曼和周一博士为论文的共同第一作者，复旦大学信息科学与工程学院吴翔老师、香港理工大学量子技术研究所的刘爱群院士以及同济大学物理科学与工程学院的施宇智老师为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中国兵器工业集团有限公司激光器件技术重点实验室开放基金的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c11994
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